Los haces de rayos X de alta energía y una inteligente configuración experimental permitieron a los investigadores observar una alta presión, reacción química a alta temperatura para determinar por primera vez qué controla la formación de dos estructuras cristalinas a nanoescala diferentes en el cobalto metálico. La técnica permitió el estudio continuo de las nanopartículas de cobalto a medida que crecían desde grupos que incluían decenas de átomos hasta cristales de hasta cinco nanómetros.

La investigación proporciona la prueba de principio de una nueva técnica para estudiar la formación de cristales en tiempo real, con aplicaciones potenciales para otros materiales, incluyendo aleaciones y óxidos. Los datos del estudio produjeron "diagramas de fase nanométricos" que muestran las condiciones que controlan la estructura de los nanocristales de cobalto a medida que se forman.

La investigación, informó el 13 de noviembre en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , fue patrocinado por la National Science Foundation, y usó líneas de haz de rayos X de sincrotrón apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional Argonne.

"Descubrimos que de hecho podíamos controlar la formación de las dos estructuras cristalinas diferentes, y que el factor de ajuste fue el pH de la solución, "dijo Hailong Chen, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "El ajuste de la estructura cristalina nos permitió controlar la funcionalidad y las propiedades de estos materiales. Creemos que esta metodología también podría aplicarse a aleaciones y óxidos".

En cobalto a granel, La formación de cristales favorece la estructura hexagonal compacta (HCP) porque minimiza la energía para crear una estructura estable. A nanoescala, sin embargo, El cobalto también forma la fase cúbica centrada en las caras (FCC), que tiene una energía superior. Eso puede ser estable porque la alta energía superficial de los pequeños nanoclusters afecta la energía cristalina total, Chen dijo.

"Cuando los grupos son pequeños, tenemos más efectos de tuning, que está controlada por la energía superficial del grupo negativo OH u otros ligandos, ", agregó." Podemos sintonizar la concentración del grupo menos OH en la solución para poder sintonizar la energía de la superficie y, por lo tanto, la energía general del cúmulo ".

Trabajando con investigadores de los dos laboratorios nacionales y el Departamento de Ciencia de Materiales de la Universidad de Maryland, Chen y el asistente de investigación graduado Xuetian Ma examinaron las estructuras polimórficas utilizando teóricos, técnicas de modelado experimental y computacional.

Experimentalmente, los investigadores redujeron el hidróxido de cobalto en una solución de etilenglicol, usando hidróxido de potasio para variar el pH de la solución. La reacción tiene lugar a alta presión, aproximadamente 1, 800 libras por pulgada cuadrada, ya más de 200 grados Celsius.

En el laboratorio, los investigadores utilizan un recipiente de contención de acero pesado que les permitió analizar solo los resultados de la reacción. Para seguir cómo tuvo lugar la reacción, necesitaban observarlo en tiempo real, lo que requirió el desarrollo de un recipiente de contención lo suficientemente pequeño como para permitir la transmisión de rayos X mientras se maneja la alta presión y alta temperatura al mismo tiempo.

El resultado fue un recipiente de reacción hecho de un tubo de cuarzo de alta resistencia de aproximadamente un milímetro de diámetro y aproximadamente dos pulgadas de largo. Después de agregar la solución de hidróxido de cobalto, el tubo se hizo girar para facilitar la reacción química y promediar la señal de rayos X. Un pequeño calentador aplicó la energía térmica necesaria y un termopar midió la temperatura.

Ma y Chen usaron la configuración durante cuatro viajes separados a líneas de luz en la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II en Brookhaven, y la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne. Los rayos X que pasan a través de la cámara de reacción a un detector bidimensional proporcionaron un monitoreo continuo de la reacción química, que tardó aproximadamente dos horas en completarse.

"Cuando comenzaron a formar un espectro detectable, capturamos el espectro de difracción de rayos X y continuamos observándolo hasta que se formó el cristal de cobalto, "Explicó Ma." Pudimos observar paso a paso lo que estaba sucediendo desde la nucleación inicial hasta el final de la reacción ".

Los datos obtenidos al variar el pH de la reacción produjeron un diagrama de fase nanométrica que muestra dónde diferentes combinaciones produjeron las dos estructuras.

Los resultados de la difracción de rayos X confirmaron las predicciones teóricas y el modelado computacional realizado por Yifei Mo, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland. Mo y sus colegas Adelaide Nolan y Shuo Zhang utilizaron la teoría funcional de la densidad para describir cómo se nuclearía el cristal en diferentes condiciones.

El éxito con el cobalto sugiere que la metodología podría usarse para producir diagramas de fase nanométricos para otros materiales, incluyendo aleaciones y óxidos más complejos, Chen dijo.

"Nuestro objetivo era construir un modelo y una comprensión sistemática sobre la formación de materiales cristalinos a nanoescala, ", dijo." Hasta ahora, los investigadores se habían basado en el diseño empírico para controlar el crecimiento de los materiales. Ahora podemos ofrecer un modelo teórico que permitiría la predicción sistemática de qué tipos de propiedades son posibles en diferentes condiciones ".

Como siguiente paso, los investigadores de Georgia Tech planean estudiar las aleaciones, para seguir mejorando el modelo teórico y el enfoque experimental.