Los investigadores observan el crecimiento de los nanomateriales en tiempo real
Nuevo récord mundial en la resolución temporal alcanzada mediante GISAXS, una técnica de dispersión sensible a la superficie
Por primera vez, un equipo de científicos ha conseguido captar en tiempo real los primeros milisegundos de la vida de una capa de oro mientras se forma sobre un polímero. El equipo utilizó la fuente de rayos X de alto brillo PETRA III del DESY para observar las primeras etapas del crecimiento de un material híbrido de metal y polímero mientras se aplicaba una película de oro a un soporte de polímero, en un proceso que puede utilizarse en aplicaciones industriales. La investigación del grupo, que se presenta ahora en la revista Nanoscale Horizons, no sólo ofrece nuevos e importantes conocimientos sobre cómo se forman los innovadores nanomateriales híbridos, sino que también establece un nuevo récord mundial en la resolución temporal alcanzada mediante GISAXS, una técnica de dispersión sensible a la superficie.
Mediante la dispersión de la luz de rayos X de PETRA III (procedente de la izquierda), se pudieron detectar los procesos implicados en la formación de un material híbrido metal-polímero en el rango de los submilisegundos. En el fondo, una imagen de dispersión característica
DESY/M. Schwartzkopf
Los materiales de metal-polímero constituyen la base de la moderna electrónica flexible, como los transistores orgánicos de efecto de campo (OFET) o las novedosas pantallas de televisión (OLED). Para fabricar este tipo de materiales compuestos utilizando cantidades más pequeñas de materiales de partida, hacerlos más eficientes energéticamente y poder utilizarlos de forma más flexible, es esencial conocer en detalle el proceso de fabricación.
El equipo que rodea a Matthias Schwartzkopf, del DESY, ha "pulverizado" oro sobre poliestireno en PETRA III en las condiciones típicas de las aplicaciones industriales: disparando un haz de átomos de oro sobre el polímero a una velocidad media de aproximadamente un kilómetro por segundo. Mientras esto ocurría, supervisaron continuamente el proceso en la superficie y por debajo de ella. Para realizar estas mediciones, el equipo adaptó la línea de luz P03, en la que se llevan a cabo experimentos de dispersión de rayos X sensibles a la superficie, para hacerla apta para las observaciones en tiempo real: esto les permitió examinar el crecimiento de la capa de oro sobre el sustrato con una resolución espacial de millonésimas de milímetro y a 2.000 imágenes por segundo, una velocidad nunca antes alcanzada con esta técnica.
"En nuestros experimentos, hemos podido resolver por primera vez los acontecimientos que se producen durante los primeros momentos de la formación de la nanocapa en cuatro dimensiones: las tres espaciales y el tiempo", afirma Schwartzkopf. "Hasta ahora sólo era posible modelizar este tipo de cosas mediante elaboradas simulaciones, algunas de las cuales mantenían ocupados a cientos de procesadores durante varios días". El grupo de investigación ha registrado ahora miles de imágenes de dispersión de rayos X que muestran cómo la mayor parte de los átomos de oro se alojan en la superficie del poliestireno. En particular, durante la primera fase del recubrimiento por pulverización catódica, los investigadores observaron que dos átomos de oro que se habían fusionado para producir el llamado clúster a veces sobresalían del polímero como estructuras en forma de aguja. Sin embargo, los átomos de oro individuales también penetraban profundamente en el sustrato.
Haber observado con éxito este proceso de crecimiento de forma directa supone un primer paso importante hacia una mejor comprensión de la relación entre la estructura y la función de los nanomateriales. En el futuro, los científicos pretenden controlar y optimizar deliberadamente estos procesos para crear nanomateriales más específicos. Su lista de deseos incluye, por ejemplo, una nueva generación de convertidores catalíticos que funcionen inmediatamente después de arrancar un motor en frío; células solares que puedan recoger más luz y funcionar durante más tiempo; o catalizadores y sensores cuya eficacia se optimice a través del tamaño de los grupos de partículas pulverizadas. "Nuestra resolución de microsegundos significa que estamos entrando en un rango de tiempo interesante con el que podemos llegar a comprender los procesos de conmutación electrónica, por ejemplo", dice Schwartzkopf.
Una de las innovaciones técnicas necesarias para llevar a cabo los experimentos fue el detector rápido de rayos X LAMBDA, un producto de la empresa derivada de DESY, X-Spectrum GmbH, que permite detectar desde partículas de luz individuales hasta un intenso haz de rayos X. Además, el grupo desarrolló algunos equipos propios para controlar y analizar los experimentos. En un próximo paso, el equipo quiere optimizar el sistema para que pueda registrar observaciones a más de 4.000 fotogramas por segundo; a largo plazo, incluso planea llegar a 24.000 fotogramas por segundo. "PETRA IV sería ideal para estas investigaciones", afirma Schwartzkopf. "Esta fuente ultrabrillante de rayos X de cuarta generación nos permitiría observar las primeras etapas de crecimiento de una gran cantidad de materiales, como los compuestos de aluminio o de carbono, por ejemplo, y posiblemente ayudaría a hacerlos utilizables en aplicaciones técnicas, algo que sigue siendo extremadamente difícil hoy en día." Actualmente, DESY está planeando convertir su actual instalación PETRA III en PETRA IV, un microscopio de rayos X en 3D único que proporcionará una visión en directo del nanomundo con una resolución 100 veces mayor.
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Publicación original
M. Schwartzkopf, S.-J. Wöhnert, V. Waclawek, N. Carstens, A. Rothkirch, J. Rubeck, M. Gensch, J. Drewes, O. Polonskyi, T. Strunskus, A. M. Hinz, S. J. Schaper, V. Körstgens, P. Müller-Buschbaum, F. Faupel and S. V. Roth; "Real-time insight into nanostructure evolution during the rapid formation of ultra-thin gold layers on polymers"; Nanoscale Horizons, 2021, 6, 132 – 138
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