Com es comporten partícules molt petites a temperatures molt elevades?

Un expert en nanomaterials de la Universitat de Swansea (Gal·les, Regne Unit) ha estudiat quines petites partícules d'or sobreviuen quan estan sotmeses a temperatures molt elevades.

La investigació és important per al sector de l'enginyeria per algunes aplicacions potencials de la nanotecnologia, per exemple, en catàlisi i aeroespacial, on partícules de dimensions nanomètriques només estan sotmeses a temperatures molt elevades.
L'estudi va mostrar que les nanopartícules d'or de mida (561 àtoms + 14) són notablement robustes davant la difusió i l'agregació, però els seus arranjaments interns atòmics canvien.
Els investigadors van utilitzar una etapa de temperatura variable ultraestable en un microscopi electrònic de transmissió d'escaneig corregit per aberracions per subjectar una gran varietat de nanopartícules d'or seleccionades (o clústers) a temperatures tan altes com ara 500 ºC mentre les imatges tenien resolució atòmica. Les partícules es van dipositar a partir d'una font de nanopartícules sobre primes pel·lícules de nitrur de silici o de carboni. Les dues arquitectures alternatives dels nanocultors d'or contenen 561 àtoms.

Els experiments van demostrar que la unió de les nanopartícules d'or a la superfície, amb defectes puntuals, va demostrar ser suficientment forts per solucionar-los, fins i tot a la part superior del rang de temperatura. Però les estructures atòmiques dels clústers fluctuaven sota el tractament tèrmic, canviant entre dues configuracions principals ("isòmers"): es tractava d'una estructura cúbica centrada a la cara, semblant a una petita peça d'or massiu, i un decaedre amb una simetria prohibida en un cristall estès. Els investigadors fins i tot van poder mesurar la petita diferència d'energia (només 40 meV) entre aquestes dues arquitectures atòmiques diferents.

El professor Richard Palmer, responsable del Laboratori de Nanomaterials del Col·legi d'Enginyers de la Universitat de Swansea, va comentar: "Aquests experiments avançats ens han permès fer una nova mesura per a les nanopartícules dipositades en una superfície: la diferència d'energia entre dos arranjaments atòmics competidors. Les persones que utilitzen ordinadors per calcular les propietats dels nanomaterials estan especialment entusiasmats, una mena de punt de referència si us agrada. I les imatges mostren que les nostres petites nanopartícules són realment unes criatures més dures, que s'adortten bastant bé per les seves aplicacions en futures fabricacions industrials".
La investigació del Swansea Lab se centra en l'augment de la producció de les nanopartícules en deu milions de vegades al nivell de grams i més enllà. Tal com diu el professor Palmer: "Necessitem coses molt petites en un gran nombre per adonar-nos del veritable potencial de la nanotecnologia".

Font: Universitat de Swansea

Com optimitzar amb nanomaterials els càtodes de piles de combustible

Els nanotubs de carboni dopats amb nitrogen o els nanoribbons de grafè modificat poden ser substitucions adequades al platí per a una reducció ràpida de l'oxigen, la reacció clau en les piles de combustible que transformen l'energia química en electricitat, segons investigadors de la Universitat de Rice.

Les troballes són de simulacions per computadora dels científics de la Universitat de Rice que es van proposar com es poden millorar els nanomaterials de carboni per als càtodes de piles de combustible. El seu estudi revela els mecanismes a nivell d'àtom mitjançant els quals els nanomaterials dopats catalitzen reaccions de reducció d'oxigen (ORR).

La investigació apareix a la revista Royal Society of Chemistry Nanoscale
El físic teòric Boris Yakobson i els seus col·legues de la Universitat de Rice, estan entre molts altres, a la recerca d'una forma d'accelerar l'ORR de les piles de combustible, que es van descobrir al segle XIX, però que no es van utilitzar fins a la darrera part del XX. Des de llavors han alimentat els modes de transport que van des d'automòbils i autobusos fins a naus espacials.
Els investigadors de Rice, incloent l'autor principal i l'antic associat postdoctoral Xiaolong Zou i l'estudiant de postgrau Luqing Wang, van utilitzar simulacions informàtiques per descobrir per què els nanoribbons de grafè i els nanotubs de carboni modificats amb nitrogen i / o bor, llargament estudiats com a substitut del caríssim platí, són tan lents i com es poden millorar.

El dopatge o modificació química, els nanotubs conductors o els nanoribbons canvien les seves característiques d'unió química. Poden ser utilitzats com a càtodes en piles de combustible de membrana d'intercanvi de protons. En una pila de combustible senzilla, els ànodes extreuen combustible d'hidrogen i el separen en protons i electrons. Mentre els electrons negatius es despleguen com a corrent utilitzable, els protons positius es dibuixen cap al càtode, on es recombinen amb els electrons i l'oxigen per produir aigua.
Els models van mostrar que els nanotubs de carboni més prims amb una concentració relativament alta de nitrogen funcionarien millor, ja que els àtoms d'oxigen es connecten fàcilment amb l'àtom de carboni més proper al nitrogen. Els nanotubs tenen un avantatge sobre els nanoribbons a causa de la seva curvatura, que distorsiona els enllaços químics al voltant de la seva circumferència i condueix a una unió més fàcil, segons van trobar els investigadors.

No és complicat fer un catalitzador que no sigui massa fort ni massa feble ja que es vincula amb l'oxigen. La corba del nanotub modifica l'energia vinculant dels nanotubs, segons els investigadors, que van determinar que els nanotubs ultratils amb un radi entre 7 i 10 angstroms serien ideals. (Un angstrom és una deu mil milions d'un metre, per a la comparació, un àtom típic té aproximadament 1 angstrom de diàmetre).

També van demostrar que els nanoribbons de grafè co-dopat amb nitrogen i el boró, milloren les capacitats d'absorció d'oxigen de les cintes amb vores en zig-zag. En aquest cas, l'oxigen troba una oportunitat de doble enllaç. En primer lloc, s'adhereixen directament als llocs dopats amb càrrega positiva. En segon lloc, estan dibuixats per àtoms de carboni amb càrrega d'espín elevada, que interactúa amb els orbitals electrònics polaritzats per spins d'oxigen. Tot i que l'efecte spin millora l'adsorció, l'energia d'enquadernació continua sent feble, a més d'aconseguir un equilibri que permeti un bon rendiment catalític.
Els investigadors van mostrar els mateixos principis catalítics, però amb menys efecte, per nanoribbons.

Font: Universitat de Rice