Los científicos han utilizado una técnica química ganadora del premio Nobel en una mezcla de metales para reducir potencialmente el costo de las celdas de combustible utilizadas en los automóviles eléctricos y reducir las emisiones nocivas de los vehículos convencionales.

Los investigadores han traducido una técnica biológica, que ganó el Premio Nobel de Química 2017, para revelar la química a escala atómica en nanopartículas metálicas. Estos materiales son uno de los catalizadores más eficaces para los sistemas de conversión de energía, como las pilas de combustible. Es la primera vez que se utiliza esta técnica para este tipo de investigación.

Las partículas tienen una geometría compleja en forma de estrella y este nuevo trabajo muestra que los bordes y las esquinas pueden tener diferentes químicas que ahora se pueden ajustar para reducir el costo de las baterías y los convertidores catalíticos.

El Premio Nobel de Química 2017 fue otorgado a Joachim Frank, Richard Henderson y Jacques Dubochet por su papel como pioneros en la técnica de reconstrucción de una sola partícula. Esta técnica de microscopía electrónica ha revelado las estructuras de una gran cantidad de virus y proteínas, pero no se suele utilizar para metales.

Ahora, un equipo de la Universidad de Manchester, en colaboración con investigadores de la Universidad de Oxford y la Universidad Macquarie, se han basado en la técnica ganadora del Premio Nobel para producir mapas elementales tridimensionales de nanopartículas metálicas que constan de solo unos pocos miles de átomos.

Publicado en la revista Nano letras , Su investigación demuestra que es posible mapear diferentes elementos a escala nanométrica en tres dimensiones, evitando el daño a las partículas en estudio.

Las nanopartículas metálicas son el componente principal de muchos catalizadores, como los que se utilizan para convertir gases tóxicos en los escapes de los automóviles. Su eficacia depende en gran medida de su estructura y química. pero debido a su estructura increíblemente pequeña, Se requieren microscopios electrónicos para proporcionarles una imagen. Sin embargo, la mayoría de las imágenes se limitan a proyecciones bidimensionales.

"Hemos estado investigando el uso de la tomografía en el microscopio electrónico para mapear distribuciones elementales en tres dimensiones durante algún tiempo, "dijo la profesora Sarah Haigh, de la Escuela de Materiales, Universidad de Manchester. "Por lo general, rotamos la partícula y tomamos imágenes desde todas las direcciones, como una tomografía computarizada en un hospital, pero estas partículas dañaron demasiado rápido para permitir la creación de una imagen en 3-D. Los biólogos utilizan un enfoque diferente para la obtención de imágenes en 3-D y decidimos explorar si esto podría usarse junto con técnicas espectroscópicas para mapear los diferentes elementos dentro de las nanopartículas ".

"Al igual que la 'reconstrucción de una sola partícula', la técnica funciona obteniendo imágenes de muchas partículas y asumiendo que todas son idénticas en estructura, pero dispuestos en diferentes orientaciones con respecto al haz de electrones. A continuación, las imágenes se introducen en un algoritmo informático que genera una reconstrucción tridimensional ".

En el presente estudio, se ha utilizado el nuevo método de imágenes químicas en 3-D para investigar nanopartículas metálicas de platino-níquel (Pt-Ni).

Autor principal, Yi-Chi Wang, también de la Escuela de Materiales, añadió:"Las nanopartículas de platino son uno de los materiales catalíticos más eficaces y más utilizados en aplicaciones como pilas de combustible y baterías. Nuestros nuevos conocimientos sobre la distribución química local en 3-D podrían ayudar a los investigadores a diseñar mejores catalizadores que sean de bajo coste y alta eficiencia."

"Nuestro objetivo es automatizar nuestro flujo de trabajo de reconstrucción química 3-D en el futuro", añadió el autor Dr. Thomas Slater. "Esperamos que pueda proporcionar un método rápido y confiable de obtención de imágenes de poblaciones de nanopartículas que se necesita con urgencia para acelerar la optimización de la síntesis de nanopartículas para una amplia gama de aplicaciones, incluida la detección biomédica, la luz emite diodos, y células solares ".