Se han formado con éxito nanogotitas de metal líquido, parecidas a planetas, con una nueva técnica desarrollada en la Universidad RMIT, Australia. Al igual que nuestro propio planeta Tierra, las nanogotas presentan una "corteza" exterior, un "manto" de metal líquido y un "núcleo" sólido.
El núcleo intermetálico sólido es la clave para lograr una mezcla más homogénea, "bloqueando" la misma cantidad de soluto (es decir, los metales "objetivo") en cada gota de aleación.
El equipo de investigación logró la homogeneidad mediante la disolución completa dentro del medio de metal líquido, posible gracias a la sal fundida a alta temperatura. Su artículo, "Síntesis de nanogotas de metal líquido similares a planetas con propiedades prometedoras para la catálisis", se publicó en Advanced Functional Materials. en julio de 2023.
El descubrimiento crea nuevas oportunidades de investigación en la química fundamental de metales líquidos, así como en aplicaciones tan diversas como electrónica flexible, materiales de cambio de fase, catalizadores y pilas de combustible, y antimicrobianos a base de plata.
Los metales líquidos han surgido como una nueva y prometedora frontera de la investigación química en los últimos años, actuando como una nueva interfaz de reacción para disolventes y catalizadores.
También pueden actuar como un material funcional que ofrece alta conductividad, debido a enlaces metálicos deslocalizados, y un interior suave y fluido.
Con las aplicaciones emergentes de catálisis, detección y nanoelectrónica que dependen de lograr grandes áreas de superficie, la síntesis de nanogotas de metal líquido se ha convertido en un foco importante.
Hay muchas combinaciones posibles al realizar aleaciones para aplicaciones específicas, por ejemplo, disolver cobre (el soluto) en galio líquido (el disolvente metálico).
Las nanogotas de metal líquido se crean mediante agitación mecánica utilizando ondas sonoras en un disolvente como etanol o agua.
Sin embargo, durante este proceso de "sonicación", las aleaciones de metales líquidos han tendido a "desalearse", es decir, a romperse en sus metales constituyentes.
Esto es el resultado de métodos anteriores que intentaban disolver los metales a temperaturas relativamente bajas, cercanas a la temperatura ambiente. "Así como es posible disolver más azúcar en agua tibia que en agua fría, se puede disolver más cobre en galio más caliente", dice el autor principal Caiden Parker, Ph.D. candidato en RMIT.
A bajas temperaturas, parte del soluto metálico se vuelve a formar en partículas sólidas más grandes antes de su completa disolución.
La composición resultante tiene propiedades inconsistentes y no homogéneas, y la composición de las nanogotas individuales varía considerablemente. "En casos extremos, muchas o incluso la mayoría de las nanogotas pueden carecer esencialmente del soluto metálico, que acaba concentrándose en muy pocas partículas", afirma el autor correspondiente, el Dr. Torben Daeneke, también del RMIT.
Esta falta de homogeneidad y la presencia de compuestos intermetálicos plantea dificultades considerables para los investigadores que desean comprender los mecanismos fundamentales que actúan en la química de los metales líquidos.
En el nuevo estudio, los investigadores del RMIT resolvieron el problema de la desaleación calentando significativamente el proceso de síntesis (hasta 400 °C) para garantizar que el soluto metálico se disuelva por completo e introduciendo un fluido de suspensión de sales fundidas cuidadosamente seleccionado.
Se seleccionó el acetato de sodio porque permanece estable a altas temperaturas y se puede eliminar fácilmente después.
Las nanogotas resultantes presentan una interesante estructura similar a un planeta que consta de una capa exterior (óxido), un manto líquido (metal) y un núcleo central sólido suspendido (intermetálico).
"Nos llamó inmediatamente la atención la similitud de las nanogotas con un planeta similar a la Tierra, con una capa exterior sólida, un manto de metal líquido y un núcleo de metal sólido", dice Caiden.
Ese núcleo sólido es la clave del éxito de la nueva técnica, que "bloquea" la misma cantidad de soluto en cada gota de aleación.
"También nos encantó ver que nuestras nuevas nanogotas metálicas parecidas a planetas estaban por todas partes", continúa Caiden.
El sistema se distribuyó de manera homogénea y el rendimiento de la producción mejoró significativamente. El análisis mediante microscopio electrónico de transmisión (TEM) confirmó que la estructura central se observa en casi todas las gotas.
La presencia del núcleo sólido también promueve un uso muy interesante de las nanogotas con forma de planeta en reacciones catalíticas, acelerando las reacciones químicas.
Las nanogotas de cobre y galio estudiadas proporcionaron resultados prometedores en la oxidación electrocatalítica de etanol, que podría aplicarse en pilas de combustible de etanol.
La eliminación del acetato de sodio es importante antes de esta reacción catalítica, ya que la sal se elimina fácilmente en simples baños de agua.
Esta nueva y prometedora técnica abre el uso potencial de nanogotas de alta superficie en una amplia gama de aplicaciones futuras, incluidas, entre otras, electrónica o materiales catalíticos.
La escala física de las nanogotas (es decir, nano en lugar de micro) también ayudará a los estudios fundamentales de la química del metal líquido, incluida la investigación de la naturaleza precisa de la formación de enlaces dentro de los metales líquidos, las capacidades de solvatación, la dinámica de cristalización y la química coloidal general que puede ocurren dentro de varios sistemas de metal fundido.
"Las estructuras parecidas a planetas son como pequeños laboratorios en miniatura, lo que nos permite estudiar cómo se comportan los metales fundidos a nivel atómico", afirma Torben.
Si bien el estudio demostró la viabilidad de la nueva técnica que utiliza un sistema de cobre y galio, los autores esperan que se realicen más trabajos para confirmar que la técnica tendrá éxito utilizando otras combinaciones de sistemas de aleaciones de soluto y disolvente, comenzando con plata, zinc o bismuto en galio líquido. , estaño o indio.
"Una ventaja clave de los sistemas de metal líquido es la capacidad de ajustar la mezcla de metales para determinadas aplicaciones, en función de las propiedades de los metales que los componen", afirma Caiden.
"Por ejemplo, el cobre es un excelente conductor eléctrico. Cuando combinamos cobre con galio, no sólo ahorramos costos significativos en el consumo de material, sino que también abrimos el camino a la electrónica flexible, como la que se puede haber visto en las películas de ciencia ficción. "
Potencialmente, el cobre también se puede utilizar por sus propiedades térmicas, con la posible aplicación de nanogotas a base de cobre en sistemas de disipación de calor.
En el nuevo estudio ya se han probado aplicaciones de catálisis de nanogotas basadas en la capacidad del cobre para acelerar las reacciones, con un área de sitio activo mejorada además de ahorros en la síntesis de materiales.
En cuanto a otro metal, la plata ha encontrado aplicaciones basadas en sus propiedades antimicrobianas y, una vez combinada con galio, podría crear una alternativa más biodisponible.
"Por lo tanto, las aplicaciones potenciales de la nueva tecnología son extremadamente amplias. Cualquier industria que necesite nanomateriales puede utilizar el sistema, cuyos metales varían según la aplicación", afirma Torben.
Más información: Caiden J. Parker et al, Síntesis de nanogotitas de metal líquido similares a planetas con propiedades prometedoras para la catálisis, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI:10.1002/adfm.202304248
Información de la revista: Materiales funcionales avanzados
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