En el crecimiento de cristales, ¿Las nanopartículas actúan como "átomos artificiales" formando bloques de construcción de tipo molecular que pueden ensamblarse en estructuras complejas? Este es el argumento de una teoría importante pero controvertida para explicar el crecimiento de nanocristales. Un estudio realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab) puede resolver la controversia y señalar el camino hacia los dispositivos de energía del futuro.

Dirigido por Haimei Zheng, un científico de planta en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, Los investigadores utilizaron una combinación de microscopía electrónica de transmisión y técnicas avanzadas de manipulación de células líquidas para realizar observaciones en tiempo real del crecimiento de nanobarras a partir de nanopartículas de platino y hierro. Sus observaciones apoyan la teoría de las nanopartículas que actúan como átomos artificiales durante el crecimiento de los cristales.

"Observamos que a medida que las nanopartículas se adhieren, inicialmente forman cadenas policristalinas sinuosas, "Dice Zheng." Estas cadenas finalmente se alinean y unen de un extremo a otro para formar nanocables que se enderezan y estiran en nanobarras de cristal único con relaciones de longitud a espesor de hasta 40:1. Este proceso de crecimiento de nanocristales, donde las cadenas de nanopartículas y las nanopartículas sirven como bloques de construcción fundamentales para las nanovarillas, es inteligente y eficiente ".

Zheng es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Ciencias . El artículo se titula "Imágenes en tiempo real del crecimiento de nanovarillas de Pt3Fe en solución". Los coautores son Hong-Gang Liao, Likun Cui y Stephen Whitelam.

Si se quiere abordar el potencial casi ilimitado de la nanotecnología, Los científicos necesitarán una comprensión mucho mejor de cómo las partículas de tamaño nanométrico pueden ensamblarse en estructuras jerárquicas de organización y complejidad cada vez mayores. Tal comprensión proviene del seguimiento de las trayectorias de crecimiento de las nanopartículas y la determinación de las fuerzas que guían estas trayectorias.

Mediante el uso de microscopía electrónica de transmisión y células de observación líquida, Los científicos de Berkeley Lab y otros lugares han logrado avances significativos en la observación de las trayectorias de crecimiento de las nanopartículas. incluida la unión orientada de nanopartículas, el fenómeno químico que inicia el crecimiento de nanocristales en solución. Sin embargo, estas observaciones se han limitado típicamente a los primeros minutos de crecimiento de cristales. En su estudio, Zheng y sus colegas pudieron extender el tiempo de observación de minutos a horas.

"La clave para estudiar el crecimiento de nanocristales coloidales con diferentes formas y arquitecturas es mantener el líquido en la ventana de visualización el tiempo suficiente para permitir reacciones completas, "Dice Zheng." Disolvimos precursores moleculares de platino y hierro en un solvente orgánico y usamos presión capilar para llevar la solución de crecimiento a una celda líquida de nitruro de silicio que sellamos con epoxi. El sellado de la celda fue especialmente importante ya que ayudó a evitar que el líquido se volviera viscoso con el tiempo. Previamente, a menudo veíamos que los líquidos se volvían viscosos y esto evitaría que se produjeran las interacciones de las nanopartículas que impulsan el crecimiento de los cristales ".

Zheng y sus colegas optaron por estudiar el crecimiento de nanobarras de hierro y platino debido al potencial prometedor del material electrocatalítico para su uso en dispositivos de almacenamiento y conversión de energía de próxima generación. Pudieron observar cómo estas nanopartículas se ensamblan en cristales de nanovarillas utilizando potentes microscopios electrónicos de transmisión en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab. incluido TEAM 0.5 (microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión), que puede producir imágenes con una resolución de medio angstrom, menor que el diámetro de un solo átomo de hidrógeno.

"Por lo que observamos, solo existen nanopartículas individuales al comienzo del crecimiento de los cristales, pero, a medida que avanza el crecimiento, pequeñas cadenas de nanopartículas se vuelven dominantes hasta que, por último, solo se pueden ver largas cadenas de nanopartículas, ", Dice Zheng." Nuestras observaciones proporcionan un vínculo entre el mundo de moléculas individuales y nanoestructuras jerárquicas, allanando el camino para el diseño racional de nanomateriales con propiedades controladas ".