Como copos de nieve Las nanopartículas vienen en una amplia variedad de formas y tamaños. La geometría de una nanopartícula es a menudo tan influyente como su composición química para determinar cómo se comporta. desde sus propiedades catalíticas hasta su potencial como componente semiconductor.

Gracias a un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los investigadores están más cerca de comprender el proceso mediante el cual se forman las nanopartículas hechas de más de un material, llamadas nanopartículas heteroestructuradas. Este proceso, conocido como nucleación heterogénea, es el mismo mecanismo por el cual se forman gotas de condensación en el cristal de una ventana.

Las nanopartículas heteroestructuradas se pueden utilizar como catalizadores y en sistemas avanzados de conversión y almacenamiento de energía. Típicamente, estas nanopartículas se crean a partir de pequeñas "semillas" de un material, encima del cual se cultiva otro material. En este estudio, Los investigadores de Argonne notaron que las diferencias en las disposiciones atómicas de los dos materiales tienen un gran impacto en la forma de la nanopartícula resultante.

"Antes de comenzar este experimento, no estaba del todo claro qué sucede en la interfaz cuando un material crece sobre otro, "dijo la nanocientífica Elena Shevchenko del Centro Argonne de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

En este estudio, los investigadores observaron la formación de una nanopartícula compuesta de platino y oro. Los investigadores comenzaron con una semilla de platino y cultivaron oro a su alrededor. Inicialmente, el oro cubría uniformemente la superficie de la semilla de platino, creando un tipo de nanopartícula conocida como "núcleo-capa". Sin embargo, a medida que se depositó más oro, empezó a crecer de manera desigual, creando una estructura similar a una mancuerna.

Gracias al análisis de rayos X de última generación proporcionado por Advanced Photon Source (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, los investigadores identificaron la causa de la formación de pesas como "desajuste de celosía, "en el que el espacio entre los átomos de los dos materiales no se alinea.

"Esencialmente, puede pensar en la falta de coincidencia de celosía como tener una fila de cuadros más pequeños en la capa inferior y cuadros más grandes en la capa superior. Cuando intente colocar las cajas más grandes en el espacio para una caja más pequeña, crea una inmensa tensión, ", dijo el físico de Argonne Byeongdu Lee.

Si bien el desajuste de la red es solo fracciones de nanómetro, el efecto se acumula a medida que se forma una capa tras otra de oro sobre el platino. El desajuste puede ser manejado por las dos primeras capas de átomos de oro, creando el efecto núcleo-capa, pero luego resulta demasiado para superar. "La disposición de los átomos es la misma en los dos materiales, pero la distancia entre los átomos es diferente, ", dijo el investigador postdoctoral de Argonne Soon Gu Kwon". esto se vuelve inestable, y el crecimiento del oro se distribuye de manera desigual ".

A medida que el oro continúa acumulándose en un lado de la nanopartícula de la semilla, pequeñas cantidades se "deslizan" por el costado de la nanopartícula como granos de arena rodando por la ladera de una colina de arena, creando la forma de una mancuerna.

La ventaja del estudio Argonne proviene de la capacidad de los investigadores para realizar observaciones in situ del material en condiciones realistas utilizando el APS. "Esta es la primera vez que alguien ha podido estudiar la cinética de este heterogéneo proceso de nucleación de nanopartículas en tiempo real y en condiciones realistas". ", dijo el físico de Argonne Byeongdu Lee." La combinación de dos técnicas de rayos X nos dio la capacidad de observar el material tanto a nivel atómico como a nanoescala, lo que nos dio una buena visión de cómo se forman y transforman las nanopartículas ”. Todas las conclusiones obtenidas en base a los estudios de rayos X se confirmaron aún más utilizando microscopía de resolución atómica en el grupo del profesor Robert Klie de la Universidad de Illinois en Chicago.

Este análisis de la formación de nanopartículas ayudará a sentar las bases para la formación de nuevos materiales con propiedades diferentes y controlables. según Shevchenko. "Para diseñar materiales, tienes que entender cómo ocurren estos procesos a un nivel muy básico, " ella dijo.

La investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation y el Centro de Recursos de Investigación de la Universidad de Illinois en Chicago.

Un artículo basado en la investigación, "Nucleación heterogénea y transformación de forma de nanoestructuras metálicas multicomponente, "apareció en la edición en línea del 2 de noviembre de Materiales de la naturaleza .