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  • No crescimento de cristal de nanorod, nanopartículas vistas como átomos artificiais

    Estas são imagens coloridas de TEM sequenciais que mostram o crescimento de nanobastões de Pt3Fe ao longo do tempo, exibido em minutos:segundos. Na extrema direita, cadeias sinuosas de nanopartículas se endireitam e se estendem em nanobastões. Crédito:Imagens cortesia de Haimei Zheng

    No crescimento de cristais, As nanopartículas agem como "átomos artificiais" formando blocos de construção do tipo molecular que podem se reunir em estruturas complexas? Esta é a controvérsia de uma teoria importante, mas controversa, para explicar o crescimento dos nanocristais. Um estudo realizado por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab) pode resolver a controvérsia e apontar o caminho para os dispositivos de energia do futuro.

    Liderado por Haimei Zheng, um cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, os pesquisadores usaram uma combinação de microscopia eletrônica de transmissão e técnicas avançadas de manipulação de células líquidas para realizar observações em tempo real do crescimento de nanobastões a partir de nanopartículas de platina e ferro. Suas observações apoiam a teoria das nanopartículas agindo como átomos artificiais durante o crescimento do cristal.

    "Observamos que, à medida que as nanopartículas se ligam, elas inicialmente formam cadeias policristalinas sinuosas, "Zheng diz." Essas cadeias eventualmente se alinham e se ligam ponta a ponta para formar nanofios que se endireitam e se estendem em nanobastões de cristal único com proporções de comprimento para espessura de até 40:1. Este processo de crescimento nanocristal, em que as cadeias de nanopartículas, bem como as nanopartículas, servem como blocos de construção fundamentais para os nanobastões, é inteligente e eficiente. "

    Os pesquisadores do Berkeley Lab no National Center for Electron Microscopy registraram observações em tempo real do crescimento dos nanocristais que apóiam a teoria das nanopartículas agindo como átomos artificiais. Este filme de microscopia eletrônica mostra nanopartículas se ligando para formar cadeias tortuosas que eventualmente se alinham e se ligam ponta a ponta para se tornar nanofios alongados. Crédito:Filme cortesia de Haimei Zheng

    Zheng é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa no jornal Ciência . O artigo é intitulado "Real-Time Imaging of Pt3Fe Nanorod Growth in Solution". Os co-autores são Hong-Gang Liao, Likun Cui e Stephen Whitelam.

    Se o potencial quase ilimitado da nanotecnologia deve ser abordado, os cientistas precisarão de uma compreensão muito melhor de como as nanopartículas podem se reunir em estruturas hierárquicas de organização e complexidade sempre crescentes. Essa compreensão vem do rastreamento das trajetórias de crescimento das nanopartículas e da determinação das forças que orientam essas trajetórias.

    Através do uso de microscopia eletrônica de transmissão e células de observação de líquidos, cientistas do Berkeley Lab e de outros lugares fizeram progressos significativos na observação das trajetórias de crescimento das nanopartículas, incluindo a fixação orientada de nanopartículas - o fenômeno químico que inicia o crescimento de nanocristais em solução. Contudo, essas observações normalmente se limitam aos primeiros minutos de crescimento do cristal. Em seu estudo, Zheng e seus colegas conseguiram estender o tempo de observação de minutos para horas.

    "A chave para estudar o crescimento de nanocristais coloidais com diferentes formas e arquiteturas é manter o líquido na janela de visualização por tempo suficiente para permitir reações completas, "Zheng diz." Dissolvemos precursores moleculares de platina e ferro em um solvente orgânico e usamos pressão capilar para atrair a solução de crescimento para uma célula líquida de nitreto de silício que selamos com epóxi. A vedação da célula foi especialmente importante, pois ajudou a evitar que o líquido se tornasse viscoso com o tempo. Anteriormente, frequentemente veríamos os líquidos se tornarem viscosos e isso impediria que as interações das nanopartículas que impulsionam o crescimento do cristal ocorressem. "

    Zheng e seus colegas optaram por estudar o crescimento de nanobastões de ferro de platina por causa do potencial promissor do material eletrocatalítico para uso em dispositivos de conversão e armazenamento de energia de próxima geração. Eles foram capazes de observar essas nanopartículas se reunirem em cristais de nanorod usando poderosos microscópios eletrônicos de transmissão no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica do Berkeley Lab, incluindo TEAM 0,5 (Microscópio com correção de aberração de elétrons de transmissão), que pode produzir imagens com resolução de meia angstrom - menos do que o diâmetro de um único átomo de hidrogênio.

    "Pelo que observamos, apenas nanopartículas únicas existem no início do crescimento do cristal, mas, conforme o crescimento prossegue, pequenas cadeias de nanopartículas tornam-se dominantes até, em última análise, apenas longas cadeias de nanopartículas podem ser vistas, "Zheng diz." Nossas observações fornecem uma ligação entre o mundo das moléculas individuais e nanoestruturas hierárquicas, pavimentando o caminho para o design racional de nanomateriais com propriedades controladas. "


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