Las propiedades de los nanomateriales podrían ser más fáciles de predecir en el futuro. Los científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart han triturado el metal en polvos continuamente más finos en pasos y han preparado un catálogo detallado de cómo cambia la estructura de los granos de metal según el tamaño del grano. Descubrieron que las celosías de cristal inicialmente se encogen, pero expandirse de nuevo por debajo de un cierto tamaño de grano umbral. La disposición y el espaciamiento de los átomos determinan numerosas propiedades de un material. Si es posible caracterizar con precisión las redes cristalinas en función del tamaño de partícula, De este modo, también puede ser posible calcular con mayor precisión cómo se comportan las nanopartículas de un tamaño particular.

El café más fino se muele, cuanto más intenso es el sabor. La relación entre propiedades y molienda también preocupa a un equipo de científicos encabezado por Eric Jan Mittemeijer, Director del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes. Los investigadores no trabajan con café, sino con metales a nanoescala. Con varios metales nanogranados muy finamente pulverizados, determinaron que los átomos de metal en los granos cristalinos grandes individuales se agrupan más de cerca, cuanto más finos se muelen los granos. Por tanto, la red cristalina del material se comprime más. Sin embargo, tan pronto como los granos midan menos de aproximadamente 30 nanómetros de diámetro, los átomos invierten su comportamiento y la red cristalina se expande nuevamente.

Los científicos de materiales han sabido desde hace algún tiempo que el mismo material puede exhibir varias propiedades, incluso contradictorias, dependiendo del tamaño de sus partículas. Esto se aplica principalmente cuando las dimensiones de una muestra de material caen al rango nanométrico. También se sabe bastante acerca de las razones del comportamiento diferente de los granos muy finos y más gruesos. En grandes cristales metálicos, la mayoría de los átomos están completamente rodeados por más átomos del mismo tipo. En este tipo de celosía ordenada, las fuerzas de atracción y repulsión entre los átomos de metal están en equilibrio.

En granos a nanoescala, los átomos de la superficie gobiernan las propiedades del material

En comparación, Los nanocristales constan de relativamente pocos átomos, una gran parte de la cual se encuentra en la superficie de los granos. A medida que cae el tamaño del grano, la relación de superficie a volumen aumenta. Los átomos de la superficie no están rodeados por todos lados por los mismos átomos, y por debajo de un cierto tamaño de cristal, gobiernan las propiedades del material como el color, conductividad, propiedades magnéticas y dureza de la sustancia.

Los investigadores produjeron materiales nanocristalinos en un molino de bolas, pulverizando níquel, planchar, cobre, y tungsteno. Las bolas de acero trituran los metales en un tambor de forma cilíndrica en cristales minúsculos. Mediante el uso de microscopía electrónica y análisis de difracción de rayos X, los científicos de Stuttgart ahora han investigado sistemáticamente, por primera vez, precisamente cómo están dispuestos los átomos en cristales metálicos cada vez más finos. Estaban principalmente interesados ​​en cómo cambia el espacio entre los átomos en la red cristalina en función del tamaño de los granos de cristal.

De acuerdo con sus expectativas, Los científicos observaron inicialmente que las redes cristalinas de los cuatro metales investigados se contraían con la caída del tamaño de grano. "A medida que continuamos la serie de experimentos con granos cada vez más pequeños, sin embargo, hicimos un descubrimiento sorprendente ", dice Eric Jan Mittemeijer. "Si la granulación cae por debajo de un cierto tamaño en el rango nanométrico, la red cristalina se expande de nuevo y aumenta el espaciamiento entre los átomos ".

La tensión superficial y el exceso de volumen compiten entre sí

El hecho de que el espacio entre los átomos en los nanocristales depende del tamaño de grano es, según los científicos, el resultado de dos influencias en competencia:la tensión superficial y el exceso de volumen libre. En metales, los átomos, que están densamente ordenados en el interior y, por lo tanto, poseen muchos enlaces con otros átomos, tienen una energía menor que los átomos en la superficie del grano, que faltan varios socios vinculantes. Esto crea una tensión superficial. Permite que los átomos se acerquen más y más entre sí a medida que el tamaño del grano disminuye y la relación entre la superficie y el volumen aumenta.

Por debajo de un cierto tamaño, entra en juego un efecto adicional de los átomos en la superficie del grano. Un límite de grano como se le conoce, formas donde se encuentran dos granos a nanoescala. Los átomos de la superficie de los granos vecinos, es decir, los átomos en el límite del grano, Trate de asumir una posición de compromiso entre las dos celosías de cristal que se cruzan o superponen. Por lo tanto, se desplazan de sus ubicaciones reales de celosía y ocupan un volumen mayor que los átomos, ocupando una posición fija en una celosía regular. Los investigadores hablan de un exceso de volumen libre en los límites de los granos, que puede ser bastante pronunciado con nanomateriales. Este volumen libre en los límites de los granos de los nanomateriales crea un campo de tensión que expande el espacio entre los átomos vecinos en los nanocristales.

"La influencia de este exceso de volumen libre en las posiciones de la red de los átomos puede despreciarse con seguridad para objetos de más de unos 30 nanómetros", dice Mittemeijer. "Rige el comportamiento de los objetos más pequeños, sin embargo, mientras que la tensión superficial pierde importancia ".

La investigación realizada por los científicos de Max Planck puede resultar de gran importancia para la ciencia de los materiales. "Nuestra investigación contribuye a comprender mejor las propiedades de los nanomateriales, para que un ingeniero sepa qué nanomaterial es adecuado para procesar o productos, por ejemplo", dice Gayatri Rane, que hizo un trabajo crucial en el estudio. Sai Ramudu Meka, quien también participó, agrega, "Si no sabemos cómo se comporta un material, tampoco podemos emplearlo correctamente ".