Los plásticos nos rodean:forman nuestras botellas de agua, bolsas de basura, materiales de embalaje, juguetes contenedores, y más. Aproximadamente 300 millones de toneladas de plástico se producen en todo el mundo cada año, sin embargo, los detalles de lo que sucede a escala atómica durante el proceso de producción de plásticos aún no están claros.

Ahora, una nueva técnica desarrollada por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab), en colaboración con Dow y la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos, proporciona detalles de resolución atómica sobre el cloruro de magnesio, un material involucrado en la producción del plástico más común, polietileno, y podría ayudar a crear un camino hacia plásticos sostenibles. Sus hallazgos fueron reportados en Materiales funcionales avanzados .

Los investigadores utilizaron haces de electrones pulsados ​​en un microscopio electrónico para producir imágenes de cloruro de magnesio, las primeras en su tipo. Un haz de electrones continuo daña rápidamente este delicado, material sensible al haz, pero la nueva técnica permitió a los investigadores estudiarla sin daño.

"Si me hubieras preguntado hace 10 años si podríamos usar haces de electrones pulsados ​​para obtener imágenes de materiales sensibles al haz con resolución atómica, No lo hubiera creído "dijo Christian Kisielowski, autor principal del estudio y científico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab, una instalación para usuarios científicos a nanoescala. "Ahora es posible, y nos ha permitido estudiar un material importante para la industria del plástico ”.

Kisielowski agregó que esto cambia las reglas del juego para obtener imágenes de una amplia gama de materiales que normalmente están dañados dentro de un microscopio electrónico. Además de cloruro de magnesio, por ejemplo, Los haces de electrones pulsados ​​también podrían usarse para estudiar membranas blandas y plásticos en general.

Centrándonos en un nuevo camino hacia los plásticos sostenibles

Aunque el cloruro de magnesio se usa ampliamente como estructura de soporte para catalizadores (materiales que aceleran las reacciones) que se usan para fabricar plásticos, la forma exacta en que funciona sigue siendo un misterio. Las imágenes a escala atómica de cloruro de magnesio ayudarían a aclarar su papel en la producción de plásticos y podrían ayudar a allanar el camino hacia plásticos más especializados y sostenibles.

Desafortunadamente, Los intentos anteriores de obtener imágenes de este material crítico han sido difíciles porque el cloruro de magnesio puede existir en dos tipos de estructuras cristalinas que tienen disposiciones de átomos ligeramente diferentes. "El haz de electrones en sí mismo afecta la estructura del material, lo que dificulta la interpretación de qué estructura se está imaginando, ", dijo Kisielowski." Al trabajar con nuestros colaboradores, pudimos desentrañar diferentes interacciones ".

El equipo del Berkeley Lab colaboró ​​con la Universidad Tecnológica de Eindhoven y Dow para desarrollar una técnica que entrega pulsos periódicos de electrones en lugar de un haz de electrones continuo para obtener imágenes de cloruro de magnesio. Usando un microscopio electrónico modificado en Eindhoven, Los investigadores encontraron que al pulsar el haz de electrones como una luz estroboscópica extremadamente rápida con un pulso cada 160 picosegundos (1 picosegundo es una billonésima de segundo), el material puede esencialmente "curarse" a sí mismo entre pulsos.

Se ha entendido bien que las muestras se dañan en un microscopio electrónico cuando los átomos se salen de su posición o las moléculas se dividen en partículas más pequeñas. A través de este estudio, Los investigadores descubrieron que la acumulación de vibraciones atómicas causadas por el haz de electrones es igualmente importante. Pulsando el rayo al mismo tiempo que estas vibraciones, Los investigadores conservaron la estructura atómica original del material y revelaron que las hojas de cloruro de magnesio se apilan unas sobre otras en una disposición irregular como una pila desordenada de libros. que lo distingue de otros materiales.

Otro problema con el que otros investigadores se han enfrentado al obtener imágenes de cloruro de magnesio es que cuando el material se expone al aire, cambia tanto en contenido químico como en estructura cristalina (la forma en que sus átomos están dispuestos en el espacio). Pero cuando se utilizan técnicas convencionales de microscopía electrónica, la muestra se expone al aire mientras se transfiere al microscopio.

Cuando las nuevas soluciones se vuelven claras

Kisielowski señaló que a través de su colaboración con Dow, pudieron minimizar la exposición del material al aire antes de colocarlo dentro del microscopio utilizando un soporte especial sellado al vacío. "Nuestros colegas de Dow nos enseñaron cómo manejar materiales sensibles al aire, y ese fue un elemento clave de todo esto, ", Dijo Kisielowski." Somos expertos en controlar el haz de electrones, que es igualmente importante. Fue una colaboración de toma y daca ".

"Históricamente, Ha sido difícil lograr un conocimiento a nivel atómico del cloruro de magnesio, "dijo David Yancey, el colaborador de Dow del proyecto, y agregó que la estrecha relación de Dow con Berkeley Lab les permitió aplicar la experiencia en microscopía de Foundry para resolver este desafiante problema.

Al asociarnos juntos, Los investigadores de Berkeley Lab y Dow pueden abordar cuestiones científicas fundamentales que están en la raíz de los desafiantes problemas industriales. "La asociación institucional está abriendo nuevas vías para la investigación futura, "dijo Horst Simon, Director adjunto de investigación de Berkeley Lab. "Abordar estos grandes preguntas fundamentales conducirán a beneficios de gran alcance en la ciencia, industria, y la economía de la nación ".

Ahora que los investigadores pueden obtener imágenes de los catalizadores para la producción de plásticos con resolución atómica, avanzarán hacia el estudio de las relaciones entre estas estructuras y las propiedades de los plásticos, allanando el camino hacia plásticos más especializados y sostenibles.

"Ya sabemos que tenemos que cambiar la forma en que tratamos los plásticos en el mundo, "dijo Petra Specht, segundo autor del estudio y científico investigador en el departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley. "Si desea realizar cambios, necesita saber cómo funciona el proceso. Ojalá, nuestra nueva técnica nos ayudará a comprender mejor cómo se forman los plásticos, y cómo podemos hacer materiales más sostenibles, " ella añadió.