La danza de las moléculas: Nuevos métodos para producir materiales a medida
Los científicos observan la dinámica vibracional de las moléculas de ácido orgánico en la superficie del óxido de hierro
Un equipo de investigación de Hamburgo está allanando el camino hacia nuevos métodos de producción de materiales a medida: por primera vez, los científicos del NanoLab del DESY y la Universidad Tecnológica de Hamburgo (TUHH) han descifrado la disposición colectiva de las moléculas de ácido orgánico en una superficie de óxido de hierro a nivel atómico. Las moléculas de ácido fórmico que estudiaron realizan una especie de baile en grupos de tres sobre la magnetita (Fe3O4), según informa el equipo dirigido por Andreas Stierle, del DESY, y Gregor Vonbun-Feldbauer, de la TUHH, en The Journal of Physical Chemistry Letters.
Las moléculas de ácido fórmico forman grupos de tres, cada uno de los cuales está separado por una millonésima de milímetro, como revela un microscopio de barrido de túneles. Zoom: Imagen detallada de los grupos con el modelo estructural calculado.
DESY, Marcus Creutzburg
"Intentamos comprender las propiedades mecánicas de los materiales compuestos que se inspiran en la naturaleza: núcleos duros incrustados en moléculas orgánicas", explica Stierle, que también es profesor de nanociencia en la Universidad de Hamburgo. "Si se quiere adaptar sus propiedades mecánicas, hay que entender lo que ocurre en la interfaz entre estas dos clases de materiales tan diferentes". Sin embargo, ese conocimiento ha sido mayoritariamente inexistente hasta ahora.
"Cuando el ácido oleico se combina con nanopartículas, los materiales resultantes ya muestran muchas propiedades fantásticas", dice el autor principal, Marcus Creutzburg, del DESY NanoLab. "Estos compuestos tienen una resistencia especialmente alta, por ejemplo". Sin embargo, aún no se han determinado los detalles exactos de cómo se produce esto. "Sabemos que el ácido rellena los huecos entre las nanopartículas, pero hasta ahora no sabíamos qué ocurre exactamente allí a nivel molecular", dice Creutzburg.
Por ello, el equipo estudió cómo se comporta el ácido fórmico en una superficie de magnetita, como un sistema modelo comparativamente sencillo, utilizando un microscopio de efecto túnel, espectroscopia de infrarrojos, difracción de rayos X sensible a la superficie y simulaciones mecánico-cuánticas. "El ácido fórmico es el ácido orgánico más simple", explica el coautor Kai Sellschopp, de la TUHH, que realizó las simulaciones por ordenador. "Las moléculas de ácido oleico son mucho más complejas, pero el grupo final que ancla las moléculas de ácido al óxido de hierro es exactamente igual al del ácido fórmico".
La muestra de magnetita se trató primero para crear defectos superficiales en el óxido de hierro. Éstos facilitan que las moléculas de ácido se adhieran a la superficie, lo que conduce a una mayor estabilidad de la interfaz. Los experimentos y los cálculos muestran que las moléculas de ácido fórmico se adhieren predominantemente al óxido de hierro en grupos de tres. Cada uno de estos grupos de tres está separado por una millonésima parte de un milímetro (un nanómetro) y realiza una especie de baile oscilante. Como las moléculas están directamente acopladas y, por tanto, se influyen mutuamente, las vibraciones preferidas ("modos propios") de las moléculas se excitan con especial facilidad.
"Este es el primer ejemplo en el que hemos podido comprender la influencia de los defectos superficiales de la magnetita en la adsorción de un material orgánico a nivel atómico", afirma Stierle. Los científicos esperan utilizar este conocimiento, junto con otras investigaciones, para establecer una base para diseñar sistemáticamente las propiedades de los materiales compuestos. También es importante para entender cómo funciona la magnetita como catalizador en los procesos de conversión de energía.
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Publicación original
Marcus Creutzburg, Kai Sellschopp, Steffen Tober, Elin Grånäs, Vedran Vonk, Wernfried Mayr-Schmölzer, Stefan Müller, Heshmat Noei, Gregor B. Vonbun-Feldbauer, and Andreas Stierle;; "Heterogeneous Adsorption and Local Ordering of Formate on a Magnetite Surface"; The Journal of Physical Chemistry Letters; 2021
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