Cientistas do Berkeley Lab observam nanopartículas amadurecendo em solução em resolução recorde
Por décadas, um processo de livro didático conhecido como “maturação de Ostwald”, nomeado em homenagem ao químico vencedor do Prêmio Nobel Wilhelm Ostwald, guiou o projeto de novos materiais, incluindo nanopartículas – materiais minúsculos tão pequenos que são invisíveis a olho nu.
De acordo com essa teoria, as partículas pequenas se dissolvem e se depositam novamente na superfície das partículas grandes, e as partículas grandes continuam a crescer até que todas as partículas pequenas se dissolvam.
Mas agora, novas imagens de vídeo capturadas por cientistas do Berkeley Lab revelam que o crescimento das nanopartículas é direcionado não pela diferença de tamanho, mas por defeitos.
Os cientistas relataram recentemente suas descobertas na revista Nature Communications.
“Este é um grande marco. Estamos reescrevendo a química dos livros didáticos e é muito empolgante”, disse o autor sênior Haimei Zheng, cientista sênior da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor adjunto de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley.
Para o estudo, os pesquisadores suspenderam uma solução de nanopartículas de sulfeto de cádmio (CdS) com cloreto de cádmio (CdCl2) e cloreto de hidrogênio (HCl) em um suporte de amostra líquido personalizado. Os pesquisadores expuseram a solução com um feixe de elétrons para produzir nanopartículas de núcleo-casca de Cd-CdCl2 (CSNPs) – que se parecem com discos hexagonais planos – onde os átomos de cádmio formam o núcleo e o cloreto de cádmio forma o invólucro.
Usando uma técnica chamada microscopia eletrônica de transmissão de células líquidas de alta resolução (LC-TEM) na Molecular Foundry, os pesquisadores capturaram vídeos LC-TEM em escala atômica em tempo real de CSNPs Cd-CdCl2 amadurecendo em solução.
Em um experimento chave, um vídeo LC-TEM mostra uma pequena nanopartícula de núcleo-shell de Cd-CdCl2 se fundindo com um grande Cd-CdCl2 CSNP para formar um Cd-CdCl2 CSNP maior. No entanto, a direção do crescimento foi guiada não por uma diferença de tamanho, mas por um defeito de rachadura na casca do CSNP inicialmente maior. “A descoberta foi muito inesperada, mas estamos muito felizes com os resultados”, disse Qiubo Zhang, primeiro autor e pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciências dos Materiais.
Os pesquisadores dizem que seu trabalho é o vídeo LC-TEM de maior resolução já registrado. O avanço – monitorando como as nanopartículas amadurecem em solução em tempo real – foi possibilitado por uma “célula líquida” ultrafina feita sob medida que protege uma pequena quantidade de líquido entre duas membranas de filme de carbono em uma grade de cobre. Os pesquisadores observaram a amostra líquida através do ThemIS, um microscópio eletrônico especializado da Molecular Foundry que é capaz de registrar mudanças em escala atômica em líquidos a uma velocidade de 40 a 400 quadros por segundo. O ambiente de alto vácuo do microscópio mantém a amostra líquida intacta.
“Nosso estudo preenche a lacuna para transformações de nanomateriais que não podem ser previstas pela teoria tradicional”. Zheng, que foi pioneiro em LC-TEM no Berkeley Lab em 2009 e é um dos principais especialistas na área. “Espero que nosso trabalho inspire outros a pensar em novas regras para projetar nanomateriais funcionais para novas aplicações.”
Publicado em 04/08/2022 07h40
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