Comprender cómo ocurren las reacciones químicas en pequeños cristales en soluciones líquidas es fundamental para una variedad de campos, incluyendo síntesis de materiales y catálisis heterogénea, pero obtener tal comprensión requiere que los científicos observen las reacciones a medida que ocurren.

Mediante el uso de técnicas coherentes de difracción de rayos X, Los científicos pueden medir la forma exterior y la tensión en materiales nanocristalinos con un alto grado de precisión. Sin embargo, La realización de tales mediciones requiere un control preciso de la posición y los ángulos del diminuto cristal con respecto al haz de rayos X entrante. Tradicionalmente, esto ha significado adherir o pegar el cristal a una superficie, que a su vez tensa el cristal, alterando así su estructura y afectando potencialmente la reactividad.

"Con pinzas ópticas, puede capturar una sola partícula en su estado nativo en solución y observar su evolución estructural, "dijo Linda Young, Compañero distinguido Argonne.

Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Chicago han desarrollado una nueva técnica que combina el poder de los "rayos tractores" a nanoescala con rayos X de alta potencia, permitiéndoles posicionar y manipular cristales en solución que no están en contacto con sustratos.

La técnica del rayo tractor se conoce como "pinzas ópticas, "que también recibió casualmente el Premio Nobel de Física 2018, porque permite manipular muestras utilizando solo luz.

Mientras que las pinzas ópticas ordinarias involucran un solo rayo láser enfocado, las pinzas ópticas holográficas utilizadas en el estudio involucran láseres modificados con precisión con un modulador de luz espacial. Estos láseres se reflejan en un espejo para crear un patrón de interferencia de "puntos calientes" que están más localizados que un rayo láser simplemente enfocado y tienen ubicaciones rápidamente reconfigurables. El gradiente del campo eléctrico de estos puntos calientes enfocados atrae el cristal polarizable y lo mantiene en su lugar.

Con un par de pinzas enganchadas, cada una en un extremo del cristal, los científicos de Argonne pudieron manipular el microcristal semiconductor en tres dimensiones con alta precisión en presencia de una solución líquida y sin exponerlo a otras superficies.

"Generalmente, cuando la gente mira microcristales usando difracción de rayos X, están pegados a un portamuestras, que causa una distorsión, "dijo la distinguida compañera Argonne Linda Young, un autor correspondiente del estudio. "Pero ahora, con pinzas ópticas, puede capturar una sola partícula en su estado nativo en solución y observar su evolución estructural. En principio, puedes agregar reactivos, capturar la disolución o reacción y monitorear los cambios a nivel atómico ".

Al adquirir la capacidad de manipular la muestra utilizando solo luz, Young y sus colegas pudieron aprovechar los rayos X coherentes producidos por Advanced Photon Source (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Usando una técnica llamada imagen de difracción coherente de Bragg (CDI), los investigadores pudieron examinar la estructura del cristal en condiciones reales y desde varios ángulos diferentes.

Al combinar unas pinzas ópticas con Bragg CDI, los científicos ahora tienen una nueva forma de explorar materiales en medios líquidos, explicó el científico del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) Yuan Gao, el primer autor del estudio. "Nuestro descubrimiento proviene de una combinación de diferentes técnicas, incluido el emparejamiento de láseres con el haz coherente del APS, ", dijo." Para que el experimento funcione, también necesitábamos la técnica de nanofabricación en el Centro de materiales a nanoescala para fabricar la celda de muestra ". El Centro de materiales a nanoescala (CNM) también es una instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE.

Según Young, la técnica podría ser útil para una amplia gama de estudios futuros, incluyendo nucleación y crecimiento de cristales. "Típicamente, la gente mira muestras nanocristalinas aisladas en el aire o en el vacío. Queríamos poder controlar tales objetos en la fase líquida. Por ejemplo, Queríamos poder ver cómo se desarrolla la catálisis o cristalización en tiempo real con la precisión que ofrece la cristalografía de rayos X, " ella dijo.

Gao señaló la estabilidad que brindan las pinzas ópticas como una ventaja principal para futuros experimentos de rayos X coherentes. "La difracción coherente es muy sensible a la posición y orientación de la muestra, y este experimento demostró las posibilidades de esta nueva técnica, ", dijo. Debido a la estabilidad de la técnica, los investigadores pudieron obtener datos de difracción coherentes, lo que les permitió reconstruir la muestra con una precisión subnanométrica, revelando defectos de escala sub-nanométrica y límites de grano dentro del microcristal de ZnO ostensiblemente cristalino.

"Mientras miramos hacia la actualización del APS, que aumentará el brillo de los rayos X en órdenes de magnitud, Estas mediciones serán mucho más rápidas y proporcionarán una visión aún más interesante de cómo cambian las muestras con el tiempo. "agregó Ross Harder, un físico de Argonne de la APS que es autor del artículo.

Finalmente, los investigadores quisieran extender la técnica para capturar la evolución ultrarrápida del cristal cuando es excitado por un pulso láser, dijo el profesor de química de la Universidad de Chicago, Norbert Scherer, otro autor del artículo. "Este es el primer paso para lograr nuestra mayor ambición, que es visualizar la dinámica estructural dependiente del tiempo de cómo cambia la red, " él dijo.

Para realizar el experimento, los investigadores confiaron en la creación de componentes microfluídicos en el CNM. También se llevaron a cabo simulaciones electrodinámicas en el clúster de computación de alto rendimiento Carbon de CNM. Los investigadores de la Universidad de Chicago contribuyeron con su experiencia en la técnica de pinzas ópticas holográficas.

Un artículo basado en el estudio, "Atrapamiento óptico tridimensional y orientación de micropartículas para obtener imágenes de difracción de rayos X coherentes, "apareció en la edición en línea del 11 de febrero de la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .