Herramientas del oficio:un matraz de tres bocas (izquierda) para cocinar la solución que hace nanocubos, y un complejo sistema de tuberías que condensa la solución si se evapora y controla el flujo de gas durante la reacción. Crédito:Nancy Bazilchuk / NTNU
Los científicos de materiales que trabajan con componentes de tamaño nanométrico han desarrollado formas de trabajar con sus materiales cada vez más pequeños. Pero, ¿qué pasaría si pudiera hacer que sus componentes se ensamblaran en diferentes estructuras sin tener que manipularlos en absoluto?
Verner Håkonsen trabaja con cubos tan pequeños que casi cinco mil millones de ellos podrían caber en la cabeza de un alfiler.
Cocina los cubos en el NTNU NanoLab, en un frasco de vidrio de aspecto extraño con tres cuellos en la parte superior usando una mezcla de químicos y jabón especial.
Y cuando expone estos cubos invisibles a un campo magnético, realizan una hazaña mágica:se ensamblan en la forma que él quiera.
"Es como construir una casa, excepto que no tienes que construirlo, ", dice. La fuerza magnética junto con otras fuerzas hacen que" la casa se construya a sí misma; todos los bloques de construcción se ensamblan perfectamente en las condiciones adecuadas ".
Aunque los investigadores han podido anteriormente hacer que las nanopartículas se ensamblen de diferentes maneras, Håkonsen y sus colegas son los primeros en mostrar cuán importante puede ser el magnetismo con respecto a las propiedades mecánicas de ciertas estructuras de nanopartículas. Los investigadores llamaron a sus diminutas creaciones de nanocubos superestructuras o supercristales porque los nanocubos están organizados en un patrón ordenado. algo así como átomos en un cristal. "Los supercristales son particularmente interesantes porque muestran propiedades mejoradas en comparación con una sola nanopartícula o con un material a granel, "Dijo Håkonsen.
El gran hallazgo es que cuando los cubos magnéticos se autoensamblan en lo que los investigadores llaman un supercristal, en formas como líneas, varillas o hélices, por ejemplo, la energía cohesiva entre las partículas en el supercristal puede aumentar hasta en un 45 por ciento debido a las interacciones magnéticas entre los cubos.
"Eso significa que la energía que mantiene todo unido aumenta hasta en un 45 por ciento, " él dijo.
La fuerza de los supercristales en combinación con sus propiedades magnéticas mejoradas será clave para desarrollar usos futuros. que podría abarcar todo, desde aplicaciones para la industria automotriz hasta tecnología de la información. La investigación de Håkonsen acaba de publicarse en la revista Materiales funcionales avanzados .
Este dedal de laboratorio está lleno de supercristales de tamaño nanométrico. El patrón que puedes ver es el de los supercristales que se organizan. Crédito:Nancy Bazilchuk / NTNU
Cuando las cosas se ponen pequeñas la física se vuelve extraña
Un principio central de la investigación de nanopartículas es que cuanto más pequeñas son las partículas, el extraño su comportamiento.
Eso es porque a medida que el tamaño se reduce, el área superficial de la partícula representa un porcentaje mucho mayor del volumen total de la estructura que en las partículas que no son de tamaño nanométrico.
"Como resultado, cuanto más pequeñas son las nanopartículas, cuanto más inestables pueden ser, ", Dijo Håkonsen. Esto es lo que se conoce como el" efecto de tamaño "en nanociencia, y es uno de los aspectos fundamentales de la nanotecnología, ya que las cosas se vuelven más pequeñas que 100 nm.
"Incluso puedes tener partículas que cambien espontáneamente entre diferentes estructuras cristalinas, por su pequeño tamaño, ", explicó." Las partículas se derriten parcialmente ".
El efecto de tamaño también afecta a otras propiedades en pequeñas nanopartículas, como propiedades magnéticas, donde el campo magnético de la partícula puede comenzar a saltar por sí mismo en diferentes direcciones.
El tamaño sigue importando
En otras palabras, aunque el magnetismo podría fortalecer las nanoestructuras autoensambladas de los investigadores, el efecto de tamaño todavía jugó un papel. Cuando los supercristales eran súper pequeños, las estructuras eran más débiles que sus contrapartes más grandes.
"Lo que eso significa es que se tiene un efecto de tamaño en lo que respecta a la estabilidad mecánica también en los supercristales, un" efecto de gran tamaño ", pero también sugiere que existen efectos de tamaño para otras propiedades de los supercristales. ", Dijo Håkonsen." Lo que también es notable es que este efecto de gran tamaño va más allá de la nanoescala, y hacia la microescala ".
Esta imagen de microscopía electrónica de barrido muestra claramente los nanocubos de 12 nm ensamblados en supercristales. Crédito:Verner Håkonsen / NTNU
En lugar de plantear un problema, sin embargo, en este caso, saber que el efecto de tamaño afectará a los supercristales podría permitir a los investigadores controlar, o ajustar, cómo se comportan las estructuras a través de una variedad de factores diferentes.
"Esto podría abrir un nuevo campo, afinación controlada por tamaño, "Dijo Håkonsen." Podría ser posible controlar las características de los supercristales, no solo por la forma en que se forman las partículas, sino por la forma y el tamaño del supercristal y el número de partículas que contiene ".
Cubos de magnetita
La investigación de Håkonsen en el laboratorio de nanomecánica de NTNU se basa en nanocubos que él mismo fabrica a partir de magnetita, por eso se autoensamblan en respuesta a un campo magnético.
Esencialmente, él fabrica una molécula que luego calienta en un solvente que contiene una sustancia similar a un jabón llamada surfactante. El surfactante evita que los nanocubos crezcan demasiado y también puede controlar la forma de la nanopartícula. De este modo, Håkonsen y su equipo pueden hacer cubos y esferas, entre otras formas.
Los colaboradores de Håkonsen provienen de distintas disciplinas, incluidos los físicos, científicos mecánicos y de materiales y expertos en computación, y proceden de la Universidad de Sydney y UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) además de NTNU. Los investigadores optaron por usar cubos para su estudio porque ha habido menos investigación sobre cubos que sobre esferas, y los cubos también son los más propensos a proporcionar la estructura más fuerte, él dijo.
"Esta es una investigación fundamental. Nuestra motivación ha sido investigar cómo el magnetismo afecta las propiedades mecánicas en los supercristales, ", dijo." Es importante porque tenemos todas estas aplicaciones potenciales, pero para darse cuenta de ellos, también necesitamos supercristales mecánicamente estables ".
Håkonsen dijo que él y sus colaboradores continúan su investigación para aprender más sobre cómo se puede usar el magnetismo para ajustar las propiedades mecánicas en supercristales magnéticos.
