Entender e controlar como funciona o processo de difusão em escala atômica é uma questão importante na síntese de materiais. Para nanopartículas, a estabilidade, Tamanho, estrutura, composição, e a ordem atômica depende da posição dentro da partícula, e a difusão afeta todas essas propriedades e é afetada por elas. Uma compreensão mais completa dos mecanismos e efeitos da difusão em nanocristais ajudará a desenvolver métodos de síntese controlada para obter as propriedades particulares; Contudo, métodos convencionais para estudar difusão em sólidos têm limitações.

Dada a necessidade de técnicas de imagem que sejam sensíveis a dinâmicas mais lentas e permitam que o comportamento de difusão em nanocristais individuais seja investigado em escala atômica e em três dimensões (3-D), uma equipe de pesquisadores usou a sensibilidade à tensão da imagem de difração coerente de Bragg (BCDI) para estudar a difusão do ferro em nanocristais de ouro individuais in situ a temperaturas elevadas. Seu trabalho foi publicado recentemente no New Journal of Physics .

Medindo a difusão em sólidos

Métodos diretos para estudar a difusão em sólidos (como perfil mecânico e de pulverização catódica, espectrometria de massa de íons secundários, e análise de microssonda eletrônica) fornecem apenas uma quantidade macroscópica, o coeficiente de difusão. Métodos indiretos (como espectroscopia de nêutrons quasi-elástica e espectroscopia Mössbauer) podem fornecer informações microscópicas sobre o processo de difusão, mas são limitados a um número estreito de isótopos e valores de difusividade relativamente rápidos. Os métodos existentes para estudos de difusão em sólidos também tendem a formar sinais médios em uma série de estruturas, mas em nanocristais a heterogeneidade da amostra é significativa e pode afetar os resultados. A microscopia eletrônica de transmissão (TEM) permite que a difusão seja estudada em nanopartículas individuais, mas está limitado a amostras finas ( <100 nm) e a preparação de amostra necessária pode ser destrutiva.

A capacidade do BCDI de formar imagens em 3-D em nanocristais individuais é extremamente útil e altamente inovador. Esta técnica de desenvolvimento usa raios-X coerentes, o que permite que a cepa dentro de nanocristais individuais seja mapeada em 3-D. Os pesquisadores medem o padrão de difração do cristal, e então usar algoritmos de recuperação de fase iterativa para reconstruir a estrutura 3-D do cristal no espaço real. A densidade de elétrons reconstruída consiste em magnitude (geralmente referida como amplitude) e fase, que correspondem à morfologia e cepa do cristal. A sensibilidade à cepa de BCDI pode ser usada para investigar a difusão de átomos em um nanocristal, já que se espera que a difusão induza distorções de rede mensuráveis.

BCDI de nanopartículas de ouro-ferro

Neste estudo, uma equipe de pesquisadores da University College London, Londres, Laboratório Nacional de Brookhaven nos EUA, Diamond e o Complexo de Pesquisa em Harwell usaram BCDI na linha de luz I07 para investigar o comportamento de difusão 3-D em uma liga de ouro-ferro. Nanopartículas de ouro têm propriedades ópticas interessantes, e sua superfície pode ser ajustada para funções específicas. Sua biocompatibilidade os torna uma escolha óbvia para aplicações médicas. O ferro pode ser usado para introduzir propriedades magnéticas interessantes em nanopartículas, Contudo, é propenso à oxidação e tem alta toxicidade celular em um contexto médico.

As nanopartículas de ouro-ferro oferecem um material com propriedades magnéticas e ópticas que é biocompatível e protegido contra oxidação. Eles têm aplicações médicas potenciais em imagens de ressonância magnética, hipertermia, e distribuição direcionada de drogas.

A equipe mediu o padrão de difração de nanocristais de ouro individuais em função da temperatura e do tempo, antes e depois da deposição de ferro. Eles usaram algoritmos de recuperação de fase para obter reconstruções do espaço real dos nanocristais, observar a liga de ferro com ouro em temperaturas de amostra de 300-500 ° C e desalibragem de ferro de ouro em 600 ° C. Eles descobriram que o volume da região ligada nos nanocristais aumentou com a dosagem de ferro. Seus resultados sugeriram que as amostras alcançaram o equilíbrio de forma relativamente rápida após a deposição de ferro, e a distribuição de fase resultante dentro dos nanocristais de ouro após as deposições de ferro sugere uma contração devido à difusão do ferro.

Este estudo demonstra a utilidade de BCDI para estudar difusão 3-D e comportamento de liga em nanocristais individuais em escala atômica. Ele investigou com sucesso as mudanças na estrutura de nanocristais de ouro individuais como resultado da difusão e da liga com o ferro, em diferentes temperaturas e doses de metal, com resolução de deformação de picômetro.

A autora principal Ana Estandarte acrescenta:"BCDI é uma técnica que pode ser aplicada a uma ampla gama de materiais e sua capacidade de examinar de forma não destrutiva a deformação 3-D em materiais em escala atômica durante processos dinâmicos é poderosa. mudanças nos nanocristais durante a difusão neste estudo, pretendemos aplicar a técnica no futuro para investigar processos em materiais de bateria. "