Las nanopartículas son súper pequeñas (tan pequeñas como un nanómetro, o una milmillonésima parte de un metro) y son de gran interés para los científicos de materiales por sus propiedades físicas y químicas únicas. No se pueden detectar a simple vista y requieren un microscopio electrónico altamente especializado para poder verlos.
De hecho, los avances en las tecnologías de imágenes durante la década de 1990 y principios de la década de 2000 son los que hicieron posible el campo de la nanociencia, dice Anne Bentley, miembro del cuerpo docente del Departamento de Química del Lewis &Clark College en Portland, Oregón.
"Creo que gran parte de la química está fuera del ámbito de lo que la gente puede tener en sus manos", dice. "Puedes obtener evidencia sobre lo que está sucediendo, pero aún estás investigando algo que está a una escala demasiado pequeña para que tus ojos puedan verlo. Cualquier cosa que puedas hacer para ampliarlo es útil".
Así que Bentley hizo precisamente eso:creó modelos 3D de las formas geométricas más simples que forman las nanopartículas. Las instrucciones para crear estos modelos, ya sea con papel o material de impresión 3D, están disponibles como parte de un artículo del que es coautora y publicado en el Journal of Chemical Education. , llamado "Introducción a los planos de la red, las facetas de los cristales y el control de la forma de las nanopartículas".
Las nanopartículas tienen diferentes formas geométricas y son cristalinas o están compuestas de átomos dispuestos en un patrón que se repite en tres dimensiones. Las formas muestran superficies planas, llamadas planos o facetas, similares a los cortes de una piedra preciosa. La disposición de los átomos en estas superficies cristalinas influye en las propiedades especiales del material, afirma Bentley.
"Las formas se derivan de este empaquetamiento de los átomos", dice. "La motivación para crear diferentes formas realmente se reduce a la disposición de los átomos cuando el material se corta de diferentes maneras en diferentes planos cristalinos".
En el artículo, Bentley se centra en formas de índice bajo, que describe como las tres formas más sencillas de dividir la estructura.
"Hay formas mucho más complejas de cortarlo, pero estas son las tres formas fundamentales de hacerlo, haciéndolos de seis, ocho o doce lados:cubos, octaedros o dodecaedros rómbicos. Fue una elección natural centrarse en esos tres para el artículo."
"La nanociencia es un tema que se encuentra entre la química y la física en el plan de estudios, pero también entre la investigación de pregrado y posgrado", dice Bentley.
"Es importante que los químicos principiantes en materiales tengan una comprensión fundamental de los planos, facetas y direcciones de crecimiento del cristal. También necesitan comprender el sistema de notación de tres dígitos utilizado para indexar estos atributos, conocido como índices de Miller. De lo contrario, este sistema puede parece un misterioso revoltijo de números."
Consideró que era importante proporcionar una base de conocimiento en un formato accesible que pudiera ayudar a los educadores a introducir este importante y creciente campo. Si bien se pueden crear digitalmente estructuras más complejas que los modelos impresos en 3D mediante programas de simulación por computadora, Bentley cree que tener los modelos en las manos tiene ventajas.
"Me gustan las cosas que puedo mirar y en las que puedo pensar", afirma, y añade que los modelos 3D son particularmente útiles para generar una comprensión de este tema clave de la nanociencia.
Cultivo de partículas de oro para convertir dióxido de carbono
En el laboratorio de Bentley, ella y sus estudiantes trabajan en la manipulación de átomos de oro en viales de líquido para controlar las formas de las nanopartículas.
"Sólo hay que crear las condiciones adecuadas a las temperaturas adecuadas, un entorno completo que sea propicio para el crecimiento de una forma particular", afirma.
Bentley estudia nanopartículas de oro, que destacan por sus propiedades catalíticas o su capacidad para acelerar reacciones químicas. La forma en que se corta el material expone diferentes patrones de átomos, explica. Investigaciones anteriores han identificado que una forma particular de nanopartícula de oro, el dodecaedro rómbico de 12 lados, es más eficaz para convertir dióxido de carbono en materiales combustibles.
"Es como reciclar", dice Bentley. "Esta forma de nanopartícula no sólo permite a los investigadores eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, sino que también les permite convertirlo nuevamente en algún tipo de combustible que pueda usarse. Entonces, si podemos cultivar partículas que solo tengan esta faceta, eso es una verdadera ventaja."
Más información: Anne K. Bentley et al, Introducción a los planos de la red, las facetas de los cristales y el control de la forma de las nanopartículas, Journal of Chemical Education (2023). DOI:10.1021/acs.jchemed.3c00371
Información de la revista: Revista de Educación Química
Proporcionado por Lewis &Clark College
