Además de sus componentes principales, las propiedades de los materiales cristalinos y nanoporosos a menudo dependen de manera crucial de átomos o iones huéspedes que están incrustados en los diminutos poros de su estructura reticular. Esto se aplica tanto a los materiales de alta tecnología utilizados en la tecnología de sensores o de separación como a los materiales naturales. La piedra preciosa azulada aguamarina, por ejemplo, sería incolora sin estos componentes invitados.
Es difícil determinar el tipo y la posición de los componentes invitados, ya que muchos materiales reaccionan sensiblemente a las emisiones de radiación de los microscopios electrónicos.
Gracias a un nuevo método desarrollado por un equipo dirigido por Daniel Knez y Ferdinand Hofer en el Instituto de Microscopía Electrónica y Nanoanálisis de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz), esto ahora se puede hacer con menos radiación y, por lo tanto, es mucho más fácil. Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Communications Materials.
"La singularidad de nuestro método radica en el hecho de que podemos determinar la distribución tridimensional de iones en canales de cristal o nanoporos basándose en una única imagen de microscopio electrónico", afirma Daniel Knez.
Los investigadores desarrollaron su método mientras analizaban la piedra preciosa aguamarina. Hasta ahora no se sabía exactamente en qué lugar del cristal se encuentra el hierro que confiere a la piedra su color azul.
Una hipótesis fue que los átomos de hierro individuales están atrapados en los poros y crean este efecto desde allí. Pero esto ahora ha sido refutado. En sus experimentos, los investigadores han demostrado sin lugar a dudas que en los poros no hay hierro, sino iones de cesio. Los átomos de hierro que confieren el color se encuentran muy cerca de los iones de cesio, pero están integrados en las columnas de la red cristalina.
Una única imagen con resolución atómica como base
Para sus experimentos, los investigadores grabaron la llamada imagen de contraste Z del cristal de aguamarina con resolución atómica utilizando el microscopio ASTEM, un microscopio electrónico de transmisión de barrido. El haz de electrones del microscopio ASTEM se enfoca en la superficie de la muestra cristalina, penetrando también en los poros del material. Si golpea los iones almacenados allí, aparecen como puntos brillantes en la imagen.
Basándose en la fuerza del contraste con los poros vacíos y las estructuras reticulares vecinas, los investigadores pueden determinar el tipo de iones incrustados y también estimar a qué profundidad se encuentran en los poros.
Estos datos se analizaron estadísticamente y se compararon con un gran número de simulaciones de la estructura cristalina para poder estimar los distintos factores que influyen en la señal medida.
Además de la investigación básica, el nuevo método también es adecuado para el desarrollo específico de nuevos materiales. "Nuestro método puede utilizarse para determinar con precisión la posición de elementos dopantes, es decir, aditivos específicos que controlan la función, en materiales nanoporosos como zeolitas o compuestos estructurales organometálicos", afirma Ferdinand Hofer.
Esto facilita la optimización de catalizadores (de un solo átomo) y electrolitos de estado sólido en futuras baterías o el desarrollo de aplicaciones biomédicas para controlar la absorción de fármacos.
Más información: Daniel Knez et al, Distribución tridimensional de átomos individuales en los canales de berilo, Materiales de comunicación (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00458-8
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Graz
