Algunos de los cristales más pequeños del mundo se conocen como "átomos artificiales" porque pueden organizarse en estructuras que parecen moléculas, incluyendo "superredes" que son bloques de construcción potenciales para materiales novedosos.

Ahora, los científicos del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford han hecho la primera observación de estos nanocristales formando superredes rápidamente mientras ellos mismos todavía están creciendo. Lo que aprendan ayudará a los científicos a afinar el proceso de ensamblaje y adaptarlo para fabricar nuevos tipos de materiales para cosas como el almacenamiento magnético, células solares, optoelectrónica y catalizadores que aceleran las reacciones químicas.

La clave para hacerlo funcionar fue el descubrimiento fortuito de que las superredes pueden formarse superrápidamente, en segundos en lugar de las horas o días habituales, durante la síntesis de rutina de nanocristales. Los científicos utilizaron un potente haz de rayos X en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC para observar el crecimiento de nanocristales y la rápida formación de superredes en tiempo real.

Un artículo que describe la investigación, que se realizó en colaboración con científicos del Laboratorio Nacional Argonne del DOE, fue publicado hoy en Naturaleza .

"La idea es ver si podemos obtener una comprensión independiente de cómo crecen estas superredes para que podamos hacerlas más uniformes y controlar sus propiedades". "dijo Chris Tassone, un científico del personal de SSRL que dirigió el estudio con Matteo Cargnello, profesor asistente de ingeniería química en Stanford

Pequeños cristales con propiedades descomunales

Los científicos han estado fabricando nanocristales en el laboratorio desde la década de 1980. Debido a su pequeño tamaño, tienen mil millonésimas de metro de ancho y contienen solo de 100 a 10, 000 átomos cada uno:se rigen por las leyes de la mecánica cuántica, y esto les da propiedades interesantes que se pueden cambiar variando su tamaño, forma y composición. Por ejemplo, nanocristales esféricos conocidos como puntos cuánticos, que están hechos de materiales semiconductores, brillan en colores que dependen de su tamaño; se utilizan en imágenes biológicas y, más recientemente, en pantallas de televisión de alta definición.

A principios de la década de 1990, los investigadores comenzaron a usar nanocristales para construir superredes, que tienen la estructura ordenada de cristales regulares, pero con pequeñas partículas en lugar de átomos individuales. Estas, también, se espera que tengan propiedades inusuales que son más que la suma de sus partes.

Pero hasta ahora las superredes han crecido lentamente a bajas temperaturas, a veces en cuestión de días.

Eso cambió en febrero de 2016, cuando el investigador postdoctoral de Stanford, Liheng Wu, descubrió por casualidad que el proceso puede ocurrir mucho más rápido de lo que los científicos habían pensado.

'Algo raro está sucediendo'

Estaba tratando de hacer nanocristales de paladio, un metal plateado que se usa para promover reacciones químicas en convertidores catalíticos y muchos procesos industriales, calentando una solución que contiene átomos de paladio a más de 230 grados Celsius. El objetivo era comprender cómo se forman estas pequeñas partículas, por lo que su tamaño y otras propiedades podrían ajustarse más fácilmente.

El equipo agregó pequeñas ventanas a una cámara de reacción del tamaño de una mandarina para que pudieran hacer brillar un haz de rayos X SSRL a través de ella y observar lo que estaba sucediendo en tiempo real.

"Es como cocinar, "Explicó Cargnello." La cámara de reacción es como una cacerola. Agregamos un solvente, que es como el aceite para freír; los principales ingredientes de los nanocristales, como paladio; y condimentos, que en este caso son compuestos tensioactivos que ajustan las condiciones de reacción para que puedas controlar el tamaño y la composición de las partículas. Una vez que agregue todo a la sartén, lo calientas y fríes tus cosas ".

El estudiante graduado de Wu y Stanford, Joshua Willis, esperaban ver el patrón característico creado por los rayos X que se dispersan de las partículas diminutas, pero vieron un patrón completamente diferente.

"Entonces está sucediendo algo extraño, "le enviaron un mensaje de texto a su asesor.

Lo extraño fue que los nanocristales de paladio se estaban ensamblando en superredes.

Un equilibrio de fuerzas

En este punto, "El desafío era comprender qué une a las partículas y las atrae entre sí, pero no con demasiada fuerza, para que tengan espacio para moverse y colocarse en una posición ordenada, "dijo Jian Qin, un profesor asistente de ingeniería química en Stanford que realizó cálculos teóricos para comprender mejor el proceso de autoensamblaje.

Una vez que se forman los nanocristales, lo que parece estar sucediendo es que adquieren una especie de capa peluda de moléculas tensioactivas. Los nanocristales brillan juntos, atraído por fuerzas débiles entre sus núcleos, y luego un equilibrio finamente ajustado de fuerzas atractivas y repulsivas entre las moléculas tensioactivas colgantes las mantiene en la configuración justa para que crezca la superrejilla.

Para sorpresa de los científicos, los nanocristales individuales siguieron creciendo, junto con las superredes, hasta que se hayan agotado todos los ingredientes químicos de la solución, y este crecimiento añadido inesperado hizo que el material se hinchara. Los investigadores dijeron que creen que esto ocurre en una amplia gama de sistemas de nanocristales, pero nunca se había visto porque no había forma de observarlo en tiempo real antes de los experimentos del equipo en SSRL.

"Una vez que comprendimos este sistema, nos dimos cuenta de que este proceso puede ser más general de lo que pensamos inicialmente, ", Dijo Wu." Hemos demostrado que no solo se limita a los metales, pero también puede extenderse a materiales semiconductores y muy probablemente a un conjunto mucho mayor de materiales ".

El equipo ha estado realizando experimentos de seguimiento para obtener más información sobre cómo crecen las superredes y cómo pueden modificar el tamaño. composición y propiedades del producto terminado.