Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía sintetizó una pequeña estructura con un área de superficie alta y descubrió cómo su arquitectura única impulsa los iones a través de las interfaces para transportar energía o información. Su "nanobrush" contiene cerdas hechas de láminas de cristal alternadas coninterfaces alineadas verticalmente y abundantes poros.
"Estos son logros técnicos importantes y pueden resultar útiles para avanzar las tecnologías de energía e información", dijo Ho Nyung Lee de ORNL, quien dirigió el estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza . "Este es un excelente ejemplo de trabajo que solo es factible con la experiencia y las capacidades únicas disponibles en los laboratorios nacionales".
Los investigadores del equipo provienen de los laboratorios nacionales del DOE Oak Ridge y Argonne y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, o MIT, Universidad de Carolina del Sur, Columbia y Universidad de Tennessee, Knoxville.
Las cerdas de su cristal multicapa, o "supercristal", se cultivan de forma independiente sobre un sustrato. El ex becario posdoctoral de ORNL Dongkyu Lee sintetizó los supercristales usando epitaxia láser pulsada para depositar y formar capas alternas de óxido de cerio con estructura de fluorita CeO 2 y óxido de itrio de estructura bixbyita Y 2 O 3 .La realización de las cerdas a nanoescala fue posible gracias al desarrollo de un nuevo enfoque de síntesis de precisión que controla la difusión y agregación de átomos durante el crecimiento de materiales de película delgada.Usando microscopía electrónica de transmisión de exploración, o STEM, el ex becario posdoctoral ORNL Xiang Gao se sorprendió al descubrir interfaces cristalinas atómicamente precisas dentro de las cerdas.
para ver la distribución de CeO 2 e Y 2 O 3 dentro del nanobrush, Jonathan Poplawsky de ORNL midió muestras de las cerdas usando tomografía por sonda atómica, o APT, en el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia de DOE en ORNL. "APT es la única técnica disponible que es capaz"Sondeando las posiciones tridimensionales de los átomos en un material con una resolución subnanométrica y 10 partes por millón de sensibilidad química", dijo Poplawsky. "APT aclara las distribuciones locales de átomos dentro de un objeto de tamaño nanométrico y fue una excelente plataforma para proporcionar información sobrela estructura 3D de la interfaz entre las capas de óxido de cerio y óxido de itrio ".
Para un artículo de 2017, los investigadores liderados por ORNL utilizaron la epitaxia mediante deposición láser pulsada para sintetizar con precisión nanobrushes con cerdas que contienen solo un compuesto. Para el documento de 2020, utilizaron el mismo método para aplicar dos compuestos, CeO 2 e Y 2 O 3 , fabricando las primeras cerdas híbridas con interfaces entre los dos materiales. Tradicionalmente, las interfaces se alinean lateralmente colocando diferentes cristales en capas delgadas, mientras que en los nuevos nanobrushes cuando crecen en una superficie particular, las interfaces se alinean verticalmente a través de la minimización de energía superficial encerdas de solo 10 nanómetros de ancho, aproximadamente 10,000 veces más delgadas que un cabello humano.
"Esta es una forma verdaderamente innovadora de construir nanoarquitecturas cristalinas, proporcionando interfaces verticales sin precedentes que nunca se consideraron viables", dijo Ho Nyung Lee. "No se pueden lograr estas arquitecturas cristalinas perfectas desde ningún otro método de síntesis".
Añadió: "Hay muchas formas de utilizar interfaces, por eso Herbert Kroemer, ganador del Premio Nobel 2000, dijo, 'la interfaz es el dispositivo'". Convencionalmente, depositar capas de materiales de película delgada en sustratos crea interfaces que están alineadas horizontalmente, permitiendo que los iones o electrones se muevan a lo largo del plano 2D del sustrato. El logro dirigido por ORNL es una prueba de concepto de que es posible crear interfaces alineadas verticalmente a través de las cuales los electrones o iones pueden transportarse fuera del plano del sustrato. Además, arquitecturas como lananobrush podría combinarse con otras arquitecturas a nanoescala para crear dispositivos para tecnologías y sensores cuánticos, así como para almacenamiento de energía.
La configuración de baja energía de la estructura de fluorita causó la formación de patrones de chevron únicos, o formas "V" invertidas. Un ligero desajuste entre las diferentes estructuras de las subunidades de cristal de fluorita y bixbyita provoca un desajuste de las cargas electrónicas en sus interfaces, causando oxígenoátomos para desocupar el lado de la fluorita, lo que conduce a la formación de defectos funcionales. Los espacios que quedan pueden formar iones de oxígeno interfaciales y crear un canal a escala atómica a través del cual los iones pueden fluir ". Estamos usando las interfaces no solo paracrea artificialmente iones de oxígeno, pero también para guiar el movimiento de iones de una manera más deliberada ", dijo Lee.
Con la ayuda de Matthew Chisholm de ORNL, Gao utilizó STEM para descubrir la estructura atómica de la espectroscopía de pérdida de energía de cristales y electrones para revelar información química y electrónica sobre la interfaz ". Observamos que una cuarta parte de los átomos de oxígeno se pierden en elinterfaces ", dijo Chisholm." También nos sorprendió el patrón de crecimiento del galón. Al principio era crítico entender realmente cómo se forman las interfaces dentro de las cerdas ".
El nanobrush tiene una alta porosidad, y su arquitectura es ventajosa para aplicaciones que necesitan una gran área de superficie para maximizar las interacciones electrónicas y químicas, como sensores, membranas y electrodos. Pero, ¿cómo podrían los científicos determinar la porosidad de su material? Neutrones:Las partículas neutras que pasan a través de los materiales sin destruirlas, proporcionaron una herramienta excelente para caracterizar la porosidad del material a granel. Los científicos utilizaron los recursos de la fuente de neutrones Spallation, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE en ORNL, para rango Q pequeñodispersión de neutrones en ángulo que determinó que el límite superior de porosidad sea del 49%. "Las cerdas de crecimiento rápido pueden proporcionar aproximadamente 200 veces más área de superficie que una película delgada en 2D", dijo Michael Fitzsimmons, coautor de ORNL.
Añadió: "Lo que aprendemos puede avanzar en las aplicaciones de la ciencia de neutrones en el proceso. Mientras que las películas delgadas no proporcionan suficiente área de superficie para los estudios de espectroscopía de neutrones, la nueva arquitectura de nanobrush de ORNL sí lo hace, y podría ser una plataforma para aprender más sobre materiales interfacialescuando un haz de neutrones aún más brillante esté disponible en la Segunda Estación Objetivo de SNS, que es un proyecto de construcción financiado ".
Los cálculos teóricos del sistema de materiales desde el nivel electrónico y atómico respaldaron los hallazgos sobre la creación de vacantes de oxígeno en las interfaces. El contribuyente del MIT Lixin Sun realizó cálculos de teoría funcional de densidad y simulaciones de dinámica molecular bajo la dirección de Bilge Yildiz.
"Nuestros cálculos teóricos revelaron cómo esta interfaz puede acomodar una química muy diferente en este tipo de interfaz única en comparación con los materiales a granel", dijo Yildiz. Los cálculos del MIT predijeron la energía necesaria para eliminar un átomo de oxígeno neutro para formar una vacante cercana ala interfaz o en el medio de una capa de óxido de cerio. "En particular, encontramos que una gran fracción de iones de oxígeno se elimina en la interfaz sin deteriorar la estructura reticular".
Lee dijo: "De hecho, estas interfaces críticas podrían formarse dentro de las arquitecturas de nanobrush, haciéndolas más prometedoras que las películas delgadas convencionales en muchas aplicaciones tecnológicas. Su área de superficie mucho mayor y un mayor número de interfaces - potencialmente, miles dentro de cada cerda -- puede probar un cambio de juego en futuras tecnologías en las que la interfaz es el dispositivo "
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