Los investigadores sintetizan nanopartículas adaptadas para aplicaciones especiales
Nuevo método para ensamblar nanomateriales como se desee
Las agrupaciones de "núcleo" preparan el camino para nuevos nanomateriales eficientes que hacen que los catalizadores, los sensores magnéticos y láser o los dispositivos de medición para detectar la radiación electromagnética sean más eficientes.
En Nano Research, los investigadores de la Universidad de Graz han publicado nuevos conocimientos sobre la producción de nanopartículas en gotas de helio superfluas.
Illustration: IEP; Photo: Lunghammer – TU Graz
Ya sea en materiales innovadores de alta tecnología, chips de computadora más potentes, productos farmacéuticos o en el campo de las energías renovables, las nanopartículas -porciones más pequeñas de material a granel- constituyen la base de toda una gama de nuevos desarrollos tecnológicos. Debido a las leyes de la mecánica cuántica, estas partículas que miden sólo unas millonésimas de milímetro pueden comportarse de manera completamente diferente en términos de conductividad, óptica o robustez que el mismo material a escala macroscópica. Además, las nanopartículas o nanoclusters tienen una superficie catalíticamente muy grande en comparación con su volumen. En muchas aplicaciones esto permite ahorrar material manteniendo el mismo rendimiento.
El desarrollo de la investigación de alto nivel en Graz en el campo de los nanomateriales
Los investigadores del Instituto de Física Experimental (IEP) de la Universidad Tecnológica de Graz han desarrollado un método para ensamblar nanomateriales según se desee. Dejan que las gotitas de helio superfluidas de una temperatura interna de 0,4 Kelvin (es decir, menos 273 grados centígrados) vuelen a través de una cámara de vacío e introducen selectivamente átomos o moléculas individuales en estas gotitas. "Allí se unen en un nuevo agregado y pueden ser depositadas en diferentes sustratos", explica el físico experimental Wolfgang Ernst de la Universidad Técnica de Graz. Lleva veinticinco años trabajando en la llamada síntesis de gotas de helio, ha ido desarrollándola sucesivamente durante este tiempo y ha realizado investigaciones continuas al más alto nivel internacional, la mayoría de las cuales se han llevado a cabo en el "Cluster Lab 3", que se ha creado específicamente para este fin en el IEP.
Refuerzo de las propiedades catalíticas
En Investigación de NanoErnst y su equipo informan ahora sobre la formación de los llamados grupos de nucleos usando la síntesis de gotas de helio. Los cúmulos tienen un núcleo de 3 nanómetros de plata y una capa de óxido de zinc de 1,5 nanómetros de espesor. El óxido de zinc es un semiconductor que se utiliza, por ejemplo, en detectores de radiación para medir la radiación electromagnética o en fotocatalizadores para descomponer contaminantes orgánicos. Lo especial de la combinación de materiales es que el núcleo de plata proporciona una resonancia plasmónica, es decir, absorbe la luz y, por lo tanto, provoca una gran amplificación del campo luminoso. Esto pone a los electrones en un estado excitado en el óxido de zinc circundante, formando así pares electrón-agujero - pequeñas porciones de energía que pueden ser utilizadas en otros lugares para reacciones químicas, como procesos de catálisis directamente en la superficie del cúmulo. "La combinación de las dos propiedades materiales aumenta la eficiencia de los fotocatalizadores enormemente. Además, sería concebible utilizar un material de este tipo en la división del agua para la producción de hidrógeno", dice Ernst, nombrando un campo de aplicación.
Nanopartículas para sensores láser y magnéticos
Además de la combinación de óxido de plata-zinc, los investigadores produjeron otros interesantes conjuntos de núcleo y cubierta con un núcleo magnético de los elementos hierro, cobalto o níquel y una cubierta de oro. El oro también tiene un efecto plasmónico y también protege el núcleo magnético de la oxidación no deseada. Estos nanoclusters pueden ser influenciados y controlados tanto por láser como por campos magnéticos externos y son adecuados para tecnologías de sensores, por ejemplo. Para estas combinaciones de materiales, las mediciones de estabilidad dependientes de la temperatura, así como los cálculos teóricos, se llevaron a cabo en colaboración con el grupo de teoría del IEP dirigido por Andreas Hauser y el equipo de Maria Pilar de Lara Castells (Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid) y pueden explicar el comportamiento en las transiciones de fase, como la formación de aleaciones que se desvía de las muestras de material macroscópico. Los resultados se publicaron en el Revista de Química Física.
Ernst espera ahora que los hallazgos de los experimentos se transfieran rápidamente a nuevos catalizadores "tan pronto como sea posible".
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Publicación original
Alexander Schiffmann, Thomas Jauk, Daniel Knez, Harald Fitzek, Ferdinand Hofer, Florian Lackner, Wolfgang E. Ernst; "Helium droplet assisted synthesis of plasmonic Ag@ZnO core@shell nanoparticles"; Nano Research; 2020.
Martin Schnedlitz, Daniel Knez, Maximilian Lasserus, Ferdinand Hofer, Ricardo Fernández-Perea, Andreas W. Hauser, Marı́a Pilar de Lara-Castells, and Wolfgang E. Ernst; "Thermally Induced Diffusion and Restructuring of Iron Triade (Fe, Co, Ni) Nanoparticles Passivated by Several Layers of Gold"; The Journal of Physical Chemistry; 2020.
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