Las exigentes aplicaciones de hoy en la fabricación de productos químicos, generación y almacenamiento de energía, reducción de la contaminación, y el cuidado de la salud están impulsando el desarrollo de nuevos materiales con funcionalidades catalíticas y optoelectrónicas. Sin embargo, predecir y controlar las propiedades de dichos materiales, los científicos han estado estudiando su proceso de desarrollo a nivel molecular. Frecuentemente, una comprensión detallada se ve obstaculizada por la presencia de una sopa compleja y mal definida de moléculas espectadoras que complican la interpretación de los resultados experimentales y dificultan el modelado teórico de alto nivel.

Para destacar un enfoque novedoso para superar este desafío, Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y la Universidad de Purdue se unieron para revisar la técnica de aterrizaje suave de iones y su aplicación a la síntesis de materiales. El uso de esta técnica para colocar suavemente moléculas seleccionadas en superficies permite a los científicos mantener un control exquisito sobre los ingredientes moleculares que componen los materiales complejos.

El esfuerzo se incluyó recientemente en un artículo de revisión invitado que aparece en Angewandte Chemie International Edition titulado "De iones aislados a materiales funcionales multicapa utilizando el aterrizaje suave de iones".

En el artículo de revisión, Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, y Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran describen el enfoque y los beneficios de la técnica de aterrizaje suave de iones. Por ejemplo, Este control preciso se logra convirtiendo primero las moléculas en iones, que son fáciles de manipular mediante campos eléctricos y magnéticos. Luego, los iones se clasifican con precisión por su composición y estado de carga iónica y se entregan como un haz concentrado de forma y tamaño conocidos a una superficie para preparar películas y nanoestructuras a medida. Los materiales resultantes tienen composiciones predeterminadas, lo que hace que sus propiedades físicas medidas y su reactividad química sean más fáciles de atribuir a características geométricas y electrónicas específicas observadas experimentalmente. Esta, Sucesivamente, permite el modelado teórico y un enfoque predictivo, en lugar de un método de prueba y error, para el diseño de materiales.

"El aterrizaje suave de iones permite a los científicos controlar con precisión la composición y la cobertura de una amplia gama de moléculas, incluidas especies no volátiles que de otro modo serían difíciles de depositar, "dijo Johnson, un químico físico en PNNL. Johnson mencionó que la técnica también puede usarse para generar nuevos clústeres y nanopartículas usando técnicas basadas en la pulverización catódica energética, así como intermedios altamente reactivos que no se pueden producir usando métodos convencionales.

Estos científicos fueron invitados a escribir la revisión debido a su papel de liderazgo en el desarrollo de la técnica para estudios en almacenamiento de energía. síntesis de materiales, y catálisis y sus contribuciones sustanciales al campo más amplio de interacciones ión-superficie.

"Nos ha fascinado la técnica de aterrizaje suave de iones durante más de una década, "dijo Laskin, profesor de química en la Universidad Purdue. "A través de los años, Hemos establecido tanto las capacidades experimentales como la comprensión de los fenómenos clave que son necesarios para desarrollarlo en un enfoque poderoso para la síntesis de materiales ".

Comprender las relaciones estructura-propiedad es esencial para diseñar materiales mejorados para aplicaciones futuras. Tal comprensión permite a los investigadores evitar el trabajo intensivo, pérdida de tiempo, y costosos experimentos de prueba y error que de otro modo serían necesarios para explorar cómo los diferentes parámetros influyen en las propiedades y el rendimiento de los nuevos materiales. Las relaciones estructura-propiedad son difíciles de extraer de mezclas complejas donde la presencia de otros compuestos inactivos oscurece la respuesta analítica de moléculas de interés. La técnica de aterrizaje suave de iones crea Materiales de alto valor como partículas diminutas de metal y óxido metálico de tamaño y composición exactos para estudios en catálisis heterogénea y almacenamiento de energía electroquímica (p. ej., supercondensadores y baterías).

Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y la Universidad Purdue — Julia Laskin, Grant Johnson, Jonas Warneke, y Venkateshkumar "Venky" Prabhakaran — fueron invitados a preparar un artículo de revisión basado en sus años de experiencia en el desarrollo de la técnica de aterrizaje suave de iones para estudios en almacenamiento de energía, síntesis de materiales, y catálisis. El equipo, posicionado y decidido a continuar avanzando en la técnica de aterrizaje suave de iones en un enfoque único para la síntesis de materiales, seleccionó el contenido de la revisión después de examinar cientos de artículos de científicos y colegas de laboratorios nacionales y universidades de todo el mundo.

Su artículo de revisión en Edición internacional Angewandte Chemie —Un Journal of the Gesellshaft Deutscher Chemiker — enfatizó los desarrollos recientes en el aterrizaje suave ambiental, que permiten reproducir ciertas ventajas del aterrizaje suave de iones en el vacío en la mesa de laboratorio a un costo y complejidad reducidos.

Prabhakaran, un científico de materiales en PNNL, dijo que el equipo descubrió que "el aterrizaje suave basado en vacío de alto flujo combinado con la caracterización electroquímica in situ constituye un enfoque versátil para comprender el papel de los diferentes componentes activos en el rendimiento de los dispositivos de almacenamiento de energía".

Además, El equipo descubrió que la técnica puede proporcionar información sobre cómo se pueden utilizar las propiedades de los iones moleculares en coberturas altas para adaptar la morfología inicial y la evolución estructural de las películas en fase condensada.

"Utilizamos el aterrizaje suave de iones de alto flujo para generar fascinantes capas similares a líquidos en las superficies por primera vez, "dijo Warneke, un becario postdoctoral Humboldt que vino a PNNL desde Alemania específicamente para realizar investigaciones en aterrizaje suave de iones. Warneke afirmó que "es una herramienta ideal para investigar las propiedades emergentes de capas que contienen un gran número de grupos y moléculas complejas, lo que puede abrir nuevas perspectivas en la ciencia de la energía y otras disciplinas ".

El siguiente paso para la investigación del aterrizaje suave de iones es controlar la disposición tridimensional de las estructuras macroscópicas formadas a través de la deposición de iones seleccionados en masa. Este avance permitirá adaptar las propiedades de los materiales a base de iones con una precisión aún mayor.