Una diversidad asombrosa: Las nanopartículas semiconductoras forman numerosas estructuras
Un estudio con rayos X revela cómo se autoorganizan las partículas de sulfuro de plomo en tiempo real
La estructura que adoptan las nanopartículas de sulfuro de plomo cambia con sorprendente frecuencia cuando se ensamblan para formar superredes ordenadas. Así lo revela un estudio experimental que se ha llevado a cabo en la fuente de rayos X PETRA III del DESY. Un equipo dirigido por los científicos del DESY Irina Lokteva y Felix Lehmkühler, del grupo de Dispersión Coherente de Rayos X dirigido por Gerhard Grübel, ha observado la autoorganización de estas nanopartículas semiconductoras en tiempo real. Los resultados se han publicado en la revista Chemistry of Materials. El estudio ayuda a comprender mejor el autoensamblaje de las nanopartículas, que puede dar lugar a estructuras muy diferentes.
Las nanopartículas de sulfuro de plomo, que tienen un tamaño de unos ocho nanómetros (millonésimas de milímetro), se disponen inicialmente en una capa con simetría hexagonal.
University of Hamburg, Stefan Werner
Entre otras cosas, las nanopartículas de sulfuro de plomo se utilizan en células fotovoltaicas, diodos emisores de luz y otros dispositivos electrónicos. En el estudio, el equipo investigó el modo en que las partículas se autoorganizan para formar una película altamente ordenada. Para ello, colocaron una gota de líquido (25 millonésimas de litro) que contenía las nanopartículas dentro de una pequeña celda y dejaron que el disolvente se evaporara lentamente en el transcurso de dos horas. A continuación, los científicos utilizaron un haz de rayos X en la línea de luz P10 para observar en tiempo real qué estructura formaban las partículas durante el ensamblaje.
Para su sorpresa, la estructura adoptada por las partículas cambió varias veces durante el proceso. "Primero vemos que las nanopartículas forman una simetría hexagonal, lo que lleva a un sólido de nanopartículas que tiene una estructura reticular hexagonal", informa Lokteva. "Pero luego la superred cambia de repente y muestra una simetría cúbica. A medida que se va secando, la estructura realiza dos transiciones más, convirtiéndose en una superred con simetría tetragonal y, finalmente, en una con una simetría cúbica diferente". Esta secuencia nunca se había revelado con tanto detalle.
El equipo sugiere que la estructura hexagonal (hexagonal close-packed, HCP) persiste mientras la superficie de las partículas esté hinchada por el disolvente. Una vez que la película se seca un poco, su estructura interna cambia a una simetría cúbica (body-centred cubic, BCC). Sin embargo, todavía quedan residuos del disolvente entre las nanopartículas individuales dentro de la película. Al evaporarse, la estructura cambia dos veces más (tetragonal centrada en el cuerpo BCT y cúbica centrada en la cara FCC).
La estructura final de la película depende de varios factores, como explica Lokteva. Entre ellos, el tipo de disolvente y la rapidez con la que se evapora, el tamaño y la concentración de las nanopartículas, pero también la naturaleza de los llamados ligandos que rodean las partículas y su densidad. Los científicos utilizan el término ligando para describir ciertas moléculas que se unen a la superficie de las nanopartículas y evitan su aglomeración. En el estudio, el equipo utilizó el ácido oleico para este fin; sus moléculas cubren las partículas, de forma parecida a la cera que impide que los ositos de goma se peguen entre sí en una bolsa. Este es un proceso bien establecido en la nanotecnología.
"Nuestra investigación indica que la estructura final de la superred depende también de si las nanopartículas individuales están rodeadas por muchas o pocas moléculas de ácido oleico", informa Lokteva. "En un estudio anterior, obtuvimos películas con una estructura cristalina BCC/BCT cuando la densidad del ligando era alta. En este caso, nos fijamos específicamente en las nanopartículas con una baja densidad de ligando, y esto nos llevó a una estructura FCC. Por lo tanto, cuando se utilizan nanopartículas, hay que determinar la densidad del ligando, lo que no es una práctica habitual en la actualidad", explica el científico del DESY.
Estas observaciones también son importantes cuando se trata de otros materiales, señala el equipo. "El sulfuro de plomo es un interesante sistema modelo que nos ayuda a comprender mejor los mecanismos generales por los que se autoensamblan las nanopartículas", explica Lokteva. "La naturaleza puede proporcionar nanoestructuras con diversas propiedades interesantes a través del fenómeno del autoensamblaje, y ahora tenemos las herramientas para mirar por encima del hombro de la naturaleza mientras construye estas estructuras".
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