Perspectivas raras sobre el crecimiento de nanopartículas

¿Cómo se forman exactamente las nanopartículas en solución? Investigadores de la Universität Hamburg y DESY ahora han podido observar el crecimiento de nanopartículas en solución en tiempo real. En la revista Nature Communications, informan de sus observaciones utilizando el método de la pticografía de rayos X, que proporciona una visión microscópica de los procesos dinámicos.

Las nanopartículas huecas con un tamaño del orden de varios cientos de nanómetros (un nanómetro equivale a una millonésima de milímetro) tienen un amplio potencial de aplicación, por ejemplo, en baterías de iones de litio, como sensores y para la producción de energía (foto)catalítica. “Para lograr la funcionalidad deseada y el alto rendimiento, es fundamental que logremos un control preciso sobre la estructura y la forma de las nanopartículas a medida que crecen”, dice el primer autor Lukas Grote, estudiante de doctorado en el grupo de Dorota Koziej en la Universität Hamburg y el Centro de Excelencia “CUI: Imagen Avanzada de la Materia”.

Hay muchos caminos que conducen a materiales complejos y jerárquicos. Debido a la falta de métodos experimentales adecuados, comprender y manipular el curso de los cambios subyacentes de las nanopartículas sigue siendo un gran desafío.
Las técnicas de microscopía, que permiten seguir estos procesos en tiempo real, deberían resolver el problema: la microscopía electrónica de transmisión de celda líquida (TEM) puede proporcionar una resolución espacial hasta la escala atómica. Sin embargo, su aplicabilidad al crecimiento de nanopartículas en solución es limitada, ya que requiere reactores delgados con volúmenes pequeños que pueden alterar la ruta. La microscopía de rayos X que usa radiación de sincrotrón supera estas limitaciones.

Los rayos X duros tienen el poder de penetrar reactores químicos gruesos, al tiempo que permiten visualizar nanopartículas en crecimiento a una resolución espacial de hasta 10 nanómetros. “El método de pticografía de rayos X, en el que se obtiene una imagen por cálculo a partir de la superposición de ondas de luz de rayos X que oscilan al unísono, amplía estas ventajas porque nos da la capacidad de interpretar imágenes cuantitativamente”, dice Grote. De esta forma es posible concluir sobre la forma tridimensional de las nanopartículas.

Para su estudio actual, el equipo utilizó la estación experimental P06 de fuente de luz de rayos X PETRA III de DESY con el grupo de investigación del científico de DESY Christian Schroer. “Nuestro objetivo era rastrear el crecimiento de los nanocubos de óxido cuproso y su posterior transformación en estructuras huecas de cobre mediante pticografía de rayos X”, explica Schroer. Las observaciones muestran que: las partículas que crecían en las ventanas del reactor desarrollaron una forma más plana, mientras que las partículas en solución adquirieron una forma cúbica regular. Luego, los nanocubos se redujeron a cobre metálico en una reacción de estado sólido. Se formaron vacíos en el centro de las partículas y se extendieron a la superficie, dando como resultado nanocubos huecos.

“Estos raros atisbos visuales de cambios estructurales en la solución son importantes para comprender de dónde provienen las diferentes formas de nanomateriales”, concluye Koziej. “Este es un factor clave para el diseño de catalizadores altamente activos y sensores de alta sensibilidad”. El método se puede aplicar a una amplia gama de materiales y condiciones de reacción, complementando las capacidades de TEM de celda líquida.

Investigadores de la Universität Hamburg, el Consejo Nacional de Investigación de Italia, la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, la Universidad Estatal de Sao Paulo en Brasil, el Instituto Paul Scherrer en Suiza y DESY contribuyeron a esta investigación.