Muitos grandes avanços tecnológicos recentes na computação, comunicações, energia e biologia dependem de materiais muito pequenos, nanopartículas, com dimensões menores que 1/1, 000º a espessura de uma folha de papel. Contudo, pode ser difícil determinar os melhores nanomateriais para essas aplicações porque observar nanopartículas em ação requer alta resolução espacial em "confuso, "ambientes dinâmicos.

Em um passo recente nessa direção, uma equipe de engenheiros de Stanford deu uma olhada nas nanopartículas de mudança de fase, elucidar como sua forma e cristalinidade - o arranjo dos átomos dentro do cristal - podem ter efeitos dramáticos em seu desempenho.

O trabalho, que é descrito em Materiais da Natureza , tem aplicações imediatas no design de materiais de armazenamento de energia, mas poderia eventualmente encontrar seu caminho para o armazenamento de dados, interruptores eletrônicos e qualquer dispositivo no qual a transformação de fase de um material regula seu desempenho.

Por exemplo, em uma bateria de íon de lítio, a capacidade da bateria de armazenar e liberar energia repetidamente depende da capacidade do eletrodo de sustentar grandes deformações ao longo de vários ciclos de carga e descarga sem degradação. Recentemente, os cientistas melhoraram a eficiência desse processo com o nanodimensionamento dos eletrodos. As nanopartículas permitem um carregamento mais rápido, maior armazenamento de energia e uma vida útil prolongada, mas não se sabe quais são as formas das nanopartículas, tamanhos e cristalinidades produzem o melhor desempenho. Abordar esta questão serviu de inspiração para o presente estudo, "Reconstruindo transformações de fase induzidas por soluto em nanocristais individuais."

Geralmente, é difícil determinar se o comportamento de uma coleção de nanopartículas é o resultado de cada componente individual com desempenho semelhante ou se é a produção média de desempenhos altos e baixos. Jennifer Dionne, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, e seu grupo tem estudado o comportamento de partículas individuais para estabelecer uma ligação mais forte entre estrutura e função que pode direcionar o projeto de materiais de armazenamento de energia de próxima geração.

Neste experimento, O grupo de Dionne examinou como a variação das formas e cristalinidade das nanopartículas de paládio afetava sua capacidade de absorver e liberar átomos de hidrogênio - um análogo a uma bateria de íon-lítio descarregando e carregando. Eles prepararam cúbico, nanopartículas piramidais e icosaédricas e desenvolveram novas técnicas de imagem para olhar dentro das nanopartículas em várias pressões de hidrogênio, determinar onde o hidrogênio estava localizado.

A técnica se baseou em um microscópio eletrônico de transmissão ambiental, permitindo aos engenheiros discernir exatamente como o hidrogênio foi distribuído dentro das nanopartículas e fazer isso com uma resolução incrivelmente alta - abaixo de 2 nanômetros.

"Este instrumento é único em seu tipo e nos permite estudar materiais em seu ambiente de trabalho, "disse Tarun Narayan, co-autor principal do estudo e recém-graduado com doutorado pelo grupo de Dionne.

O microscópio permite a análise de partículas usando várias técnicas diferentes, como imagem direta, difração e espectroscopia.

"Cada técnica oferece informações diferentes que podem ser combinadas para obter uma compreensão multidimensional do sistema, "disse Andrea Baldi, um pós-doutorado co-autor e agora um membro do corpo docente do Instituto Holandês para Pesquisa de Energia Fundamental (DIFFER) na Holanda.

Os pesquisadores descobriram que a estrutura das nanopartículas influencia significativamente o desempenho. As estruturas icosaédricas, por exemplo, mostram capacidade de armazenamento de energia reduzida e absorção de hidrogênio mais gradual do que os cubos e pirâmides cristalinas simples. Mapas de alta resolução das partículas demonstram que o hidrogênio é excluído do centro da partícula, reduzindo assim a capacidade geral de incorporar hidrogênio. A caracterização estrutural mostra que a absorção gradual de hidrogênio ocorre porque diferentes regiões da partícula absorvem hidrogênio em diferentes pressões, ao contrário do que é observado em cristais únicos.

"Não poderíamos ter imaginado fazer observações in situ como esta em nível atômico mesmo alguns anos atrás, e então o que a equipe demonstrou e alcançou é notável no campo de imagem de materiais, "disse o co-autor Robert Sinclair, professor de ciência e engenharia de materiais.

Ai Leen Koh, um cientista da equipe Nano Shared Facilities de Stanford, que também foi um autor do trabalho, disse que "esses resultados mostram como a microscopia eletrônica ambiental in situ pode ser usada para observar nanopartículas individuais expostas ao gás hidrogênio em tempo real."

"Com essa capacidade de perscrutar nanopartículas durante sua operação, podemos ajudar a projetar materiais campeões para dispositivos de armazenamento de energia de próxima geração, "disse Dionne, que também é membro do Stanford Bio-X e do Stanford Neurosciences Institute, e uma afiliada do Stanford Precourt Institute for Energy.