Nuevo método de análisis de materiales nanoporosos
Un método innovador abre nuevas posibilidades a la ciencia de materiales
Con una sola imagen de microscopio electrónico, investigadores de la Universidad Técnica de Graz pueden determinar el tipo y la posición exacta de los llamados átomos invitados en materiales de alta tecnología. También están más cerca de resolver el misterio del color azul de la aguamarina.
Además de sus componentes principales, las propiedades de los materiales cristalinos y nanoporosos suelen depender de forma crucial de los átomos o iones invitados que se incrustan en los diminutos poros de su estructura reticular. Esto se aplica tanto a los materiales de alta tecnología utilizados en sensores o tecnologías de separación como a los materiales naturales. La piedra preciosa azulada aguamarina, por ejemplo, sería incolora sin estos componentes invitados. Determinar el tipo y la posición de los componentes invitados es difícil, ya que muchos materiales reaccionan de forma sensible a las emisiones de radiación de los microscopios electrónicos. Gracias a un nuevo método desarrollado por un equipo dirigido por Daniel Knez y Ferdinand Hofer en el Instituto de Microscopía Electrónica y Nanoanálisis de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz), esto puede hacerse ahora con menos radiación y, por tanto, es mucho más fácil. "La singularidad de nuestro método radica en que podemos determinar la distribución tridimensional de iones en canales de cristal o nanoporos a partir de una sola imagen de microscopio electrónico", afirma Daniel Knez.
El misterioso color azul de la aguamarina
Los investigadores desarrollaron su método mientras analizaban la piedra preciosa aguamarina. Hasta ahora no se sabía dónde se encontraba exactamente en el cristal el hierro que confiere a la piedra su color azul. Una hipótesis era que algunos átomos de hierro se quedaban atrapados en los poros y creaban el efecto a partir de ahí. Pero ahora se ha refutado. En sus experimentos, los investigadores han establecido sin lugar a dudas que no hay hierro en los poros, sino iones de cesio. Los átomos de hierro que confieren color se encuentran muy cerca de los iones de cesio, pero están integrados en las columnas de la red cristalina.
Una sola imagen con resolución atómica como base
Para sus experimentos, los investigadores registraron la denominada imagen de contraste Z del cristal de aguamarina con resolución atómica utilizando el microscopio ASTEM, un microscopio electrónico de transmisión de barrido. El haz de electrones del microscopio ASTEM se centra en la superficie de la muestra de cristal, penetrando también en los poros del material. Si encuentra iones almacenados allí, aparecen como puntos brillantes en la imagen. En función de la intensidad del contraste con los poros vacíos y las estructuras reticulares vecinas, los investigadores pueden determinar el tipo de iones incrustados y también estimar a qué profundidad se encuentran en los poros. Estos datos se analizaron estadísticamente y se compararon con un gran número de simulaciones de la estructura cristalina para poder estimar los diversos factores que influyen en la señal medida. Los investigadores acaban de publicar sus resultados en la revista Communications Materials.
Un método innovador abre nuevas posibilidades a la ciencia de materiales
Además de para la investigación básica, el nuevo método también es adecuado para el desarrollo específico de nuevos materiales. "Nuestro método puede utilizarse para determinar con precisión la posición de los elementos dopantes, es decir, los aditivos que controlan las funciones específicas, en materiales nanoporosos como las zeolitas o los compuestos de estructura metalorgánica", explica Ferdinand Hofer. Esto facilita la optimización de catalizadores (de un solo átomo) y electrolitos de estado sólido en futuras baterías o el desarrollo de aplicaciones biomédicas para controlar la absorción de fármacos".
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