Átomos mezclados al azar y alineados en filas para una catálisis sostenible
Anuncios
El sistema energético del futuro necesita catalizadores sostenibles que permitan, por ejemplo, producir hidrógeno verde de forma eficiente. Los materiales compuestos por mezclas de cinco elementos químicos son muy prometedores para desarrollar los catalizadores ideales del futuro. Investigadores del Centro de Investigación Especial 1625 de la DFG «Comprensión a escala atómica y diseño de superficies de cristales mixtos multifuncionales con composición química compleja» han logrado hacer crecer estos denominados «cristales mixtos complejos» de forma prácticamente monocristalina sobre una oblea de zafiro y los han estudiado con gran detalle mediante cuatro métodos de microscopía diferentes.
Imagen ilustrativa
AI-generated image
Átomos desde cinco direcciones
Para fabricar cristales mixtos complejos, los investigadores utilizan una instalación de recubrimiento combinatorio (co-sputtering) que proyecta átomos de los cinco elementos de partida seleccionados sobre una oblea desde cinco direcciones. «Allí se depositan de forma aleatoria y forman nanocristales químicamente desordenados con innumerables interfaces», describe el profesor Dr. Alfred Ludwig, de la Universidad del Ruhr de Bochum, portavoz del Centro de Investigación Especial. «Si bien esto resulta muy adecuado para las aplicaciones, al mismo tiempo supone un reto estudiar estos nuevos materiales en el marco de la investigación básica con una resolución que puede llegar hasta el nivel atómico. Sin embargo, esto es importante para su futuro diseño específico».
Para mantener la mezcla de los cinco componentes atómicos, pero aportar más orden estructural a los materiales, el Dr. Satyakam Kar, del grupo de trabajo de Bochum, eligió como base una oblea de monocristal de zafiro recubierta con una capa extremadamente fina de platino como mediador. «De este modo, los átomos que inciden se depositan de tal forma que prolongan la estructura cristalina del sustrato en áreas del orden de los micrómetros», explica Ludwig refiriéndose al denominado crecimiento epitaxial de capas. El resultado es una superficie cristalina muy bien definida, extremadamente lisa, que permite realizar análisis con la máxima resolución.
«Para que esto funcione, el proceso de pulverización catódica debe realizarse a altas temperaturas, entre 400 y 600 grados Celsius; la tasa de átomos entrantes no debe ser ni demasiado alta ni demasiado baja, y debe elegirse la capa intermediaria adecuada entre el sustrato monocristalino y la capa propiamente dicha», explica Satyam Kar, que actualmente trabaja como profesor adjunto en el Instituto Indio de Tecnología de Gandhinagar.
Plataforma experimental bajo microscopios
El equipo de investigación probó el procedimiento con una mezcla de iridio, paladio, platino, rodio y rutenio. Utilizaron las capas así obtenidas como plataforma experimental: mediante análisis microscópicos, pudieron observar que, a pesar del buen orden estructural, los cinco elementos de partida se habían depositado mezclados químicamente de forma muy homogénea. «Lo que también podemos observar es que, durante el crecimiento de la capa, se forman dos orientaciones diferentes, entre las que, a su vez, existen interfaces, pero mucho menos numerosas y mejor definidas que en el caso de los nanocristales», explica Alfred Ludwig. Mediante una minúscula punta de diamante, los investigadores realizaron marcas en la oblea para poder orientarse en posteriores exámenes microscópicos, localizar las distintas zonas y compararlas entre sí. Los análisis nanoelectroquímicos realizados en el grupo de la profesora Corina Andronescu (Universidad de Duisburg-Essen) revelaron que una de las dos orientaciones resultaba electroquímicamente ventajosa.
Otros estudios realizados en el grupo de la profesora Christina Scheu, en el Instituto Max Planck de Materiales Sostenibles, llevaron a la conclusión de que las capas epitaxiales presentan una interesante estructura de defectos. Así, en algunas zonas, los cristales siguen creciendo perfectamente tal y como lo dicta el sustrato de zafiro. Sin embargo, en otros puntos se forman estructuras apiladas que, al microscopio, se reconocen como rayas transversales. «Los próximos trabajos revelarán la importancia que tienen estos defectos para las propiedades deseadas de los catalizadores», afirma Alfred Ludwig.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
