Cuando el experimento de Michal Vadai funcionó por primera vez, saltó de su asiento.

Vadai, becario postdoctoral en la Universidad de Stanford, había pasado meses diseñando y solucionando problemas una nueva herramienta que podría ampliar en gran medida la capacidad de un microscopio avanzado en las instalaciones compartidas de Stanford Nano. A pesar del gran escepticismo de la comunidad de microscopía, ella y sus compañeros investigadores estaban intentando una unión entre microscopía óptica y microscopía electrónica de transmisión que, si tiene éxito, revelaría una sola partícula sometida a una reacción activada por luz.

"No puedo enfatizar lo emocionante que fue hacerlo funcionar la primera vez. Fue un gran desafío tecnológico, "dijo Vadai, que está en el laboratorio de Jennifer Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. "La primera vez que obtuvimos el comienzo de un resultado experimental, gritábamos fuerte. Fue muy, muy emocionante que pudiéramos ver y controlar lo que le estaba sucediendo a esta nanopartícula con luz ".

Esta investigación, publicado el 7 de noviembre en Comunicaciones de la naturaleza , se centra en una reacción fotocatalítica en la que la energía de la luz visible inicia una reacción química en nanocubos de paladio. Cada uno de estos cubos tiene unos 30 nanómetros de cada lado, aproximadamente el tamaño de un virus del resfriado.

Los científicos saben mucho sobre la fotocatálisis basada en grandes grupos de nanopartículas, pero la nueva técnica permite a los investigadores estudiar qué ocurre en nanopartículas individuales. Más allá de la fotocatálisis, Esta técnica podría usarse algún día para estudiar casi cualquier interacción de la luz y la materia con una resolución de aproximadamente 2 nanómetros. incluso aquellos que ocurren en células vivas.

Nanocubos cuidadosamente acunados

La microscopía electrónica de transmisión forma una imagen mediante la emisión de electrones a través de una fina rodaja de material. Este proceso revela estructuras con intrincados detalles, pero no permite a los científicos observar los materiales a medida que cambian bajo diferentes condiciones de luz. como receptores de luz en el ojo, materiales utilizados en células solares o, como en este caso, nanocubos de paladio para catálisis. La nueva configuración fusiona la resolución de la microscopía electrónica con el color de la microscopía óptica.

"Uno de los mayores logros de este artículo es la técnica en sí, "Dionne dijo." Traemos luz de varios 'colores' al microscopio electrónico. Nuestras mediciones son directas:se puede ver visiblemente la reacción fotoquímica a medida que se desarrolla dentro de la nanopartícula ".

La nueva técnica involucró un portamuestras de diseño personalizado en el que se cargó la muestra. Alrededor de eso había espejos para enfocar la luz de dos fibras ópticas con un espacio para el haz de electrones. Todo el diseño tenía que caber en un espacio muy limitado:un espacio de 5 mm en el microscopio.

Para probar la configuración, los investigadores bombearon la cámara de la muestra con hidrógeno. Mirando a través del microscopio electrónico, pudieron confirmar que el nanocubo de paladio cambió su fase al llenarse de hidrógeno. El experimento se estructuró de modo que los nanocubos permanecieran en esta fase llena de hidrógeno hasta que los investigadores encendieran la luz. Una vez iluminado, vieron como una onda similar al agua fluía con gracia a través de la partícula:el hidrógeno abandonaba el paladio. Fue una reacción basada en la luz vista por un microscopio electrónico y un éxito digno de un salto de alegría.

Diferencias individuales

Las nanopartículas a menudo se producen y estudian en grandes cantidades, lo que significa que sabemos que varían en tamaño, forma o posición, pero sabemos poco acerca de cómo esas variaciones afectan el rendimiento.

"Si realmente quieres sumergirte en la física fundamental de lo que está sucediendo, necesitas mirar partículas individuales porque sabemos que las diferencias individuales son importantes, "dijo Vadai." Es como un misterio y tienes que echar un buen vistazo a una pista para poder resolver eso ".

Los experimentos iniciales se diseñaron en gran medida para demostrar que la técnica podría funcionar, pero aún reveló algo nuevo sobre los nanocubos. Para uno, la reacción ocurre 10 veces más rápido en la luz que en la oscuridad. Los investigadores también pudieron ver cómo cada paso de la reacción:el hidrógeno que sale del nanocubo, la estructura reticular del reordenamiento de los nanocubos se ve afectada por diferentes longitudes de onda de luz.

También resulta que la esquina del nanocubo más cercana a la región de absorción de luz, en este caso, un disco de oro cercano - es más reactivo. Comprender cómo y por qué sucedió eso podría permitir reacciones selectivas de producto basadas en la geometría del catalizador.

Con el éxito de esta prueba de concepto, el laboratorio está en los próximos pasos. Por ejemplo, los investigadores apuntan a agregar capacidades de espectroscopia, lo que significa que podrían evaluar la luz generada a partir de estas reacciones para analizar la química con mayor detalle.

"Si habla de una sola partícula, normalmente tienes que luchar para ver estas señales débiles, "Dijo Vadai." Mirando hacia adelante, este será un conjunto completo de herramientas que puede utilizar para estudiar la interacción de la luz y la materia en la nanoescala en tiempo real, a muy alta resolución, a nivel de una sola partícula ".