Un equipo de investigación de la PNNL ha descubierto que las fuerzas atómicas consideradas "débiles" en realidad pueden ejercer más control del que se creía. Y ese nuevo descubrimiento publicado el 25 de febrero en la revista Comunicaciones de la naturaleza , podría ayudar a predecir mejor y eventualmente controlar la fabricación de materiales semiconductores utilizados en la electrónica y otras aplicaciones industriales.

Los científicos de materiales Lili Liu y Elias Nakouzi dirigieron un equipo multidisciplinario que exploró la formación de óxido de zinc, una sustancia increíblemente versátil que se utiliza en una variedad de productos, desde crema para la dermatitis del pañal hasta semiconductores. Si bien la fórmula molecular (ZnO) sigue siendo la misma, cómo se alinean las moléculas determina sus propiedades.

"Tradicionalmente, Se ha pensado que el crecimiento de cristales se produce mediante la adición de átomos individuales, "dijo Liu." Pero los cristales también pueden crecer de otra manera. Las nanopartículas individuales pueden convertirse en bloques de construcción que se unen entre sí para formar un cristal más grande. A esto se le llama apego orientado, y estudiamos cómo funciona durante el crecimiento de óxido de zinc ".

Los científicos utilizaron una combinación de microscopía electrónica de transmisión de muy alta resolución y simulaciones matemáticas para explicar sus hallazgos. La sinergia única entre estas herramientas permitió a los investigadores abordar el problema desde múltiples ángulos.

"Las partículas son como mini imanes, con un extremo positivo el otro negativo, formando lo que se llama un dipolo ", dijo Nakouzi." Descubrimos que un débil, La fuerza impulsora de largo alcance llamada interacción dipolo-dipolo puede alinear las partículas en distancias más largas de lo que se creía posible. Debido a que un dipolo actúa como un imán, esa interacción crea un par de torsión que alinea las partículas. Luego, cuando se acercan lo suficiente, encajan en su lugar. Este mecanismo no ha sido visualizado antes ".

Para asegurar su confianza en la observación, los científicos optimizaron las concentraciones de disolventes y sales, lo que impidió que los cristales de nanopartículas se disolvieran y permitió la observación de la unión de las partículas.

La investigación proporciona respuestas a preguntas de larga data sobre los mecanismos de cristalización, específicamente cristalización no clásica mediante unión orientada. Su naturaleza fundamental significa que no es inmediatamente traducible al desarrollo de productos o aplicaciones tecnológicas, y los hallazgos deberán confirmarse en otros tipos de estructuras cristalinas, dijo Nakouzi. Pero la cristalización se encuentra en la encrucijada de múltiples problemas de investigación, y el equipo de investigación anticipa una gran importancia de estos resultados en la síntesis de materiales y las aplicaciones de gestión ambiental.

"Los enfoques para fabricar materiales basados ​​en el ensamblaje de nanopartículas tienen un enorme potencial para lograr propiedades nuevas o mejoradas para una amplia gama de aplicaciones energéticas, desde la energía solar hasta las baterías y los catalizadores, "dijo James DeYoreo, un Battelle Fellow en PNNL y científico senior en el equipo de investigación. "La comprensión de cómo funciona el proceso de ensamblaje y cómo se puede controlar es fundamental para realizar ese potencial. Los resultados de este estudio revelan uno de los controles clave en el ensamblaje de nanopartículas para una clase importante de materiales semiconductores y sugieren un enfoque simple para dirigir el proceso."