El investigador David Rosenberg examina imágenes de un polvo blanco bajo un potente microscopio electrónico de barrido. De cerca, el polvo parece grava gruesa, un montón de trozos similares pero irregulares. Luego mira una segunda imagen, el mismo material producido por su colega Hongyou Fan en lugar de comprado en un catálogo, y ve perfectamente suave, esferas uniformes.

"Nunca había visto nada como esto. A esta escala, nadie puede controlar tan bien la forma o el tamaño. Esta tecnología hace ambas cosas ".

El polvo uniforme y otros similares producidos en Sandia National Laboratories no solo se ven bien, superan a las variedades comerciales que se utilizan para iniciar reacciones químicas en las células solares y podrían utilizarse para producir combustible de hidrógeno de combustión limpia. Si se desarrolla para la industria, la nueva tecnología, tema de un artículo reciente en Nano Letters, podría mejorar el rendimiento al tiempo que reduce los costos de estos y otros catalizadores utilizados en todas partes, desde la limpieza ambiental hasta el tratamiento del cáncer.

Su ingrediente clave:detergente.

De hecho, es una versión de grado comercial similar al jabón para platos doméstico, menos los tintes y perfumes. Admirador, el inventor de la tecnología basada en detergentes, y su equipo en el Laboratorio de Materiales Avanzados compartido en la Universidad de Nuevo México usan el ingrediente activo en soluciones de limpieza para atrapar materias primas como la grasa, encapsulándolos dentro de jaulas formadas por moléculas de detergente. La jaula actúa como un molde molecular que dicta el tamaño y la forma, o morfología, del material que se forma en el interior. Retire el detergente, y te quedas con limpio, partículas uniformes.

"Normalmente, tendría muy poco control sobre la reacción que produce estos materiales, "dice Fan." Esto conduce a una morfología irregular ".

Eso puede ser un problema para los ingenieros que utilizan esos materiales. Algunos catalizadores no funcionan a menos que estén dispuestos de manera específica a nivel molecular, y algunas partículas absorbentes de luz que se utilizan en las células solares absorben más luz solar en ciertos tamaños que en otros. Cuando las partículas individuales son irregulares, sólo una fracción del material a granel se comporta de la forma prevista. El resto es peso muerto, lo que también dificulta predecir el rendimiento del catalizador.

Debido a que las partículas de Fan son uniformes y están estrictamente controladas, los ingenieros podrían usar menos material y obtener el mismo efecto que los polvos convencionales. En un estudio, Versión de fan de un fotocatalizador, que podría utilizarse para limpiar aguas residuales, se descompuso cinco veces más contaminante que su contraparte comercial. En su último artículo, demostró mejoras similares en un material que produce hidrógeno catalíticamente.

La coherencia mejora las predicciones de rendimiento

Rosenberg está ampliando y aplicando la tecnología a su investigación de explosivos para la seguridad nacional, donde los materiales impredecibles son inaceptables. Junto con un equipo que está mejorando las entradas a los modelos informáticos, "vimos un increíble, aplicación poderosa, ya que se alimenta de nuestros esfuerzos de modelado, " él dice.

Sandia desarrolla simulaciones por computadora para que Rosenberg y su equipo no tengan que construir y probar piezas físicamente cada vez. Pero las suposiciones que se incorporan a esos modelos pueden comprometer el resultado.

Para ahorrar tiempo y recursos informáticos, una simulación puede asumir que las partículas tienen formas más simples o son más consistentes de lo que realmente son. Pero, nunca predecirá perfectamente cómo actúa el material real. Los polvos uniformes del ventilador alinean el material con el modelo, proporcionando a Rosenberg la capacidad de controlar la estructura de las partículas para que muchas de las suposiciones matemáticas desaparezcan.

"Podríamos mirar modelos que describan perfectamente las características físicas del polvo, y eso nos daría una herramienta increíble tanto para validar modelos existentes como para desarrollar nuevos ".

Cambie el detergente, cambiar la forma

Fan también está optimizando materiales para aplicaciones potenciales como conversión de energía en células solares, fototerapia para el tratamiento del cáncer y producción de hidrógeno para fuentes de combustible limpias mediante la creación de partículas conocidas en formas completamente nuevas. Un detergente puede resultar en esferas, pero Fan puede cambiarlo por un detergente que produzca discos, varillas u octaedros. En el estudio que midió el rendimiento fotocatalítico, probó ocho formas contra la contraparte comercial antes de coronar la forma más eficaz.

Pero hasta ahora, Fan ha descubierto en gran medida estas formas a través de prueba y error. Así que contó con la ayuda de Younan Xia, profesor del Instituto de Tecnología de Georgia y pionero en síntesis de nanomateriales para acelerar su trabajo.

"Estamos midiendo la cinética fundamental, qué tan rápido se depositan los átomos o moléculas en la superficie de las nanopartículas en crecimiento, "Xia dice." La estructura final de las partículas depende de esa tasa relativa a la tasa de difusión de la superficie, "o la velocidad a la que se alejan las moléculas.

Xia y Fan están trabajando juntos para desarrollar una receta para replicar ciertas formas basadas en el detergente, temperatura, Valor de pH y concentración. Como girar perillas, podrían ajustar estas entradas para obtener una salida confiable.

"Si no tienes una perilla cuantitativa, puede realizar el experimento cien veces antes de obtener la forma correcta, "Xia dice." Con uno, esperamos poder hacerlo bien después del primer o segundo intento ".