Mientras que una película sobre robots gigantes que experimentan transformaciones estructurales está rompiendo récords de taquilla este verano, Un estudio científico sobre transformaciones estructurales dentro de nanocristales individuales está abriendo nuevos caminos para el diseño de materiales novedosos que servirán para baterías de almacenamiento de energía de próxima generación y dispositivos de recolección de energía solar. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han informado de la primera observación directa de transformaciones estructurales dentro de un solo nanocristal de sulfuro de cobre, un semiconductor que se espera que desempeñe un papel importante en las tecnologías energéticas futuras.

Usando TEAM 0.5, uno de los microscopios electrónicos de transmisión más potentes del mundo, un grupo de investigación dirigido por el director de Berkeley Lab, Paul Alivisatos, observaron fluctuaciones estructurales en un nanocristal de sulfuro de cobre a medida que pasaba entre las fases de estado sólido de baja y alta calcocita. Estas fluctuaciones son muy relevantes para comprender fenómenos como la forma en que los iones

el transporte ocurre dentro de los electrodos durante la carga y descarga de las baterías, o cómo pueden cambiar las estructuras de un material sólido en la interfaz entre un electrodo y un electrolito.

"EQUIPO 0.5, con su avanzada óptica electrónica y sistemas de grabación, permite obtener imágenes de muestras rápidas con sensibilidad de un solo átomo en la tabla periódica y una mayor eficiencia de recolección. Esto brinda oportunidades extraordinarias para estudiar la dinámica de transformación estructural in situ con resolución atómica, "Dice Alivisatos.

"En este estudio, " él añade, "Observamos la dinámica de transformación estructural en una nanovarilla de sulfuro de cobre de una estructura de baja a alta calcocita con un detalle sin precedentes, y descubrió que esta dinámica está fuertemente influenciada por defectos en el cristal de nanobarra. Nuestros hallazgos sugieren estrategias para suprimir o ayudar a tales transformaciones que deberían ayudar en el diseño futuro de materiales con fases nuevas y controladas ".

El concepto popular de transiciones de fase es el de un material, en respuesta a los cambios de temperatura, sufrir una transformación de sólido a líquido o gas, es decir., hielo al agua al vapor. Pero algunos materiales sólidos, especialmente a nanoescala, cuando se somete a cambios de temperatura, puede pasar entre dos fases más diferentes en su estructura cristalina. Sulfuro de cobre por ejemplo, se puede transformar a partir de una compleja estructura hexagonal conocida como fase de baja calcocita, a una estructura hexagonal más simple conocida como fase de alta calcocita. Debido a que estas "transformaciones estructurales de primer orden" pueden alterar las propiedades de un nanocristal, son de gran interés para una amplia gama de campos científicos y tienen importantes implicaciones para numerosas tecnologías.

"En sistemas a nanoescala, la barrera energética a una transformación estructural escala con el tamaño del cristal, "dice Alivisatos." Cuando el tamaño de un nanocristal está en un régimen en el que la energía térmica es comparable a la barrera de energía para la transformación de fase, las fluctuaciones entre dos estructuras estables ocurren en el punto de transición, y son relevantes para muchos fenómenos moleculares y de estado sólido cercanos al equilibrio ".

Alivisatos, el Profesor Larry y Diane Bock de Nanotecnología en la Universidad de California (UC) Berkeley, es autor correspondiente de un artículo en la revista Ciencias titulado "Observación de la dinámica de transformación estructural transitoria en un Nanorod de Cu2S".

Los coautores de este artículo fueron Haimei Zheng, Jessy Rivest, Timothy Miller, Bryce Sadtler, Aaron Lindenberg, Michael Toney, Lin-Wang Wang y Christian Kisielowski.

"Durante las transiciones de fase del sulfuro de cobre entre la estructura de baja calcocita y alta calcocita, los iones de azufre permanecen en un marco de celosía rígida mientras que los iones de cobre se mueven dentro de la celosía de iones de azufre, "dice Haimei Zheng, autor principal y coautor del artículo de Science.

"Observamos dónde se nuclea la fase en la superficie de la nanovarilla y dentro del núcleo y cómo se propaga la transformación de fase, "Dice Zheng." También observamos los efectos de los defectos. Por ejemplo, observamos que una falla de apilamiento crea una barrera para el movimiento de los iones de cobre y, por lo tanto, bloquea la propagación de la fase. Estas observaciones nos proporcionan nuevos conocimientos importantes sobre las vías atómicas de las transformaciones estructurales de primer orden ".

Según la teoría de la transición de fase, un cristal sólido fluctuará entre dos estructuras de equilibrio cerca de la fase
punto de transición antes de alcanzar una configuración estable, y que esta región de transición se ensancha en pequeños cristales. Para probar esta teoría, Zheng, Alivisatos y sus coautores atacaron nanobarras de sulfuro de cobre con un haz de electrones del microscopio TEAM 0.5 y luego observaron y vieron las fluctuaciones previstas.

"Antes de los microscopios TEAM, tales detalles de las fluctuaciones entre dos fases de estado sólido en un nanocristal no podrían haberse observado, ", dice Zheng." Nuestros resultados deberían ser de interés para los teóricos que intentan simular transformaciones estructurales en sólidos, ya que ni un estudio sobre materiales a granel ni sobre el conjunto de nanomateriales tiene la capacidad de revelar características tan específicas de las vías de transición de fase ".

TEAM significa Microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión. TEAM 0.5 y su instrumento hermano TEAM 1.0 son capaces de producir imágenes con una resolución de medio angstrom, menos que el diámetro de un solo átomo de hidrógeno. Ambos microscopios se encuentran en Berkley Lab en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM) del DOE.

El siguiente paso para ella Zheng dice:será para abordar cuestiones relativas al transporte de iones con cambios de material de la batería en la interfaz electrodo / electrolito, y cambios estructurales de catalizadores de nanopartículas.

"Dichos estudios comparten el mismo objetivo de desarrollar una comprensión microscópica de las transformaciones estructurales de los materiales, especialmente aquellos que son importantes para aplicaciones energéticas, "Dice Zheng." Microscopía electrónica de transmisión in situ, especialmente nuestros recientes avances técnicos en imágenes dinámicas a través de líquidos o gases, así como en la polarización eléctrica aplicada, proporciona una herramienta poderosa para tales estudios ".