Comprender y controlar cómo funciona el proceso de difusión a escala atómica es una cuestión importante en la síntesis de materiales. Para nanopartículas, la estabilidad, Talla, estructura, composición, y el orden atómico dependen de la posición dentro de la partícula, y la difusión afecta a todas estas propiedades y se ve afectada por ellas. Una comprensión más profunda de los mecanismos y efectos de la difusión en los nanocristales ayudará a desarrollar métodos de síntesis controlados para obtener las propiedades particulares; sin embargo, Los métodos convencionales para estudiar la difusión en sólidos tienen limitaciones.

Dada la necesidad de técnicas de imagen que sean sensibles a dinámicas más lentas y permitan investigar el comportamiento de difusión en nanocristales individuales a escala atómica y en tres dimensiones (3-D), Un equipo de investigadores utilizó la sensibilidad a la tensión de la imagen de difracción coherente de Bragg (BCDI) para estudiar la difusión del hierro en nanocristales de oro individuales in situ a temperaturas elevadas. Su trabajo fue publicado recientemente en la Nueva Revista de Física .

Medición de la difusión en sólidos

Métodos directos para estudiar la difusión en sólidos (como perfiles mecánicos y de pulverización catódica, espectrometría de masas de iones secundarios, y análisis de microsonda de electrones) proporcionan solo una cantidad macroscópica, el coeficiente de difusión. Los métodos indirectos (como la espectroscopia de neutrones cuasielástica y la espectroscopia de Mössbauer) pueden proporcionar información microscópica sobre el proceso de difusión, pero se limitan a un número reducido de isótopos y valores de difusividad relativamente rápidos. Los métodos existentes para estudios de difusión en sólidos también tienden a promediar señales en varias estructuras, pero en las muestras de nanocristales, la heterogeneidad es significativa y puede afectar los resultados. La microscopía electrónica de transmisión (TEM) permite estudiar la difusión en nanopartículas individuales, pero se limita a muestras delgadas ( <100 nm) y la preparación de la muestra necesaria puede ser destructiva.

La capacidad de BCDI para visualizar la deformación en 3-D en nanocristales individuales es extremadamente útil y muy novedosa. Esta técnica de revelado utiliza rayos X coherentes, lo que permite mapear la tensión dentro de los nanocristales individuales en 3-D. Los investigadores miden el patrón de difracción del cristal, y luego use algoritmos de recuperación de fase iterativa para reconstruir la estructura tridimensional del cristal en el espacio real. La densidad de electrones reconstruida consta de magnitud (generalmente denominada amplitud) y fase, que corresponden a la morfología y cepa del cristal. La sensibilidad a la tensión de BCDI se puede utilizar para investigar la difusión de átomos en un nanocristal, ya que se espera que la difusión induzca distorsiones reticulares mensurables.

BCDI de nanopartículas de oro y hierro

En este estudio, un equipo de investigadores del University College London, Londres, Laboratorio Nacional Brookhaven en los EE. UU., Diamond y el Complejo de Investigación de Harwell utilizaron BCDI en la línea de luz I07 para investigar el comportamiento de difusión tridimensional en una aleación de oro y hierro. Las nanopartículas de oro tienen propiedades ópticas interesantes, y su superficie se puede ajustar para funciones específicas. Su biocompatibilidad los convierte en una opción obvia para aplicaciones médicas. El hierro se puede utilizar para introducir interesantes propiedades magnéticas en nanopartículas, sin embargo, es propenso a la oxidación y tiene una alta toxicidad celular en un contexto médico.

Las nanopartículas de oro y hierro ofrecen un material con propiedades magnéticas y ópticas que es biocompatible y está protegido de la oxidación. Tienen aplicaciones médicas potenciales en la resonancia magnética, hipertermia y administración de fármacos dirigida.

El equipo midió el patrón de difracción de nanocristales de oro individuales en función de la temperatura y el tiempo. antes y después de la deposición de hierro. Utilizaron algoritmos de recuperación de fase para obtener reconstrucciones espaciales reales de los nanocristales, observando la aleación de hierro con oro a temperaturas de muestra de 300-500 ° C y la desviación de hierro del oro a 600 ° C. Descubrieron que el volumen de la región aleada en los nanocristales aumentaba con la dosis de hierro. Sus resultados sugirieron que las muestras alcanzaron el equilibrio relativamente rápido después de la deposición de hierro, y la distribución de fase resultante dentro de los nanocristales de oro después de las deposiciones de hierro sugiere una contracción debida a la difusión del hierro.

Este estudio demuestra la utilidad de BCDI para estudiar la difusión tridimensional y el comportamiento de aleación en nanocristales individuales a escala atómica. Investigó con éxito los cambios en la estructura de los nanocristales de oro individuales como resultado de la difusión y la aleación con hierro. a diferentes temperaturas y dosis de metal, con resolución de deformación picométrica.

La autora principal, Ana Estandarte, agrega:"BCDI es una técnica que se puede aplicar a una amplia gama de materiales y su capacidad para examinar de forma no destructiva la deformación 3-D en materiales a escala atómica durante procesos dinámicos es poderosa. cambios en los nanocristales durante la difusión en este estudio, estamos buscando aplicar la técnica en el futuro para investigar los procesos en los materiales de las baterías ".