Por primera vez, científicos de Empa y ETH Zurich tienen, en colaboración con un equipo holandés, logró medir la estructura atómica de nanopartículas individuales. La técnica, publicado recientemente en Naturaleza , podría ayudar a comprender mejor las propiedades de las nanopartículas en el futuro.

En términos químicos, Las nanopartículas tienen propiedades diferentes a las de sus «hermanos y hermanas mayores»:tienen una gran superficie en relación con su minúscula masa y, al mismo tiempo, una pequeña cantidad de átomos. Esto puede producir efectos cuánticos que conducen a la alteración de las propiedades del material. Las cerámicas hechas de nanomateriales pueden volverse repentinamente flexibles, por ejemplo, o una pepita de oro es de color dorado mientras que una nano-plata es rojiza.

Las propiedades químicas y físicas de las nanopartículas están determinadas por su morfología tridimensional exacta, estructura atómica y especialmente su composición superficial. En un estudio iniciado por la científica de ETH Zurich Marta Rossell y el investigador de Empa Rolf Erni, La estructura 3D de nanopartículas individuales ahora se ha determinado con éxito a nivel atómico. La nueva técnica podría ayudar a mejorar nuestra comprensión de las características de las nanopartículas, incluyendo su reactividad y toxicidad.

Para su estudio microscópico electrónico, que fue publicado recientemente en la revista Naturaleza , Rossell y Erni prepararon nanopartículas de plata en una matriz de aluminio. La matriz facilita la inclinación de las nanopartículas bajo el haz de electrones en diferentes orientaciones cristalográficas mientras protege a las partículas del daño del haz de electrones. El requisito previo básico para el estudio fue un microscopio electrónico especial que alcanza una resolución máxima de menos de 50 picómetros. A modo de comparación:el diámetro de un átomo mide aproximadamente un Ångström, es decir, 100 picómetros.

Para proteger aún más la muestra, el microscopio electrónico se configuró de tal manera que también produjera imágenes con una resolución atómica con un voltaje de aceleración más bajo, a saber, 80 kilovoltios. Normalmente, este tipo de microscopio, de los cuales hay pocos en el mundo, funciona a 200 - 300 kilovoltios. Los dos científicos utilizaron un microscopio en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California para sus experimentos. Los datos experimentales se complementaron con mediciones adicionales de microscopía electrónica realizadas en Empa.

Sobre la base de estas imágenes microscópicas, Sandra Van Aert de la Universidad de Amberes creó modelos que afinaron las imágenes y permitieron cuantificarlas:las imágenes refinadas permitieron contar los átomos de plata individuales a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas.

Para la reconstrucción tridimensional de la disposición atómica en la nanopartícula, Rossell y Erni finalmente solicitaron la ayuda del especialista en tomografía Joost Batenburg de Amsterdam, quien utilizó los datos para reconstruir tomográficamente la estructura atómica de la nanopartícula basándose en un algoritmo matemático especial. Solo dos imágenes fueron suficientes para reconstruir la nanopartícula, que consta de 784 átomos. "Hasta ahora, Solo los contornos aproximados de las nanopartículas podrían ilustrarse usando muchas imágenes desde diferentes perspectivas, "dice Marta Rossell. Estructuras atómicas, por otra parte, solo se puede simular en la computadora sin una base experimental.

"Aplicaciones del método, como caracterizar nanopartículas dopadas, ahora están en las cartas, "dice Rolf Erni. Por ejemplo, el método podría usarse algún día para determinar qué configuraciones de átomos se activan en la superficie de las nanopartículas si tienen un efecto tóxico o catalítico. Rossell destaca que en principio el estudio se puede aplicar a cualquier tipo de nanopartícula. El prerrequisito, sin embargo, son datos experimentales como el obtenido en el estudio.