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» » » Resolución atómica de nanopartículas en 3D

Por primera vez, científicos de Empa y ETH Zurich, en colaboración con un equipo holandés, han conseguido medir la estructura atómica de nanopartículas individuales. La técnica, recientemente publicada en la revista Nature, ayudará a entender mejor las propiedades de las nanopartículas.

En términos químicos, las nanopartículas tienen propiedades diferentes de sus «hermanos y hermanas»: tienen una gran superficie en proporción a su pequeña masa, y al mismo tiempo, un pequeño número de átomos. Esto puede producir efectos cuánticos que conducen a unas propiedades alteradas del material. La cerámica hecha de nanomateriales, por ejemplo, puede rápidamente llegar a curvarse, o dorar una pepita de oro y la nanoplata ser de color rojizo.

Las propiedades químicas y físicas de las nanopartículas se determinan por su morfología exacta en tres dimensiones, la estructura atómica y sobre todo, por la composición de su superficie. En el estudio iniciado por Marta Rossell, científica de ETH de Zurich y la investigadora de Empa, Rolf Erni, la estructura 3D de las nanopartículas individuales está bien determinada a nivel atómico. La nueva técnica permite mejorar nuestra comprensión de las características de las nanopartículas, incluyendo su reactividad y toxicidad.

En su estudio microscópico de electrones, publicado recientemente en la revista Nature, Rossell y Erni prepararon nanopartículas de plata en una matriz de aluminio. La matriz facilita la inclinación de las nanopartículas bajo el haz de electrones en diferentes orientaciones cristalográficas protegiendo a su vez a las partículas de daños producidos por el haz de electrones. En prerrequisito básico para el estudio fue conseguir un microscopio electrónico especial que alcanzara una resolución máxima de al menos de 50 picómetros. Por hacer una comparación, el diámetro de un átomo es aproximadamente de 1 angstrom, es decir, 100 picómetros.

Para proteger a la otra muestra, el microscopio electrónico se configuró de tal manera que hiciera las imágenes con resolución atómica a un más bajo voltaje de aceleración, es decir, 80 kilovoltios. Normalmente, este tipo de microscopio, de los que hay sólo unos pocos en el mundo, trabajan de 200 a 300 kilovoltios. Los dos científicos usaron el microscopio del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, en California, para sus experimentos. Y los datos experimentales se complementan con medidas adicionales del microscopio electrónico del Empa.

Basándose en estas imágenes microscópicas, Sandra Van Aert, de la Universidad de Amberes, ha creado modelos que perfilaban las imágenes, permitiendo cuantificarlas: las imágenes ya refinadas, hicieron posible contar los átomos de plata individual a lo largo de las distintas direcciones cristalográficas.

Para reconstruir en tres dimensiones de la disposición atómica de la nanopartícula, Rossell y Erni recurrieron al especialista en tomografías Joost Batenburg, en Amsterdam, que utiliza la información para reconstruir tomográficamente dicha estructura atómica sobre la base de un algoritmo matemático especial. Sólo dos imágenes fueron suficientes para reconstruir la nanopartícula, que consta de 784 átomos. "Hasta ahora, sólo podían ser ilustrados unos vagos contornos de las nanopartículas con muchas imágenes desde diferentes perspectivas", apuntaba Marta Rossell. Las estructuras atómicas sólo podían ser simuladas en el ordenador sin una base experimental.

"Las aplicaciones para este método, tal como la caracterización de nanopartículas de drogas, están ahora sobre la mesa", añadía Rolf Erni. Por ejemplo, el método podrá un día utilizarse para determinar qué configuraciones atómicas se activan en la superficie de las nanopartículas, ya tengan un efecto tóxico o catalítico. Rossell subraya que, en principio, el estudio se puede aplicar a cualquier tipo de nanopartícula.  El requisito previo, sin duda, son los datos experimentales como los que se han obtenido en este estudio.

  • Referencia: PhysOrg.com, 22 de febrero 2011 por Simone Ulmer
  • Fuente: ETH Zurich .
  • Diario de referencia: Van Aert S, Batenburg KJ, Rossell MD, Erni R & Van Tendeloo G: Three-dimensional atomic imaging of crystalline nanoparticles, Nature (2011), doi: 10.1038/nature09741 .
  • Imagen: Por primera vez los científicos ha logrado determinar la disposición espacial exacta de cada átomo en una nanopartícula. Las esferas amarillas son los átomos representados gráficamente que forma la nanopartícula de plata, que alcanza dos nanómetros de diámetro.

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Editor del blog Pedro Donaire

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