Los investigadores de Argonne son los primeros en capturar la formación de defectos de nanomateriales casi en tiempo real. Su trabajo ayudará a otros investigadores a modelar el comportamiento de los materiales, un paso que es clave para una ingeniería más sólida, materiales más fiables. Crédito:Mark Lopez / Laboratorio Nacional Argonne
Desde herreros que forjan hierro hasta artesanos soplando vidrio, Durante siglos, los seres humanos han estado cambiando las propiedades de los materiales para construir mejores herramientas, desde herraduras de hierro y espadas hasta frascos de vidrio y frascos de medicinas.
En la vida moderna se crean nuevos materiales para mejorar los artículos de hoy, como acero más resistente para rascacielos y semiconductores más fiables para teléfonos móviles.
Ahora, Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía (DOE) han descubierto un nuevo enfoque para detallar la formación de estos cambios materiales a escala atómica y en tiempo casi real. un paso importante que podría ayudar a diseñar nuevos materiales mejores y más fuertes.
En un estudio publicado el 16 de enero en Materiales de la naturaleza , investigadores de Advanced Photon Source de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, revelan que han capturado, por primera vez, imágenes de la creación de defectos estructurales en el paladio cuando el metal se expone al hidrógeno.
Esta capacidad de generación de imágenes ayudará a los investigadores a validar modelos que predicen el comportamiento de los materiales y cómo forman defectos. La ingeniería de defectos es la práctica de crear defectos intencionalmente dentro de un material para cambiar las propiedades del material. Este conocimiento es clave para mejorar la ingeniería, materiales más resistentes y fiables para edificios, semiconductores, baterías dispositivos tecnológicos y muchos otros elementos y herramientas.
Los investigadores confiaron en poderosas herramientas de rayos X en Advanced Photo Source para obtener imágenes de los defectos del material a medida que se formaban. Crédito:Mark Lopez / Laboratorio Nacional Argonne
"La ingeniería de defectos se basa en la idea de que puede tomar algo de lo que ya conoce las propiedades y, poniendo defectos o imperfecciones, diseñar cosas con propiedades mejoradas, "dijo el erudito de Argonne Andrew Ulvestad, uno de los autores del estudio. "La práctica se aplica no solo a los metales sino a cualquier material que tenga una estructura cristalina, como los que se encuentran en las células solares y los cátodos de baterías ".
La ingeniería de defectos se utiliza para optimizar el diseño de materiales en una variedad de campos, pero se asocia más comúnmente con el desarrollo de semiconductores. Materiales semiconductores, como el silicio, se utilizan como componentes eléctricos; forman la base de la mayor parte de nuestra electrónica moderna, incluyendo computadoras portátiles y teléfonos móviles.
En un proceso conocido como "dopaje, “Los fabricantes crean defectos en estos materiales al agregar impurezas con el fin de manipular sus propiedades eléctricas para diversos usos tecnológicos.
Si bien los fabricantes saben que pueden cambiar las propiedades de varios materiales para obtener los atributos que desean, los procesos que gobiernan estos cambios no siempre son claros.
Para aumentar la comprensión de dichos procesos, Los investigadores de Argonne se centraron específicamente en los defectos que se forman a nanoescala. Defectos las interfaces y las fluctuaciones en este nivel muy pequeño pueden proporcionar una visión crítica de las funcionalidades de los materiales, como su térmica, propiedades electrónicas y mecánicas, a mayor escala.
Para trazar los cambios en el paladio metálico en la nanoescala, los investigadores utilizaron los patrones de difracción de los rayos X. Crédito:Mark Lopez / Laboratorio Nacional Argonne
Para capturar la formación de defectos, el equipo de Argonne tomó una muestra nanoestructurada de paladio e inyectó, o infundido, con hidrógeno a alta presión. Al mismo tiempo, expusieron la muestra a potentes rayos X en la fuente de fotones avanzada.
Al golpear el cristal de paladio, los rayos X esparcidos, y su patrón de dispersión fue capturado por un detector y utilizado para calcular los cambios en la posición de los átomos dentro de la estructura del paladio. Esencialmente, este proceso permitió a los investigadores "ver" deformaciones dentro del material.
"En algunas formas, tenemos la oportunidad de uno en un millón, Debido a que los defectos que ocurren dentro del cristal no siempre ocurren debido a la naturaleza compleja del proceso, "dijo el físico de Argonne Ross Harder, otro autor del estudio.
Los cambios que se muestran en las exploraciones ejemplifican las numerosas formas en que los defectos pueden alterar las propiedades de los materiales y cómo responden a los estímulos externos. Por ejemplo, los defectos que se formaron alteraron las presiones a las que el paladio podía almacenar y liberar hidrógeno, conocimientos que podrían ser útiles para el almacenamiento de hidrógeno, aplicaciones de detección y purificación, dijeron los investigadores.
Los enfoques de ingeniería de defectos ya se están utilizando para estudiar otros sistemas, incluyendo nanopartículas de cátodo de batería. Sin embargo, el estudio dirigido por Ulvestad y Harder es el primero en captar la formación de defectos a medida que ocurren.
"Lo que hemos hecho es crear una hoja de ruta para otros investigadores. Les mostramos una forma de modelar este sistema y sistemas que tienen dinámicas similares, ", Dijo Ulvestad.
