Muchos grandes avances tecnológicos recientes en informática, comunicaciones, la energía y la biología se han basado en materiales muy pequeños, nanopartículas, con dimensiones inferiores a 1/1, 000th del grosor de una hoja de papel. Sin embargo, Puede ser difícil determinar los mejores nanomateriales para estas aplicaciones porque la observación de nanopartículas en acción requiere una alta resolución espacial en "desordenado, "entornos dinámicos.

En un paso reciente en esta dirección, un equipo de ingenieros de Stanford ha obtenido una primera mirada al interior de las nanopartículas de cambio de fase, dilucidar cómo su forma y cristalinidad, la disposición de los átomos dentro del cristal, puede tener efectos dramáticos en su desempeño.

La obra, que se describe en Materiales de la naturaleza , tiene aplicaciones inmediatas en el diseño de materiales de almacenamiento de energía, pero eventualmente podría encontrar su camino hacia el almacenamiento de datos, interruptores electrónicos y cualquier dispositivo en el que la transformación de fase de un material regule su rendimiento.

Por ejemplo, en una batería de iones de litio, la capacidad de la batería para almacenar y liberar energía repetidamente depende de la capacidad del electrodo para soportar grandes deformaciones durante varios ciclos de carga y descarga sin degradarse. Recientemente, Los científicos han mejorado la eficiencia de este proceso al nanodimensionar los electrodos. Las nanopartículas permiten una carga más rápida, mayor almacenamiento de energía y una vida útil más prolongada, pero se desconoce qué formas de nanopartículas, los tamaños y cristalinidades producen el mejor rendimiento. Abordar esta pregunta sirvió de inspiración para el presente estudio, "Reconstrucción de transformaciones de fase inducidas por solutos dentro de nanocristales individuales".

Generalmente, Es difícil determinar si el comportamiento de una colección de nanopartículas es el resultado de que cada componente individual se desempeñe de manera similar o si es el rendimiento promedio de los de alto y bajo rendimiento. Jennifer Dionne, un profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, y su grupo han estado estudiando el comportamiento de partículas individuales para establecer un vínculo más fuerte entre estructura y función que pueda dirigir el diseño de materiales de almacenamiento de energía de próxima generación.

En este experimento, El grupo de Dionne examinó cómo la variación de las formas y cristalinidad de las nanopartículas de paladio afectaba su capacidad para absorber y liberar átomos de hidrógeno, un análogo a la descarga y carga de una batería de iones de litio. Prepararon cúbicos, nanopartículas piramidales e icosaédricas y desarrollaron novedosas técnicas de imagen para observar el interior de las nanopartículas a diversas presiones de hidrógeno, determinar dónde se encontraba el hidrógeno.

La técnica se basó en un microscopio electrónico de transmisión ambiental, permitiendo a los ingenieros discernir exactamente cómo se distribuyó el hidrógeno dentro de las nanopartículas y hacerlo con una resolución increíblemente alta (por debajo de 2 nanómetros).

"Este instrumento es uno de los pocos de su tipo y nos permite estudiar materiales en su entorno de trabajo, "dijo Tarun Narayan, coautor principal del estudio y un doctorado reciente del grupo de Dionne.

El microscopio permite el análisis de partículas utilizando varias técnicas diferentes, como imágenes directas, difracción y espectroscopia.

"Cada técnica ofrece información diferente que se puede combinar para obtener un comprensión multidimensional del sistema, "dijo Andrea Baldi, coautor postdoctoral y ahora miembro de la facultad del Instituto Holandés de Investigación en Energía Fundamental (DIFFER) en los Países Bajos.

Los investigadores encontraron que la estructura de las nanopartículas influye significativamente en el rendimiento. Las estructuras icosaédricas, por ejemplo, muestran una capacidad de almacenamiento de energía reducida y una absorción de hidrógeno más gradual que los cubos y pirámides monocristalinos. Los mapas de alta resolución de las partículas demuestran que el hidrógeno está excluido del centro de la partícula, reduciendo así la capacidad total para incorporar hidrógeno. La caracterización estructural muestra que la absorción gradual de hidrógeno ocurre porque diferentes regiones de la partícula absorben hidrógeno a diferentes presiones, a diferencia de lo que se observa en los monocristales.

"No podríamos haber imaginado hacer observaciones in situ como esta a nivel atómico ni siquiera hace unos años, y lo que el equipo ha demostrado y logrado es notable en el campo de la imagen de materiales, "dijo el coautor Robert Sinclair, profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

Ai Leen Koh, un científico de planta en las Nano Shared Facilities de Stanford que también fue autor del trabajo, dijo que "estos resultados muestran cómo se puede utilizar la microscopía electrónica ambiental in situ para observar el interior de nanopartículas individuales expuestas al gas hidrógeno en tiempo real".

"Con esta capacidad de mirar dentro de las nanopartículas durante su funcionamiento, podemos ayudar a diseñar materiales campeones para dispositivos de almacenamiento de energía de próxima generación, "dijo Dionne, quien también es miembro de Stanford Bio-X y del Instituto de Neurociencias de Stanford, y una filial del Stanford Precourt Institute for Energy.