Los nanocubos de paladio que interactúan con el gas hidrógeno se observaron directamente a través de la luminiscencia in situ para revelar que el tamaño puede marcar una diferencia mucho mayor en las transformaciones de fase de lo que los científicos creían anteriormente. Crédito:Berkeley Lab
(Phys.org) —Comprender lo que le sucede a un material cuando se somete a transformaciones de fase (cambios de sólido a líquido a gas o plasma) es de interés científico fundamental y fundamental para optimizar las aplicaciones comerciales. Para nanocristales metálicos, Se hicieron suposiciones sobre la dependencia del tamaño de las transformaciones de fase que ahora necesitan ser reevaluadas. Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab) ha demostrado que a medida que los nanocristales metálicos atraviesan transformaciones de fase, el tamaño puede hacer una diferencia mucho mayor de lo que se creía anteriormente.
Trabajando en Molecular Foundry de Berkeley Lab, un centro de investigación científica a nanoescala del DOE, el equipo dirigido por Jeffrey Urban y Stephen Whitelam desarrolló una sonda óptica única basada en luminiscencia que proporcionó las primeras observaciones directas de nanocristales metálicos que experimentan transformaciones de fase durante las reacciones con hidrógeno gaseoso. El análisis de sus observaciones reveló un grado sorprendente de dependencia del tamaño cuando se trata de propiedades tan críticas como la termodinámica y la cinética. Estos resultados tienen importantes implicaciones para el diseño futuro de los sistemas de almacenamiento de hidrógeno. catalizadores, pilas de combustible y baterías.
"Nadie ha observado nunca antes transformaciones de fase directamente en sistemas de nanocristales metálicos, por lo que nadie vio el factor de dependencia del tamaño, que fue oscurecido por otros efectos complicados, escondido a la vista si se quiere, ", Dice Urban." La suposición era que para nanocristales de más de 15 nanómetros, el comportamiento termodinámico y cinético sería esencialmente voluminoso. Sin embargo, nuestros resultados muestran que los efectos de tamaño puro pueden entenderse y emplearse de manera productiva en una gama mucho más amplia de tamaños de nanocristales de lo que se pensaba ".
Urban y Whitelam, ambos tienen citas con la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, son los autores correspondientes de un artículo que describe este estudio en la revista Materiales de la naturaleza . El artículo se titula "Descubriendo la dependencia intrínseca del tamaño de las transformaciones de fase de hidruración en nanocristales". Los coautores son Rizia Bardhan, Lester Hedges, Cary Pint y Ali Javey.
Stephen Whitelam (izquierda) y Jeffrey Urban de Molecular Foundry de Berkeley Lab lideraron las primeras observaciones directas de nanocristales metálicos que experimentan transformaciones de fase durante las reacciones con hidrógeno gaseoso. Crédito:Roy Kaltschmidt, Laboratorio de Berkeley
Si bien está bien establecido que los materiales en la nanoescala pueden ofrecer efectos físicos, propiedades químicas y mecánicas que no se muestran a microescala, Ha faltado conocimiento sobre cómo se pueden alterar estas propiedades a medida que los nanocristales experimentan transformaciones de fase.
"La comprensión cuantitativa de las transformaciones de fase de nanocristales se ha visto obstaculizada por las dificultades para monitorear directamente sistemas a nanoescala bien caracterizados en entornos reactivos, "Dice Urban.
Urban y sus colegas abordaron este problema con una celda estanca al gas de acero inoxidable hecha a medida con ventanas ópticas y elementos calefactores y conectada a una bomba de alto vacío. Utilizaron esta configuración experimental para recolectar espectros de luminiscencia in situ con un microscopio Raman confocal mientras los nanocubos de paladio interactuaban con gas hidrógeno. Los nanocubos se sintetizaron mediante química húmeda y eran todos objetos monocristalinos de facetas claras con un rango estrecho en la distribución de tamaños.
"Nuestra configuración experimental permitió seguimiento directo de minúsculas alteraciones en la luminiscencia durante la absorción de hidrógeno, "Dice Urban." Esto nos permitió descubrir la dependencia del tamaño de la termodinámica intrínseca y la cinética de las transformaciones de fase de hidruración y deshidratación. Observamos una disminución espectacular de la luminiscencia a medida que los nanocubos de paladio formaban hidruros. Esta luminiscencia perdida se recuperó durante la deshidratación ".
A continuación, se utilizó un modelo mecánico estadístico cuyo desarrollo fue dirigido por Whitelam y el coautor Hedges para cuantificar los datos de observación de nanocubos de paladio de todos los tamaños. Debido a la estrecha distribución de tamaño de los nanocubos, Whitelam, Urban y sus colegas pudieron mostrar una correlación directa entre la luminiscencia y las transiciones de fase que también se pueden aplicar a otros sistemas de nanocristales metálicos.
Esta micrografía electrónica de barrido muestra nanocubos de paladio con una longitud lateral de aproximadamente 32 nanómetros. Crédito:Berkeley Lab
"Los argumentos geométricos simples nos dicen que, bajo ciertas condiciones, Las transformaciones de fase de estado sólido impulsadas térmicamente se rigen por dimensiones de nanocristales, "Dice Whitelam. Estos argumentos sugieren además formas de optimizar la cinética de almacenamiento de hidrógeno en una variedad de sistemas de nanocristales metálicos".
El siguiente paso en esta investigación será examinar los efectos de los dopantes en las transformaciones de fase en nanosistemas metálicos.
"Nuestra sonda de luminiscencia y el modelo mecánico estadístico son una combinación versátil, "Urban dice, "que nos permiten observar una serie de interacciones gas-nanocristal en las que el control de la termodinámica de las interacciones es primordial".
