¿Qué ves en la imagen de arriba? ¿Simplemente una imagen tridimensional de nanopartículas dibujada con precisión? Mucho más que eso los nanotecnólogos dirán, debido a un nuevo estudio publicado en la revista Ciencias . El hecho de que un material catalice reacciones químicas o impida cualquier respuesta molecular depende de cómo están dispuestos sus átomos. El objetivo final de la nanotecnología se centra en la capacidad de diseñar y construir materiales átomo por átomo, permitiendo así a los científicos controlar sus propiedades en cualquier escenario dado. Sin embargo, Las técnicas de imágenes atómicas no han sido suficientes para determinar las disposiciones atómicas tridimensionales precisas de los materiales en solución líquida. que les diría a los científicos cómo se comportan los materiales en la vida cotidiana, como en agua o plasma sanguíneo.

Investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), en colaboración con el Dr. Hans Elmlund en el Instituto de Descubrimiento de Biomedicina de la Universidad de Monash en Australia y el Dr. Peter Ercius en la Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en los Estados Unidos, han informado de una nueva metodología analítica que puede resolver la estructura tridimensional de nanopartículas individuales con resolución a nivel atómico. Las posiciones atómicas tridimensionales de las nanopartículas individuales se pueden extraer con una precisión de 0,02 nm, seis veces más pequeña que el átomo más pequeño:el hidrógeno. En otras palabras, este método de alta resolución detecta átomos individuales y cómo están dispuestos dentro de una nanopartícula.

Los investigadores llaman a su desarrollo 3-D SINGLE (Identificación de estructuras de nanopartículas por microscopía electrónica de células líquidas de grafeno) y utilizan algoritmos matemáticos para derivar estructuras 3-D a partir de un conjunto de datos de imágenes 2-D adquiridos por uno de los microscopios más poderosos de la Tierra. . Primero, se intercala una solución de nanocristales entre dos láminas de grafeno, cada una de las cuales tiene un solo átomo de espesor. "Si una pecera estuviera hecha de un material grueso, sería difícil ver a través de él. Dado que el grafeno es el material más delgado y resistente del mundo, Creamos bolsas de grafeno que permiten que el haz de electrones del microscopio brille a través del material al mismo tiempo que sella la muestra líquida. "explica Park Jungwon, uno de los autores correspondientes del estudio (profesor asistente de la Escuela de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad Nacional de Seúl).

Los investigadores obtienen películas a 400 imágenes por segundo de cada nanopartícula que gira libremente en líquido utilizando un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (TEM). Luego, el equipo aplica su metodología de reconstrucción para combinar las imágenes 2-D en un mapa 3-D que muestra la disposición atómica. Localizar la posición precisa de cada átomo les dice a los investigadores cómo se creó la nanopartícula y cómo interactuará en las reacciones químicas.

El estudio definió las estructuras atómicas de ocho nanopartículas de platino:el platino es el más valioso de los metales preciosos, Se utiliza en una serie de aplicaciones, como materiales catalíticos para el almacenamiento de energía en pilas de combustible y refinación de petróleo. Aunque todas las partículas se sintetizaron en el mismo lote, mostraron diferencias importantes en sus estructuras atómicas que afectan su desempeño.

“Ahora es posible determinar experimentalmente las estructuras tridimensionales precisas de los nanomateriales que solo se habían especulado teóricamente. La metodología que desarrollamos contribuirá a los campos donde se utilizan nanomateriales, como las pilas de combustible, vehículos de hidrógeno, y síntesis petroquímica, "dice el Dr. Kim Byung Hyo, el primer autor del estudio. Notablemente, esta metodología puede medir el desplazamiento atómico y la tensión en los átomos de la superficie de nanopartículas individuales. El análisis de deformaciones de la reconstrucción 3-D facilita la caracterización de los sitios activos de los nanocatalizadores a escala atómica, lo que permitirá el diseño basado en estructuras para mejorar las actividades catalíticas. La metodología también puede contribuir de manera más general a mejorar el rendimiento de los nanomateriales.

"Hemos desarrollado una metodología innovadora para determinar las estructuras que gobiernan las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas a nivel atómico en su entorno nativo. La metodología proporcionará pistas importantes en la síntesis de nanomateriales. El algoritmo que introdujimos está relacionado con un nuevo fármaco desarrollo a través del análisis de estructura de proteínas y análisis de big data, por lo que esperamos una mayor aplicación a la nueva investigación de convergencia, ", señala el director Hyeon Taeghwan del IBS Center for Nanoparticle Research.