Autoensamblaje de partículas con bordes rugosos

Poliedros con potencial para nuevos materiales

22.04.2022 - Alemania

En muchos procesos de la naturaleza y la industria, los objetos pequeños forman capas ordenadas en los líquidos sobre superficies sólidas. Los modelos estándar describen los objetos como esferas con superficies homogéneas, pero muchas partículas tienen lados aplanados, por ejemplo, si son de metal. Científicos del INM - Instituto Leibniz de Nuevos Materiales de Saarbrücken y de la Universidad de Sidney han demostrado recientemente que estas partículas poliédricas forman estructuras completamente diferentes a las esféricas. Las propiedades de los materiales resultantes, y potencialmente su reciclabilidad, también son distintas. Los resultados de la cooperación investigadora se han publicado ahora en la prestigiosa revista Advanced Materials.

Imagínese a un maestro albañil enseñando a su aprendiz el arte de construir muros diciendo: "Todos los ladrillos son cuboides idénticos. Si los apilas directamente unos encima de otros, obtendrás un muro perfecto; se ha hecho así durante miles de años desde el antiguo Egipto". Cuando se le pide que construya un muro a partir de un montón de piedras irregulares, el aprendiz coloca las piedras una encima de otra sin más miramientos. Para su sorpresa, el muro que construye tiene una nueva e interesante forma, pero está lejos de ser recto. Sin lados ni bordes paralelos, las piedras no se apilan como los ladrillos. Un muro recto sólo podía obtenerse mediante una disposición muy particular.

Hasta hace poco, las partículas diminutas que se utilizan para fabricar materiales útiles se han tratado del mismo modo que el aprendiz trataba sus piedras. Numerosos modelos y teorías describen las partículas como perfectamente regulares, en este caso, como esferas. Sin embargo, suelen tener lados aplanados, las llamadas facetas, y por tanto no siempre se comportan como simples esferas. Un equipo dirigido por el Dr. Arixin Bo, el Prof. Niels de Jonge y el Prof. Tobias Kraus, del INM - Instituto Leibniz de Nuevos Materiales y de la Universidad del Sarre, ha podido demostrar ahora que estas facetas determinan la forma en que se disponen las partículas. Niels de Jonge explica: "El modelo de partículas esféricas con superficies homogéneas es demasiado simplista. Para comprenderlo mejor, era necesario realizar investigaciones in situ en la nanoescala. Mediante la microscopía electrónica de transmisión de barrido en fase líquida (LP-STEM), investigamos las interacciones que rigen el autoensamblaje de las partículas en el líquido. En el proceso, pudimos identificar varias estructuras geométricas inesperadas. Al principio no las entendíamos. Mediante la modelización realizada en colaboración con un grupo de investigación de la Universidad de Sidney, descubrimos que son las caras planas de las partículas las que determinan la forma de estas estructuras".

Tobias Kraus, jefe del Grupo de Formación de Estructuras del INM, considera que los nuevos conocimientos son una oportunidad para la investigación de materiales. "Podemos producir capas finas a partir de las partículas, por ejemplo, para imprimir componentes electrónicos flexibles. La forma en que las partículas están en contacto entre sí desempeña un papel importante. Probablemente puede fluir más corriente eléctrica a través de una gran área de contacto entre dos facetas aplanadas que a través de esferas que sólo pueden conectarse entre sí a través de un único punto." Estos efectos también pueden desempeñar un papel en el reciclaje, que se basa en la capacidad de separar los componentes de dispositivos complejos. Según Kraus, entender cómo interactúan los componentes individuales es, por tanto, fundamental para diseñar el enfoque de reciclaje: "Las pilas contienen una mezcla de diferentes partículas, por ejemplo. Si hay que separarlas unas de otras al final de su vida útil para fabricar nuevas baterías, es importante saber cómo están conectadas. Tenemos que entender su empaquetamiento para que sea más fácil separarlas".

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Publicación original

Arixin Bo, Yawei Liu, Björn Kuttich, Tobias Kraus, Asaph Widmer-Cooper, Niels de Jonge; Nanoscale Faceting and Ligand Shell Structure Dominate the Self-Assembly of Non-Polar Nanoparticles into Superlattices; Adv. Mater. 2022

https://www.quimica.es/noticias/1175735/autoensamblaje-de-particulas-con-bordes-rugosos.html