Esta ilustración científica del estudio, creada por el Dr. Takamasa Tsukamoto de Tokyo Tech, fue seleccionada como una portada complementaria en el Journal of the American Chemical Society. Crédito: Dr. Takamasa Tsukamoto, Revista de la Sociedad Química Estadounidense, Tecnología de Tokio
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) sintetizan partículas subnanométricas con proporciones controladas con precisión de indio y estaño utilizando plantillas macromoleculares específicas llamadas dendrímeros. A través de un proceso de selección que abarca diferentes proporciones metálicas, descubrieron estados electrónicos inusuales y propiedades ópticas que se originan en la miniaturización del tamaño y la hibridación elemental. Su enfoque podría ser un primer paso en el desarrollo de sub-nanopartículas con funcionalidades y características únicas para aplicaciones electrónicas, magnéticas y catalíticas.
El desarrollo de nanomateriales funcionales ha sido un hito importante en la historia de la ciencia de los materiales. Las nanopartículas con diámetros que van de 5 a 500 nm tienen propiedades sin precedentes, como una alta actividad catalítica, en comparación con sus contrapartes de material a granel. Además, a medida que las partículas se vuelven más pequeñas, los fenómenos cuánticos exóticos se vuelven más prominentes. Esto ha permitido a los científicos producir materiales y dispositivos con características que solo se habían soñado, especialmente en los campos de la electrónica, la catálisis y la óptica.
Crédito: Tecnología de Tokio
Pero, ¿y si nos hacemos más pequeños? Las sub-nanopartículas (SNP) con tamaños de partículas de alrededor de 1 nm ahora se consideran una nueva clase de materiales con propiedades distintas debido al predominio de los efectos cuánticos. El potencial sin explotar de los SNP llamó la atención de los científicos de Tokyo Tech, que actualmente están afrontando los desafíos que surgen en este campo, en su mayoría inexplorado. En un estudio reciente publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense, un equipo de científicos del Laboratorio de Química y Ciencias de la Vida, dirigido por el Dr. Takamasa Tsukamoto, demostró un enfoque novedoso de detección molecular para encontrar SNP prometedores.
Figura 1. Síntesis y cribado de sub-nanopartículas (SNP). Usando dendrímeros como plantillas moleculares para producir diversas disposiciones de iones metálicos, se pueden obtener fácilmente SNP de aproximadamente 1 nm de diámetro con proporciones precisas de indio a estaño. Crédito: Tecnología de Tokio
Como era de esperar, la síntesis de SNP está plagada de dificultades técnicas, más aún para aquellos que contienen múltiples elementos. El Dr. Tsukamoto explica: «Incluso los SNP que contienen solo dos elementos diferentes apenas se han investigado porque la producción de un sistema de escala subnanométrica requiere un control fino de la proporción de composición y el tamaño de partícula con precisión atómica». Sin embargo, este equipo de científicos ya había desarrollado un método novedoso mediante el cual los SNP podían fabricarse a partir de diferentes sales metálicas con un control extremo sobre el número total de átomos y la proporción de cada elemento.
Su enfoque se basa en dendrímeros (ver Figura 1), un tipo de molécula simétrica que se ramifica radialmente hacia afuera como árboles que brotan forman un centro común. Los dendrímeros sirven como plantilla sobre la que se pueden acumular con precisión las sales metálicas en la base de las ramas deseadas. Posteriormente, mediante reducción química y oxidación, los SNP se sintetizan con precisión en el andamio dendrímero. Los científicos utilizaron este método en su estudio más reciente para producir SNP con diversas proporciones de óxidos de indio y estaño y luego exploraron sus propiedades fisicoquímicas.
Figura 2. Estados electrónicos anómalos en SNP. (Izquierda) Imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido de un SNP de óxido In12Sn16. (Derecha) Aparecen estados electrónicos inusuales cuando la proporción de indio a estaño es 3: 4 (es decir, un SNP con 12 átomos de indio y 16 átomos de estaño). Esta relación está marcada con una estrella verde en la figura. Crédito: Tecnología de Tokio
Un hallazgo peculiar fue que los estados electrónicos inusuales y el contenido de oxígeno ocurrieron en una proporción de indio a estaño de 3: 4 (ver Figura 2). Estos resultados fueron inéditos incluso en estudios de nanopartículas con tamaño y composición controlados, y los científicos los atribuyeron a fenómenos físicos exclusivos de la escala subnanométrica. Además, encontraron que las propiedades ópticas de los SNP con esta proporción elemental eran diferentes no solo de las de los SNP con otras proporciones, sino también de las nanopartículas con la misma proporción. Como se muestra en la Figura 3, los SNP con esta relación eran amarillos en lugar de blancos y exhibían fotoluminiscencia verde bajo irradiación ultravioleta.
Figura 3. Diferencias en las propiedades ópticas. Aunque la mayoría de los SNP eran blancos, solo aquellos con una proporción de indio a estaño de 3: 4 tenían un color amarillo pálido y exhibían fotoluminiscencia verde bajo irradiación ultravioleta. Se cree que estas características peculiares son causadas por los efectos concertados de la miniaturización del tamaño y la hibridación elemental. Crédito: Tecnología de Tokio
La exploración de las propiedades de los materiales a una escala subnanométrica probablemente conducirá a su aplicación práctica en la electrónica y los catalizadores de próxima generación. Sin embargo, este estudio es solo el comienzo en el campo de los materiales subnanométricos, como concluye el Dr. Tsukamoto: “Nuestro estudio marca el primer descubrimiento de funciones únicas en los SNP y sus principios subyacentes a través de una búsqueda secuencial. Creemos que nuestros hallazgos servirán como el paso inicial hacia el desarrollo de materiales de tamaño cuántico aún desconocidos «. ¡El mundo subnanométrico te espera!
Referencia: «Exploración de materiales cuánticos mediante la técnica de detección secuencial de heteroatomicidad» por Takamasa Tsukamoto, Akiyoshi Kuzume, Masanari Nagasaka, Tetsuya Kambe y Kimihisa Yamamoto, 8 de septiembre de 2020, Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
DOI: 10.1021 / jacs.0c06653