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– Los grupos de núcleo y capa allanan el camino para nuevos nanomateriales eficientes que hacen que los catalizadores, sensores magnéticos y láser o dispositivos de medición para detectar la radiación electromagnética sean más eficientes.
Cortesía TU Graz de Christoph Pelzl: Ya sea en materiales innovadores de alta tecnología, chips informáticos más potentes, productos farmacéuticos o en el campo de las energías renovables, las nanopartículas, las porciones más pequeñas de material a granel, forman la base de una amplia gama de nuevos desarrollos tecnológicos.
Debido a las leyes de la mecánica cuántica, estas partículas que miden apenas unas millonésimas de milímetro pueden comportarse de manera completamente diferente en términos de conductividad, óptica o robustez que el mismo material en una escala macroscópica.
Además, las nanopartículas o nanoclusters tienen un área superficial catalíticamente eficaz muy grande en comparación con su volumen. Para muchas aplicaciones, esto permite ahorrar material manteniendo el mismo rendimiento.
Mayor desarrollo de la investigación de alto nivel en Graz en el campo de los nanomateriales
Investigadores del Instituto de Física Experimental (IEP) de la Universidad de Tecnología de Graz han desarrollado un método para ensamblar nanomateriales como se desee. Permiten que gotitas de helio superfluido con una temperatura interna de 0,4 Kelvin (es decir, menos 273 grados Celsius) vuelen a través de una cámara de vacío e introduzcan selectivamente átomos o moléculas individuales en estas gotitas.
“Allí, se agrupan en un nuevo agregado y pueden depositarse en diferentes sustratos”, explica el físico experimental Wolfgang Ernst, de TU Graz. Lleva 25 años trabajando en esta llamada síntesis de gotas de helio, desarrollándose sucesivamente aún más durante este tiempo, y ha estado realizando una investigación continua al más alto nivel internacional, principalmente realizada en el “Cluster Lab 3”, que fue creado específicamente para este propósito en el IEP. .
Refuerzo de las propiedades catalíticas
En Nano Research, Ernst y su equipo ahora informan sobre la formación dirigida de los llamados cúmulos de núcleo y capa utilizando la síntesis de gotas de helio. Los grupos tienen un núcleo de plata de 3 nanómetros y una capa de óxido de zinc de 1,5 nanómetros de espesor.
El óxido de zinc es un semiconductor utilizado, por ejemplo, en detectores de radiación para medir la radiación electromagnética o en fotocatalizadores para descomponer contaminantes orgánicos. Lo especial de la combinación de materiales es que el núcleo de plata proporciona resonancia de plasmón, es decir, absorbe luz y por tanto provoca una gran amplificación del campo de luz.
Esto pone a los electrones en un estado excitado en el óxido de zinc circundante, formando pares de electrones y huecos, pequeñas cantidades de energía que se pueden usar en otros lugares para reacciones químicas, como los procesos de catálisis directamente en la superficie del cúmulo.
“La combinación de las dos propiedades del material aumenta enormemente la eficiencia de los fotocatalizadores. Además, sería concebible utilizar dicho material en la separación de agua para la producción de hidrógeno”, dice Ernst, citando un campo de aplicación.
Nanopartículas para sensores láser y magnéticos
Además de la combinación de óxido de plata y zinc, los investigadores produjeron otros interesantes grupos núcleo-caparazón con un núcleo magnético de los elementos hierro, cobalto o níquel y una capa de oro.
El oro también tiene un efecto plasmónico y también protege el núcleo magnético de la oxidación no deseada. Estos nanoclusters pueden ser influenciados y controlados tanto por láseres como por campos magnéticos externos y son adecuados para tecnologías de sensores, por ejemplo.
Para estas combinaciones de materiales, tanto las medidas de estabilidad dependientes de la temperatura como los cálculos teóricos se realizaron en colaboración con el grupo teórico del IEP dirigido por Andreas Hauser y el equipo de Maria Pilar de Lara Castells (Instituto de Física Fundamental del Consejo Nacional de Investigaciones CSIC español, Madrid) y puede explicar el comportamiento en transiciones de fase, como la formación de aleaciones que se desvían de muestras de material macroscópico.
Los resultados se publicaron en la revista Journal of Physical Chemistry. Ernst espera ahora que los resultados de los experimentos se transfieran rápidamente a nuevos catalizadores “lo antes posible”.
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