¿Cómo crecen las nanopartículas? Película a escala atómica anula teoría de hace 100 años


Nuevas imágenes de video capturadas por científicos de Berkeley Lab revelan por primera vez que el crecimiento de nanopartículas no está dirigido por una diferencia de tamaño, sino por imperfecciones. (Fuente de la imagen: Haimei Zheng/Berkeley Lab. Cortesía de Nature Communications).

Durante décadas, el proceso de libro de texto conocido como «maduración de Ostwald», llamado así por el químico ganador del Premio Nobel Wilhelm Ostwald, ha guiado el diseño de nuevos materiales, incluidas las nanopartículas, materiales tan pequeños que son invisibles a simple vista.

De acuerdo con esta teoría, las partículas pequeñas se disuelven y se depositan en la superficie de las partículas grandes, y las partículas grandes continúan creciendo hasta que todas las partículas pequeñas se hayan disuelto.

Pero ahora, un nuevo video capturado por científicos de Berkeley Lab muestra que el crecimiento de nanopartículas no está dirigido por la diferencia de tamaño, sino por las imperfecciones.

Los científicos informaron recientemente sus hallazgos en la revista Conexiones con la naturaleza.

«Este es un gran maestro. Estamos reescribiendo el libro de texto de química, lo cual es muy emocionante», dijo el autor principal. Hemi ChengD., científico senior en el Departamento de Ciencia de Materiales en Berkeley Lab y Profesor Asistente de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad de California, Berkeley.

Para el estudio, los investigadores suspendieron una solución de nanopartículas de sulfuro de cadmio (CdS) con cloruro de cadmio (CdCl).2) y cloruro de hidrógeno (HCl) en un portamuestras líquido dedicado. Los investigadores expusieron la solución con un haz de electrones para producir Cd-CdCl2 Las nanopartículas de núcleo y cubierta (CSNP), que parecen discos planos hexagonales, tienen átomos de cadmio en el núcleo y cloruro de cadmio en la cubierta.

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Usando una tecnología llamada microscopía electrónica de transferencia de células líquidas de alta resolución (LC-TEM) en Molecular Foundry, los investigadores capturaron videos LC-TEM a escala atómica de Cd-CdCl.2 Los CSNP maduran en solución.

En uno de los experimentos principales, un video LC-TEM muestra un pequeño disco Cd-CdCl2 Las nanopartículas núcleo-núcleo se combinan con grandes Cd-CdCl2 CSNP para una mayor formación de Cd-CdCl2 CSNP. Sin embargo, la dirección del crecimiento no estuvo dirigida por la diferencia de tamaño sino por un defecto de grieta en la cubierta CSNP inicialmente más grande. «El resultado fue muy inesperado, pero estamos muy satisfechos con los resultados», dijo Qiubo Zhang, primer autor e investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencia de los Materiales.

Los investigadores dicen que su trabajo es el video LC-TEM de mayor resolución jamás grabado. El avance, monitorear cómo maduran las nanopartículas en solución en tiempo real, ha sido posible gracias a una «célula líquida» ultradelgada hecha a medida que asegura una pequeña cantidad de líquido entre dos membranas de carbono en una malla de cobre. Los investigadores observaron la muestra líquida a través de Temis, un microscopio electrónico de fundición molecular capaz de registrar cambios a escala atómica en líquidos a 40-400 fotogramas por segundo. El entorno de alto vacío del microscopio mantiene la integridad de la muestra líquida.

«Nuestro estudio llena el vacío de las transformaciones de nanomateriales que la teoría convencional no puede predecir». dijo Zheng, quien fue pionero en LC-TEM en Berkeley Lab en 2009 y es un experto líder en el campo. «Espero que nuestro trabajo inspire a otros a pensar en nuevas reglas para diseñar nanomateriales funcionales para nuevas aplicaciones».

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