Por primera vez, científicos e ingenieros han observado en tiempo real cómo dos tipos de nanopartículas fabricadas a partir de diferentes materiales se combinan para formar nuevos materiales compuestos. Los hallazgos, informados por un equipo dirigido por la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Michigan, podrían ayudar a los ingenieros a tener más control sobre el ensamblaje de materiales que combinan las propiedades deseables de cada partícula, como la fotoluminiscencia, el magnetismo y la capacidad de conducir electricidad.
"Estamos diseñando nuevos materiales que combinan diferentes tipos de funciones de maneras que no son posibles con los materiales que tenemos hoy", dijo Sharon Glotzer, catedrática del Departamento de Ingeniería Química Anthony C. Lembke de la Universidad de Michigan y coautora correspondiente. del estudio publicado en Nature Synthesis .
Las estructuras compuestas son un tipo de superred de nanocristales binarios y podrían usarse para dispositivos electrónicos, dispositivos ópticos y producción y almacenamiento de energía.
"La combinación de nanopartículas fotoluminiscentes y magnéticas, por ejemplo, podría permitir cambiar el color de un láser mediante un campo magnético", dijo Emanuele Marino, coautor del artículo y ex investigador postdoctoral en la Universidad de Pensilvania. /P>
Los ingenieros suelen crear superredes binarias de nanocristales mezclando bloques de construcción de nanopartículas en una solución y dejando que una gota de la solución se seque. A medida que la gota se encoge, las partículas se combinan formando las superestructuras deseadas. Luego, los ingenieros golpearon los cristales con rayos X para ver las estructuras de nanocristales resultantes. Cada estructura cristalina dispersa rayos X en un patrón único, que sirve como huella digital para identificar los cristales.
Ver cómo se ensamblan esos cristales en tiempo real ha sido un desafío científico porque se forman demasiado rápido para la mayoría de las técnicas de dispersión de rayos X. Sin ver los pasos que conducen a la estructura final, los científicos se quedan adivinando cómo sus mezclas de nanocristales conducen a superestructuras.
"Descubrir cómo reaccionan estos materiales entre sí nos permitirá construir una biblioteca más completa de las estructuras que pueden formar cuando se combinan", dijo Christopher Murray, profesor de química de la Universidad Richard Perry en la Universidad de Pensilvania y co-correspondiente autor del estudio.
El equipo creó las primeras mediciones de dispersión de rayos X en tiempo real de las superredes ralentizando el proceso de ensamblaje y utilizando técnicas de dispersión de rayos X más rápidas con la ayuda de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York.
"El alto flujo de rayos X de la instalación y la rápida recopilación de datos podrían mantener el ritmo de las velocidades a las que se formaron los cristales", afirmó Esther Tsai, científica del Laboratorio Nacional Brookhaven y coautora del estudio.
Para ralentizar el ensamblaje de la red, los investigadores mezclaron diferentes nanopartículas en una emulsión de aceite (casi como un aderezo magnético para ensalada) y luego colocaron la emulsión en agua. La mezcla de nanopartículas se contrajo a medida que el aceite se difundió en el agua, pero mucho más lentamente en comparación con el método convencional de secado al aire.
Después de una fase inicial de crecimiento rápido que dura hasta cinco minutos, los nanocristales se unen expulsando lentamente lo último del aceite restante durante tres a cinco horas.
Observar los cristales nacientes permitió al equipo de la Universidad de Michigan derivar la física que explica cómo se formaron las redes, modelando el proceso con simulaciones por computadora.
"Con información temporal de experimentos, podemos construir un modelo predictivo que reproduzca no sólo la estructura final, sino todo el proceso de ensamblaje de la estructura", dijo Sharon Glotzer, catedrática del Departamento de Ingeniería Química Anthony C Lembke de la Universidad de Michigan y coautora del estudio. autor correspondiente del estudio.
El equipo descubrió que el ensamblaje de la superred de nanocristales binarios se produce a través de atracciones de corto alcance entre los bloques de construcción de nanopartículas, independientemente del tipo de nanopartícula utilizada, y "confirmó además que no se formaron fases intermedias antes del cristal final, y la superficie de las gotas de emulsión sí lo hizo". "No desempeñan ningún papel en la formación del cristal", afirmó Allen LaCour, ex estudiante de doctorado en ingeniería química de la Universidad de Michigan y coprimer autor del estudio.
Sin otros factores explicativos, las simulaciones concluyeron que la fuerza de las interacciones de los nanocristales es el factor principal que determina la estructura de superred en las gotas que se encogen. La fuerza de interacción se puede cambiar con el tamaño de las partículas y la carga eléctrica, o agregando ciertos elementos a las partículas. Los modelos informáticos del equipo de la UM pueden simular los impactos de esos cambios.
Más información: Emanuele Marino et al, Cristalización de superredes de nanocristales binarios y la relevancia de la atracción de corto alcance, Nature Synthesis (2023). DOI:10.1038/s44160-023-00407-2
Información de la revista: Síntesis de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Michigan
