Investigadores de la Universidad Northwestern y la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign han observado por primera vez el autoensamblaje de nanopartículas en materiales sólidos, lo que ofrece información valiosa sobre el diseño de nuevos materiales, como películas delgadas para la electrónica. Los videos cautivadores muestran partículas cayendo en cascada, cayendo y deslizándose en su lugar, formando las capas apiladas características de un cristal. El innovador estudio fue publicado en la revista Nature Nanotechnology. Crédito: Erik Luijten y Qian Chen
Primer vistazo en tiempo real a los hábitos de crecimiento de las nanopartículas.
- Los cristales, que se encuentran en la sal, el azúcar, los copos de nieve y las piedras preciosas, son estructuras en capas muy ordenadas.
- Aunque los cristales son omnipresentes en la naturaleza, la forma en que se forman sigue siendo un misterio.
- Mediante microscopía optimizada, los investigadores observaron cómo las nanopartículas formaban cristales en tiempo real
- Investigador: “No creo que podamos ver eso. Nunca antes habíamos visto el proceso de crecimiento”.
Por primera vez, los investigadores han observado el fascinante proceso de autoensamblaje de nanopartículas en materiales sólidos. En los impresionantes videos nuevos, las partículas llueven, caen a lo largo de las escaleras y se deslizan antes de finalmente unirse para formar las capas apiladas características de un cristal.
Dirigido por la Universidad Northwestern y la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, el equipo de investigación dice que estos nuevos conocimientos se pueden utilizar para diseñar nuevos materiales, incluidas películas delgadas para aplicaciones electrónicas.
La investigación se publicará hoy (30 de marzo) en la revista Nature Nanotechnology.
Animación que ilustra los modos de crecimiento en el plano y fuera del plano para cristales de nanocubos de oro cóncavos dentro de una cámara de microscopio electrónico de transmisión (TEM) en fase líquida. Crédito: Erik Luijten y Qian Chen
Descrito por los investigadores como un «tour de force experimental», el estudio utilizó una forma recientemente optimizada de microscopía electrónica de transmisión (TEM) en fase líquida para obtener una visión sin precedentes del proceso de autoensamblaje. Antes de este trabajo, los investigadores utilizaron microscopía para observar coloides del tamaño de una micra, que son de 10 a 100 veces más grandes que las nanopartículas, autoensamblándose en cristales. También utilizaron cristalografía de rayos X o microscopía electrónica para visualizar capas individuales de átomos en una red cristalina. Pero no pudieron observar los átomos individuales moviéndose en su lugar.
«Sabemos que los átomos usan un esquema similar para formar cristales, pero nunca hemos visto el proceso de crecimiento real», dijo Erik Luijten de Northwestern, quien dirigió el trabajo teórico y computacional para explicar las observaciones. “Ahora lo vemos unirse justo en frente de nuestros ojos. Cuando visualizamos nanopartículas, estamos viendo partículas más grandes que los átomos pero más pequeñas que los coloides. Así completamos todo el espectro de escalas de longitud. Estamos completando la longitud que falta”.
«Anteriormente, nuestro equipo resolvió el misterio de la nucleación, es decir, cómo se forman los embriones de cristal compuestos por decenas de nanopartículas, que siguen un camino no clásico en solución», dijo Qian Chen, de Illinois, quien dirigió el trabajo experimental. “Con los avances recientes en TEM en fase líquida y ciencia de datos, en este trabajo ahora podemos capturar y rastrear los movimientos de miles de nanopartículas a lo largo del tiempo. Estas nanopartículas se mueven en solución y se convierten en cristales de diversas morfologías, como poliédricos o pastel de bodas”.
Video TEM en fase líquida del crecimiento capa por capa de un cristal de superficie lisa de nanocubos de oro cóncavos. Se rastrean las partículas superficiales en el cristal en crecimiento (posiciones centrales superpuestas con puntos amarillos). Crédito: Erik Luijten y Qian Chen
Luijten es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, donde también es decano asociado. Chen es profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Illinois.
La mayoría de la gente está familiarizada con los cristales en forma de sal, azúcar, copos de nieve y piedras preciosas brillantes como los diamantes. Aunque la cristalización es un fenómeno omnipresente, la forma exacta en que se forman los cristales sigue siendo un misterio. Los bloques de construcción (átomos, moléculas o iones) que componen los materiales cristalinos están muy ordenados y forman redes de bloques de construcción igualmente espaciados. Estas redes luego se apilan una encima de la otra para formar un material sólido tridimensional.
«El apilamiento de átomos en arreglos regulares es la razón por la cual los cristales tienen caras lisas y planas», dijo Luijten. “Es por eso que se rompen en los bordes rectos”.
Hasta ahora, los investigadores han estudiado la cristalización observando partículas mucho más grandes llamadas coloides. Pero observar cómo los coloides se autoensamblan en cristales no proporcionó información sobre cómo se comportan los átomos. Mientras que los cristales tienen superficies lisas y planas, las estructuras cristalinas hechas de coloides de tamaño micrométrico tienden a adoptar superficies rugosas y no uniformes.
“Los coloides son mucho más grandes que los átomos, por lo que es dudoso que sigan los mismos pasos al cristalizar”, dijo Luijten. “Así que no nos enseñan lo que hacen los átomos. La analogía de los coloides con los átomos realmente no se sostiene».
Para obtener información más profunda sobre el proceso de cristalización, Luijten, Chen y sus equipos recurrieron a las nanopartículas. Avances recientes para mejorar TEM en fase líquida han hecho posible visualizar nanopartículas en tiempo real a medida que forman materiales sólidos. El equipo de Chen pasó años optimizando el proceso para garantizar que el haz de electrones pudiera ver las partículas sin dañarlas. En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron nanopartículas de diferentes formas (cubos, esferas y cubos recortados) para explorar cómo la forma afecta el comportamiento.
Los investigadores primero visualizaron la formación de cristales con simulaciones informáticas avanzadas, que fueron realizadas por los estudiantes graduados de Northwestern Ziwei Wang y Garrett Watson, así como por la becaria postdoctoral Tine Curk. A continuación, realizaron experimentos de TEM en fase líquida para observar el autoensamblaje de las nanopartículas en tiempo real. En los experimentos, los investigadores notaron que las partículas chocaban entre sí, uniéndose para formar capas. Entonces, para formar la estructura cristalina capa por capa, las partículas primero formaron una capa horizontal y luego se apilaron verticalmente. A veces, después de adherirse unas a otras, las partículas se separan brevemente para caer a una capa inferior.
“Corren y luego dudan en el borde antes de caer”, dijo Luijten. “Es como un buzo vacilando al final de un trampolín. No creo que podamos ver eso. Nunca antes habíamos visto el proceso de crecimiento real, solo el resultado”.
Luijten dijo que esta información ayudará a los ingenieros a diseñar nuevos materiales. La información podría ayudar específicamente con el diseño de materiales de película delgada, que a menudo se usan para construir componentes electrónicos flexibles, diodos emisores de luz, transistores y células solares.
“Saber cómo se unen las partículas nos permitirá controlar la forma de una superficie”, dijo Luijten. “¿Quieres una superficie plana o rugosa? Cambiar la forma de las partículas o qué tan rápido caen las partículas puede afectar la superficie”.
Referencia: «Desentrañando el crecimiento cristalino de nanopartículas» 30 de marzo de 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-023-01355-w
El estudio fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. (números de premio DE-SC0020723 y DE-SC0020885) y la Fundación Nacional de Ciencias (números de premio DGE-1842165).
