Los rayos de rayos X de alta energía y una configuración experimental inteligente permitieron a los investigadores observar una reacción química a alta presión y alta temperatura para determinar por primera vez qué controla la formación de dos estructuras cristalinas a nanoescala diferentes en el metal cobalto. La técnicapermitió el estudio continuo de nanopartículas de cobalto a medida que crecían desde grupos que incluían decenas de átomos hasta cristales de hasta cinco nanómetros.
La investigación proporciona la prueba de principio de una nueva técnica para estudiar la formación de cristales en tiempo real, con aplicaciones potenciales para otros materiales, incluidas aleaciones y óxidos. Los datos del estudio produjeron "diagramas de fase nanométrica" que muestran las condiciones quecontrolar la estructura de los nanocristales de cobalto a medida que se forman.
La investigación, informó el 13 de noviembre en el Revista de la Sociedad Americana de Química , fue patrocinado por la National Science Foundation y utilizó líneas de rayos X de sincrotrón respaldadas por el Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional Argonne.
"Descubrimos que podíamos controlar la formación de las dos estructuras cristalinas diferentes, y que el factor de ajuste era el pH de la solución", dijo Hailong Chen, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff enInstituto de Tecnología de Georgia. "Ajustar la estructura cristalina nos permitió controlar la funcionalidad y las propiedades de estos materiales. Creemos que esta metodología también podría aplicarse a aleaciones y óxidos".
En el cobalto a granel, la formación de cristales favorece la estructura de paquete cerrado hexagonal HCP porque minimiza la energía para crear una estructura estable. Sin embargo, a nanoescala, el cobalto también forma la fase cúbica centrada en la cara FCCenergía más alta. Eso puede ser estable porque la alta energía superficial de los pequeños nanoclusters afecta la energía cristalina total, dijo Chen.
"Cuando los grupos son pequeños, tenemos más efectos de sintonía, que se controlan por la energía de la superficie del grupo OH menos u otros ligandos", agregó. "Podemos ajustar la concentración del grupo OH menos en la solución para quepodemos ajustar la energía de la superficie y, por lo tanto, la energía general del grupo ".
Chen, trabajando con investigadores de los dos laboratorios nacionales y el Departamento de Ciencia de Materiales de la Universidad de Maryland, Chen y el asistente de investigación graduado Xuetian Ma examinaron las estructuras polimórficas utilizando técnicas de modelado teórico, experimental y computacional.
Experimentalmente, los investigadores redujeron el hidróxido de cobalto en una solución de etilenglicol, usando hidróxido de potasio para variar el pH de la solución. La reacción tiene lugar a alta presión, aproximadamente 1,800 libras por pulgada cuadrada, y a más de 200 gradosCelsius.
En el laboratorio, los investigadores usan un recipiente de contención de acero pesado que les permitía analizar solo los resultados de la reacción. Para seguir cómo tuvo lugar la reacción, tenían que observarla en tiempo real, lo que requería el desarrollo de un recipiente de contención lo suficientemente pequeñopara permitir la transmisión de rayos X mientras se maneja la alta presión y la alta temperatura al mismo tiempo.
El resultado fue un recipiente de reacción hecho de un tubo de cuarzo de alta resistencia de aproximadamente un milímetro de diámetro y aproximadamente dos pulgadas de largo. Después de agregar la solución de hidróxido de cobalto, se hizo girar el tubo para facilitar la reacción química y promediar la X-señal de rayos. Un pequeño calentador aplicó la energía térmica necesaria y un termopar midió la temperatura.
Ma y Chen usaron la configuración durante cuatro viajes separados a las líneas de haz en la Fuente de luz nacional sincrotrón II en Brookhaven, y la Fuente avanzada de fotones en el Laboratorio nacional Argonne. Se proporcionaron rayos X a través de la cámara de reacción a un detector bidimensional proporcionadomonitoreo continuo de la reacción química, que tardó aproximadamente dos horas en completarse.
"Cuando comenzaron a formar un espectro detectable, capturamos el espectro de difracción de rayos X y continuamos observándolo hasta que se formó el cristal de cobalto", explicó Ma. "Pudimos observar paso a paso lo que estaba sucediendo desde la nucleación inicialhasta el final de la reacción "
Los datos obtenidos al variar el pH de la reacción produjeron un diagrama de fase nanométrica que muestra dónde diferentes combinaciones produjeron las dos estructuras.
Los resultados de difracción de rayos X confirmaron las predicciones teóricas y los modelos computacionales realizados por Yifei Mo, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland. Mo y sus colegas Adelaide Nolan y Shuo Zhang utilizaron la teoría funcional de la densidadpara describir cómo se nuclearía el cristal en diferentes condiciones.
El éxito con el cobalto sugiere que la metodología podría usarse para producir diagramas de fase nanométricos para otros materiales, incluidas aleaciones y óxidos más complejos, dijo Chen.
"Nuestro objetivo era construir un modelo y una comprensión sistemática sobre la formación de materiales cristalinos a nanoescala", dijo. "Hasta ahora, los investigadores habían estado confiando en el diseño empírico para controlar el crecimiento de los materiales. Ahora podemos ofrecerun modelo teórico que permita la predicción sistemática de qué tipos de propiedades son posibles en diferentes condiciones "
Como siguiente paso, los investigadores de Georgia Tech planean estudiar aleaciones para mejorar aún más el modelo teórico y el enfoque experimental.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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