A medida que las partículas se mueven en solución, comienzan a “sentir” interacciones desde distancias comparables a su tamaño. El movimiento correlativo de los iones hace que las nanopartículas se acerquen entre sí frente a lados coincidentes. Luego, las mismas fuerzas inducidas por iones dirigen ajustes finos de la orientación mutua de las partículas de modo que los átomos en las superficies se disponen como un cristal ideal. Luego, el solvente deja el espacio entre las partículas, y se forma un cristal sin defectos. Crédito:Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Mira lo suficientemente de cerca y verá patrones ingeniosos en todas partes de la naturaleza. Los científicos y los ingenieros lo han entendido desde hace mucho tiempo, pero imitar a la madre naturaleza en la construcción de tales patrones, especialmente la estructura cristalina altamente ordenada, ha demostrado ser un desafío. Recientemente, Maria Sushko y Kevin Rosso del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) avanzaron significativamente en la comprensión al aclarar las fuerzas impulsoras detrás del crecimiento de cristales basado en partículas con su nuevo enfoque computacional. Aprendieron que el crecimiento de los cristales depende del sutil equilibrio de las interacciones entre los átomos, iones, moléculas, y partículas. Su descubrimiento es una promesa significativa para la creación de materiales que aborden los desafíos energéticos.
En procesos naturales de crecimiento de cristales, Los bloques de construcción de nanopartículas se adhieren a lo largo de caras de cristal específicas. Estudiando estos ejemplos, Los investigadores se inspiraron para contemplar cómo podrían crear estructuras de cristal similares para una variedad de aplicaciones prácticas, incluido el almacenamiento de energía. Armados con una mayor comprensión de los procesos fundamentales que subyacen a las vías del crecimiento de los cristales, los investigadores podrían controlar estos procesos para sintetizar nuevos materiales con detalles precisos. En su investigación, Sushko y Rosso descubrieron que el movimiento coordinado de iones cerca de las superficies de las nanopartículas impulsa la forma en que las nanopartículas se organizan en formas y estructuras de cristal coincidentes. Descubrieron que los iones en solución pueden dirigir la rotación de las nanopartículas en una orientación de cristal coincidente, imitando el patrón de la naturaleza con precisión, para producir cristales perfectos.
El descubrimiento de los investigadores del PNNL proporciona información fundamental clave sobre los procesos geoquímicos que conducen a la formación de minerales, y ayuda a crear complejos, jerárquico, estructuras monocristalinas en el laboratorio. También es prometedor para la creación eventual de materiales innovadores para la electrónica de consumo, baterías y más. Según Sushko, su nuevo enfoque computacional crea "un nuevo paradigma en la síntesis basada en el conocimiento de estructuras cristalinas tridimensionales altamente ordenadas" para una variedad de aplicaciones prácticas en tecnologías de catálisis y almacenamiento de energía.
Rosso y Sushko desarrollaron un nuevo modelo computacional multiescala que abarca las fuerzas esenciales que actúan entre los átomos, moléculas, y partículas. Su enfoque abarca las escalas de longitud desde Angstrom hasta medio micrón y es totalmente transferible a una amplia gama de sistemas. El método está profundamente arraigado en la mecánica cuántica y proporciona un enfoque sin parámetros para modelar sistemas experimentalmente relevantes.
Su nuevo enfoque computacional es un paso importante hacia el desarrollo de una teoría integral de la cristalización basada en partículas. La investigación futura ampliará el modelo para incluir una gama más amplia de fuerzas macroscópicas, como polarización magnética y eléctrica. El modelo también se aplicará más a otros materiales para obtener información sobre varias vías de cristalización.
