Un nuevo estudio de la Universidad Estatal de Carolina del Norte muestra que el tamaño juega un papel clave en la determinación de la estructura de ciertas nanopartículas huecas. Los investigadores se centraron en nanopartículas de níquel, que tienen interesantes propiedades magnéticas y catalíticas que pueden tener aplicaciones en campos tan diversos como la producción de energía y la nanoelectrónica.

"Los principios que estamos descubriendo aquí tienen un gran potencial para la nanofabricación:la creación de materiales que tienen características muy pequeñas, con muchas aplicaciones en campos que van desde la electrónica hasta la medicina, "dice el Dr. Joe Tracy, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en NC State y coautor del estudio. "Este estudio mejora nuestra comprensión de las nanopartículas huecas y es una base para el trabajo futuro en aplicaciones en grabación magnética de densidad ultra alta y catalizadores más eficientes, que es útil para la producción química, tratamiento de residuos y producción de energía ".

Se trata de la oxidación de nanopartículas de níquel. Si comienza con una pieza "central" de níquel y la oxida, exponerlo al oxígeno a altas temperaturas, la estructura del material cambia. Si el material está parcialmente oxidado, expuesto a oxígeno y altas temperaturas durante un tiempo limitado, se forma una capa sólida de óxido de níquel alrededor del material.

Si el material se expone al calor y al oxígeno durante un período de tiempo más prolongado, se produce una mayor oxidación. La cáscara externa permanece, pero el níquel se transporta fuera del núcleo, dejando un vacío. Si el material está completamente oxidado, Se crea un vacío más grande, dejando la capa de óxido de níquel efectivamente hueca. Esta conversión de nanopartículas sólidas a huecas se conoce como el "efecto Kirkendall a nanoescala".

Pero lo que los investigadores de NC State han descubierto es que el tamaño del núcleo de níquel también juega un papel clave en la estructura de estas partículas. Por ejemplo, en las nanopartículas de níquel más pequeñas, aquellas con núcleos que tienen un diámetro inferior a 30 nanómetros (nm), se forma un solo vacío dentro de la cáscara durante la oxidación. Esto da como resultado un núcleo asimétrico de níquel, con un solo vacío creciendo en un lado del núcleo. El núcleo restante se encoge a medida que continúa el proceso de oxidación. Esto es significativo en parte, porque la capa de óxido de níquel se vuelve progresivamente más gruesa en el lado que linda con el núcleo. Cuanto más grande es el núcleo, dentro del límite de 30 nm, más grueso se vuelve ese lado del caparazón. En otras palabras, termina con una capa de óxido de níquel que puede ser significativamente más gruesa en un lado que en el otro.

Sin embargo, los investigadores encontraron que las nanopartículas de níquel más grandes hacen algo completamente diferente. Los investigadores probaron nanopartículas con núcleos de níquel que tenían 96 nm de diámetro, y descubrió que el proceso de oxidación en estas nanopartículas creaba múltiples vacíos en el núcleo, aunque el núcleo en sí permanecía completamente rodeado por la capa de óxido de níquel. Este proceso resultó efectivamente en la creación de burbujas en todo el núcleo. Los "esqueletos" de esas burbujas aún permanecían, incluso después de la oxidación completa, creando una cáscara esencialmente hueca que todavía estaba cruzada con algunos restos del núcleo de níquel.

"Esto nos dice mucho sobre cómo crear estructuras a nanoescala utilizando el efecto Kirkendall a nanoescala, ", Dice Tracy." Es un componente básico para la investigación futura en el campo ".