Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. Están aprendiendo cómo se pueden utilizar las propiedades de las moléculas de agua en la superficie de los óxidos metálicos para controlar mejor estos minerales y utilizarlos para fabricar productos como semiconductores más eficientes para diodos emisores de luz orgánicos y células solares, lunas de vehículos más seguras en condiciones de niebla y escarcha, y sensores químicos más ecológicos para aplicaciones industriales.

El comportamiento del agua en la superficie de un mineral está determinado en gran medida por la matriz ordenada de átomos en esa área, llamada región interfacial. Sin embargo, cuando las partículas del mineral o de cualquier sólido cristalino sean de tamaño nanométrico, el agua interfacial puede alterar la estructura cristalina de las partículas, controlar las interacciones entre las partículas que hacen que se agreguen, o encapsular fuertemente las partículas, lo que les permite persistir durante largos períodos en el medio ambiente. Como el agua es un componente abundante de nuestra atmósfera, suele estar presente en superficies de nanopartículas expuestas al aire.

Un gran desafío científico es desarrollar formas de observar de cerca la región interfacial y comprender cómo determina las propiedades de las nanopartículas. Los investigadores de ORNL están aprovechando dos de las fortalezas características del laboratorio, las ciencias computacionales y de neutrones, para revelar la influencia de unas pocas monocapas de agua en el comportamiento de los materiales.

En una serie de artículos publicados en Revista de la Sociedad Química Estadounidense y el Revista de química física C , el equipo de investigadores estudió la casiterita (SnO2, un óxido de estaño), representativo de una gran clase de óxidos isoestructurales, incluido el rutilo (TiO2). Estos minerales son comunes en la naturaleza, y el agua moja sus superficies. El comportamiento del agua confinada en la superficie de los óxidos metálicos se relaciona fácilmente con aplicaciones en áreas tan diversas como la catálisis heterogénea, plegamiento de proteínas, remediación ambiental, crecimiento y disolución de minerales, y conversión de energía luminosa en células solares, por nombrar unos cuantos.

Cuando se producen nanopartículas de óxido metálico, adsorben espontáneamente el agua de la atmósfera, uniéndolo a su superficie, explicó Hsiu-Wen Wang, un científico investigador actualmente en el Instituto Conjunto de Ciencias de Neutrones ORNL – Universidad de Tennessee que realizó esta investigación mientras realizaba una beca postdoctoral en la División de Ciencias Químicas (CSD) en ORNL. Esta agua puede interferir con la función de los productos que contienen SnO2 de formas sorprendentes que son difíciles de predecir. El equipo de Wang utilizó la dispersión de neutrones en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL para ayudar a comprender el papel que juega el agua unida en la estabilidad de las nanopartículas de SnO2 y para aprender más sobre la estructura y la dinámica del agua unida. Wang dijo que los neutrones son perfectos para estudiar elementos ligeros como el hidrógeno y el oxígeno que forman el agua. y las simulaciones de dinámica molecular son una herramienta ideal para reforzar las observaciones. De hecho, El hidrógeno es esencialmente invisible para los rayos X y los haces de electrones, pero dispersa fuertemente los neutrones, haciendo que la difracción de neutrones y la dispersión inelástica sean las herramientas ideales para probar las propiedades del agua y otras especies portadoras de hidrógeno.
"Cuando eliminamos toda el agua de la superficie de las nanopartículas, esto desestabiliza la estructura de las nanopartículas, y se hacen más grandes, "dijo David J. Wesolowski, coautora y supervisora ​​de Wang cuando trabajaba en CSD.

"La vida útil de las nanopartículas diseñadas en el medio ambiente es un importante problema de salud y seguridad ambiental, "Wesolowski dijo." Demostramos que el agua absorbida en las nanopartículas, que ocurre naturalmente cuando se exponen al aire húmedo normal, prolonga su vida útil como nanomateriales, prolongando así sus potenciales impactos ambientales. Además, es deseable la gran superficie de las nanopartículas. Si las partículas crecen, que sucede cuando se calientan y deshumidifican, su superficie desciende rápidamente ".

Para eliminar el agua sorbida, las nanopartículas se calientan al vacío. La disipación de agua comienza alrededor de 250 ° C (casi 500 ° F, o tan caliente como pueda configurar el horno de su cocina). Se requiere mucha energía para expulsar el agua por completo de las nanopartículas, que se mantienen estables a estas temperaturas relativamente altas precisamente debido a la presencia del agua ligada. Una vez que el agua comienza a disiparse, comienza la desestabilización. Antes de completar este estudio, los investigadores no sabían hasta qué punto la remoción de agua causaría desestabilización.

"Puede ser que las superficies sin agua tengan propiedades químicas diferentes y útiles, pero debido a que el agua está en todas partes en el medio ambiente, Es muy importante saber que es probable que las superficies de las nanopartículas de óxido ya estén cubiertas con algunas capas moleculares de agua. "Dijo Wesolowski.

Los investigadores utilizaron el difractómetro de materiales ordenados a nanoescala (NOMAD) de SNS para determinar la estructura del agua en las superficies de nanopartículas de casiterita, así como la estructura de las propias partículas. NOMAD se dedica a estudios de estructuras locales de diversos materiales, desde líquidos hasta nanopartículas, utilizando el patrón de dispersión de neutrones producido durante los experimentos, dijo Mikhail Feygenson, Científico de instrumentos NOMAD.

"La combinación del alto flujo de neutrones de SNS y la amplia cobertura del detector de NOMAD permite una rápida recopilación de datos en muestras muy pequeñas, como nuestras nanopartículas, ", Dijo Feygenson." NOMAD es mucho más rápido que instrumentos similares en todo el mundo. De hecho, las mediciones de nuestras muestras que tomaron aproximadamente 24 horas de tiempo NOMAD podrían haber requerido hasta una semana completa en un instrumento similar en otro laboratorio ".

El segundo paso del estudio se llevó a cabo en el SNS en el espectrómetro Fermi Chopper de resolución fina (SEQUOIA), lo que permite la investigación de vanguardia sobre procesos dinámicos en materiales. "Esta parte del estudio se centra en el papel de los enlaces de hidrógeno superficiales y las propiedades vibratorias del agua superficial, "dijo Alexander Kolesnikov, Científico de instrumentos SEQUOIA.

Los estudios NOMAD y SEQUOIA permitieron al equipo de investigación validar los modelos computacionales que crearon para capturar completamente el orden estructural del agua unida a la superficie en los nanocristales de SnO2. La integración de experimentos de dispersión de neutrones con simulaciones de dinámica molecular clásicas y de principios básicos proporcionó evidencia de que los enlaces de hidrógeno fuertes, tan fuertes como en el agua bajo una presión ultra alta de> 500, 000 atm:impulsa a las moléculas de agua a disociarse en las interfaces y da como resultado una interacción débil de la superficie hidratada de SnO2 con capas de agua adicionales.

"Los resultados son importantes para demostrar muchas características nuevas del agua confinada en la superficie que pueden proporcionar una guía general para ajustar las interacciones hidrofílicas de la superficie a nivel molecular, "dijo Jorge Sofo, profesor de física en la Universidad Estatal de Pensilvania.