Los químicos de la Universidad de Oregon que estudian la estructura de las nanopartículas de oro estabilizadas con ligandos han captado nuevos conocimientos fundamentales sobre su estabilidad. La información, ellos dicen, podría ayudar a mantener un deseado, propiedad integral en nanopartículas utilizadas en dispositivos electrónicos, donde la estabilidad es importante, o diseñarlos para que se condensen fácilmente en películas delgadas para cosas como tintas o catalizadores en dispositivos electrónicos o solares.

En un proyecto, detallado en la edición del 27 de noviembre de la Revista de química física C —Estudiante de doctorado Beverly L. Smith y James E. Hutchison, quien ocupa la Cátedra Lokey-Harrington de Química en la UO, analizó cómo el tamaño de las nanopartículas y las moléculas en sus superficies, llamados ligandos, influir en la integridad estructural bajo temperaturas crecientes.

Se centraron en nanopartículas de menos de dos nanómetros de diámetro, las más pequeñas estudiadas hasta la fecha, para comprender mejor la estabilidad estructural de estas diminutas partículas que están diseñadas para su uso en electrónica. medicina y otros materiales. El hecho de que una nanopartícula deba permanecer estable o condensarse depende de cómo se estén utilizando. Los que se utilizan como catalizadores en el procesamiento químico industrial o los puntos cuánticos para la iluminación deben permanecer intactos; si son precursores de revestimientos en dispositivos solares o para tintas de imprenta, Las nanopartículas deben ser inestables para que se sintericen y se condensen en una masa delgada.

Por sus experimentos, Smith y Hutchison produjeron nanopartículas de oro en cuatro tamaños bien controlados, que van desde 0,9 nanómetros hasta 1,5 nanómetros, y analizó la pérdida de ligandos y la sinterización con análisis termogravimétrico y calorimetría de barrido diferencial, y examinó las películas resultantes mediante microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X. Como las nanopartículas se calentaron a 5 grados Celsius por minuto, desde temperatura ambiente hasta 600 grados centígrados, las nanopartículas comenzaron a transformarse cerca de los 150 grados centígrados.

Los investigadores encontraron que las nanopartículas más pequeñas tienen una mejor integridad estructural que las partículas de mayor tamaño que se han probado. En otras palabras, Hutchison dijo:es menos probable que pierdan sus ligandos y se unan. "Si tiene partículas inestables, entonces la propiedad que quieres es fugaz, ", dijo." O la emisión de luz se degrada con el tiempo y ya está, o el metal se vuelve inactivo y ya está. En ese caso, desea preservar la función y evitar que las partículas se agreguen ". Lo contrario es lo que desean Hutchison y otros que trabajan en el Centro de Química de Materiales Sostenibles, financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, una colaboración de varias universidades liderada por la UO y la Universidad Estatal de Oregon. Los investigadores están sintetizando nanopartículas como precursoras de películas delgadas.

"Queremos soluciones precursoras que puedan dar lugar a películas delgadas inorgánicas para su uso en las industrias electrónica y solar, "dijo Hutchison, quien también es miembro del Instituto de Ciencia de Materiales de la UO.

"En este caso, queremos saber cómo mantener nuestras nanopartículas u otros precursores lo suficientemente estables en solución para que podamos trabajar con ellos, usando solo una pequeña cantidad de energía adicional para hacerlos inestables de modo que se condensen en una película, donde la propiedad que desea proviene del sólido extendido que se genera, no de las propias nanopartículas ".

La investigación, Hutchison dijo:identificó sitios débiles en nanopartículas donde los ligandos podrían desprenderse. Si solo una pequeña cantidad lo hace, él dijo, es más probable que las nanopartículas separadas se junten y comiencen el proceso de sinterización para crear películas delgadas.

"Ese es un efecto realmente estabilizador que, Sucesivamente, expulsa todos estos ligandos en el exterior, ", dijo." El área de la superficie disminuye rápidamente y las partículas se hacen más grandes, pero ahora todos los ligandos adicionales se excluyen de la película y luego, tiempo extraordinario, los ligandos se vaporizan y desaparecen ".

La desintegración sin embargo, es un "fallo catastrófico" si el objetivo es proteger contra la sinterización. Puede ser posible utilizar los resultados, él dijo, para explorar formas de fortalecer las nanopartículas, como desarrollar ligandos que se unan en al menos dos sitios o evitar ligandos volátiles.

El proceso, como se estudió, produjo películas de oro porosas. "Un próximo paso podría ser estudiar cómo manipular el proceso para obtener una película más densa si se desea, ", Dijo Hutchison. Comprender cómo responden las nanopartículas a ciertas condiciones, como cambios de temperatura, él agregó, puede ayudar a los investigadores a reducir el desperdicio en el proceso de fabricación.

"Los investigadores de la Universidad de Oregon están rediseñando la ciencia, procesos de fabricación y negocios detrás de productos críticos, "dijo Kimberly Andrews Espy, vicepresidente de investigación e innovación y decano de la UO Graduate School. "Esta investigación que analiza la estabilidad estructural de las nanopartículas del Dr. Hutchison y su equipo tiene el potencial de mejorar la ingeniería de la electrónica, medicina y otros materiales, ayudando a fomentar un futuro sostenible para nuestro planeta y su gente ".

Herrero, el autor principal del artículo, Recibió una maestría en química en 2009 de la UO. Ahora es una estudiante de doctorado en el laboratorio de Hutchison. Durante las etapas iniciales de la investigación, fue apoyada por el programa Integrative Graduate Education and Research Traineeship (IGERT) de la NSF. La financiación del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (subvención No. FA8650-05-1-5041) a Hutchison también apoyó la investigación.

Hutchison también es miembro del Instituto de Nanociencia y Microtecnologías de Oregon (ONAMI) y de Oregon BEST (Centro de Tecnologías Sostenibles y Medio Ambiente Construido de Oregon), que son iniciativas de investigación de firma estatal.