Los investigadores han publicado la primera parte de lo que esperan que sea una base de datos que muestre la cinética involucrada en la producción de nanocristales metálicos coloidales, que son adecuados para catalizadores, biomédico Aplicaciones fotónicas y electrónicas, a través de un mecanismo autocatalítico.

En el proceso basado en soluciones, Los precursores químicos se adsorben en semillas de nanocristales antes de ser reducidos a átomos que alimentan el crecimiento de los nanocristales. Los datos cinéticos se basan en minuciosos estudios sistemáticos realizados para determinar las tasas de crecimiento en diferentes facetas de nanocristales, estructuras de superficie que controlan cómo crecen los cristales al atraer átomos individuales.

En un artículo publicado el 11 de diciembre en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Georgia proporcionó una imagen cuantitativa de cómo las condiciones de la superficie controlaban el crecimiento de los nanocristales de paladio. La obra, que luego incluirá información sobre nanocristales hechos de otros metales nobles, cuenta con el apoyo de la National Science Foundation.

"Este es un estudio fundamental de cómo los nanocristales catalíticos crecen a partir de semillas diminutas, y mucha gente que trabaja en este campo podría beneficiarse del sistema información cuantitativa que hemos desarrollado, "dijo Younan Xia, profesor y presidente de la familia Brock en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en Georgia Tech y Emory University. "Esperamos que este trabajo ayude a los investigadores a controlar la morfología de los nanocristales que se necesitan para muchas aplicaciones diferentes".

Un factor crítico que controla cómo crecen los nanocristales a partir de semillas diminutas es la energía superficial de las facetas cristalinas de las semillas. Los investigadores han sabido que las barreras de energía dictan la atracción superficial de los precursores en solución, pero no se disponía fácilmente de información específica sobre la barrera energética para cada tipo de faceta.

"Típicamente, la superficie de las semillas que se utilizan para cultivar estos nanocristales no ha sido homogénea, "explicó Xia, quien también es el Erudito Eminente de la Alianza de Investigación de Georgia en Nanomedicina y tiene nombramientos conjuntos en la Escuela de Química y Bioquímica y la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular. "Puede tener diferentes facetas en los cristales, que dependen de la disposición de los átomos debajo de ellos. Desde el punto de vista de los precursores en la solución alrededor de las semillas, estas superficies tienen diferentes energías de activación que determinan qué tan difícil será para los precursores o átomos aterrizar en cada superficie ".

El equipo de investigación de Xia diseñó experimentos para evaluar las barreras energéticas en varias facetas, utilizando semillas en una variedad de tamaños y configuraciones de superficie elegidas para tener un solo tipo de faceta. Los investigadores midieron tanto el crecimiento de los nanocristales en solución como el cambio en la concentración de la sal precursora de tetrabromuro de paladio (PdBr4 2-).

"Al elegir el precursor adecuado, podemos asegurarnos de que toda la reducción que medimos está en la superficie y no en la solución, ", explicó." Eso nos permitió tomar medidas significativas sobre el crecimiento, que está controlado por el tipo de faceta, así como la presencia de un límite gemelo, correspondiente a patrones de crecimiento distintivos y resultados finales ".

En el transcurso de casi un año, El asistente de investigación graduado visitante, Tung-Han Yang, estudió el crecimiento de nanocristales utilizando diferentes tipos de semillas. En lugar de permitir el crecimiento de nanocristales a partir de la autonucleación, El equipo de Xia eligió estudiar el crecimiento a partir de semillas para poder controlar las condiciones iniciales.

Controlar la forma de los nanocristales es fundamental para las aplicaciones en catálisis, fotónica, electrónica y medicina. Debido a que estos metales nobles son caros, minimizar la cantidad de material necesario para aplicaciones catalíticas ayuda a controlar los costos.

"Cuando haces catálisis con estos materiales, desea asegurarse de que los nanocristales sean lo más pequeños posible y que todos los átomos estén expuestos a la superficie, "dijo Xia." Si no están en la superficie, no contribuirán a la actividad y, por lo tanto, se desperdiciarán ".

El objetivo final de la investigación es una base de datos que los científicos pueden utilizar para guiar el crecimiento de nanocristales con tamaños específicos. formas y actividad catalítica. Más allá del paladio, los investigadores planean publicar los resultados de los estudios cinéticos del oro, plata, platino, rodio y otros nanocristales. Si bien es probable que el patrón de barreras de energía sea diferente para cada uno, Habrá similitudes en cómo las barreras energéticas controlan el crecimiento, Dijo Xia.

"Es realmente cómo se organizan los átomos en la superficie lo que determina la energía de la superficie, ", explicó." Dependiendo de los metales involucrados, los números exactos serán diferentes, pero las proporciones entre los tipos de facetas deberían ser más o menos iguales ".

Xia espera que el trabajo de su equipo de investigación conduzca a una mejor comprensión de cómo funciona el proceso autocatalítico en la síntesis de estos nanomateriales. y, en última instancia, a aplicaciones más amplias.

"Si quieres controlar la morfología y las propiedades, necesita esta información para poder elegir el precursor y el agente reductor adecuados, ", dijo Xia." Este estudio sistemático conducirá a una base de datos sobre estos materiales. Este es solo el comienzo de lo que planeamos hacer ".