Una ilustración muestra la progresión de una semilla de oro a una nanopartícula tetraédrica asimétrica y cristalina. Las imágenes fueron capturadas en la Universidad de Rice a través de una técnica conocida como microscopía electrónica de transmisión de células líquidas. Crédito:Grupo de Investigación Jones/Universidad Rice
A la naturaleza claramente le gusta la simetría. Mira tus propias manos, por ejemplo. Pero a veces la naturaleza produce cosas asimétricas y las razones no siempre son claras.
El químico de la Universidad de Rice, Matthew Jones, y su equipo han estado buscando respuestas a tales preguntas sobre nanopartículas útiles, y ahora parecen tener una.
Un nuevo estudio realizado por Jones, el autor principal e investigador postdoctoral Muhua Sun y los estudiantes graduados Zhihua Cheng y Weiyin Chen demuestra cómo la ruptura de la simetría durante el crecimiento de partículas forma de manera confiable nanocristales de tetraedro de oro en forma de pirámide.
En la ruptura de la simetría, las pequeñas fluctuaciones en un sistema en desarrollo determinan el destino del sistema. En este caso, se aplica al crecimiento de cristales a partir de semillas a nanoescala que comienzan con una red atómica simétrica.
Los investigadores de Rice demostraron cómo equilibrar las fuerzas termodinámicas y cinéticas durante el proceso de cristalización puede usarse para inclinar el crecimiento de partículas en la dirección deseada. Su descubrimiento también abre un camino hacia el uso de nanopartículas asimétricas como bloques de construcción para metamateriales únicos.
El estudio en la revista de la American Chemical Society ACS Nano surge del trabajo respaldado por la Beca Packard de Jones, otorgada en 2018 para ayudarlo a realizar investigaciones sobre microscopía electrónica de transmisión (TEM) de células líquidas.
La técnica desarrollada por Jones y su laboratorio permite a los investigadores observar la formación de nanopartículas metálicas individuales en líquido a través de una ventana lo suficientemente grande como para permitir el paso de electrones. En general, los microscopios electrónicos de transmisión funcionan en alto vacío y simplemente evaporan los líquidos expuestos.
Los investigadores notaron que las nanopartículas en forma de tetraedro a menudo se encuentran como subproductos de otros procesos, pero fabricarlas a propósito en el laboratorio ha resultado ser un desafío.
"Si una partícula es un solo cristal, por lo general hereda la simetría de la red", dijo Jones. "Y los cristales tienden a ser muy simétricos, como cubos o dodecaedros rómbicos u octaedros. Pero luego están estos extraños valores atípicos que algunas personas ven que misteriosamente tienen una simetría más baja que la red principal".
El nuevo estudio es el primero del laboratorio de Jones en mostrar qué tan bien funciona la técnica de celda líquida. La capacidad de hacer fluir fluidos que contienen ligandos y precursores a través de la célula mientras observan les permitió ubicarse en el punto donde el crecimiento se desvía y redirige la simetría del producto final de nanopartículas.
La clave parecía ser la velocidad de crecimiento y las condiciones bajo las cuales los átomos de oro tendían a adherirse a las partículas en sus puntas y bordes en lugar de las caras termodinámicamente favorecidas.
"Ahora que podemos evaluar una variedad de condiciones, pudimos ver un espectro con crecimiento cinético en un extremo y equilibrio en el otro", dijo Jones. "El crecimiento cinético es rápido y las protuberancias crecen muy rápidamente y no está muy bien controlado. En equilibrio, el crecimiento es lento y el sistema hace lo que quiere hacer, que es mantener la simetría.
"Pero el TEM de celda líquida nos permitió cambiar una variable sobre la marcha y ver el comportamiento en el medio, donde pudimos ver cómo se rompía esta extraña simetría y salía una partícula de tetraedro bien definida. Así que llegamos a la conclusión de que tenía que haber un equilibrio entre equilibrio y factores cinéticos."
Jones dijo que entendía que el equilibrio fundamental "debería ser generalizable a una variedad de otras condiciones".
Dijo que el descubrimiento también establece el TEM de celda líquida como una herramienta valiosa para la observación y el análisis de procesos químicos dinámicos, eliminando potencialmente una gran cantidad de prueba y error en la síntesis de partículas para biomedicina, catálisis o nanofotónica.
"No hay nada como poder ver cómo sucede todo", dijo. "Eso es lo que hace esta técnica. No estás disparando fotones a algo y luego tienes que hacer un montón de análisis para interpretar los resultados. Solo observas el proceso. Ver para creer". Origen de la ruptura de simetría en el crecimiento mediado por semillas de nanoheteroestructuras bimetálicas
