Déjalo nevar: los científicos producen copos de nieve metálicos a partir de nanopartículas


Ampliar / Imagen SEM de un copo de nieve a nanoescala que se autoensambla a partir de zinc en un solvente de galio líquido. Es por eso que estamos presentando una serie especial de ‘Doce días antes de Navidad’ nuevamente este año, destacando una historia científica que se perdió en 2022 cada día desde el 25 de diciembre hasta el 5 de enero. Hoy: Científicos en Nueva Zelanda y Australia crearon pequeños copos de nieve metálicos. Científicos de Nueva Zelanda y Australia estaban realizando experimentos a escala atómica con diferentes metales disueltos en solvente de galio líquido cuando notaron algo inusual: diferentes tipos de metales se ensamblaban en diferentes formas de cristal, y el zinc creaba pequeños copos de nieve metálicos. Describieron sus hallazgos en un artículo publicado en la revista Science a principios de este mes. «En contraste con los enfoques de arriba hacia abajo para formar nanoestructuras, cortando material, estos enfoques de abajo hacia arriba se basan en el autoensamblaje de los átomos», dijo el coautor Nicola Gaston de la Universidad de Auckland. «Así es como la naturaleza produce nanopartículas, y es menos derrochador y mucho más preciso que los métodos de arriba hacia abajo. ¡También hay algo genial en crear un copo de nieve metálico!” Los copos de nieve son el ejemplo más conocido de crecimiento de cristales, al menos entre la población en general. Se sabe desde hace mucho tiempo que, bajo ciertas condiciones, el vapor de agua puede condensarse directamente en diminutos cristales de hielo, generalmente con la forma de un prisma hexagonal (dos caras hexagonales de «base» y seis caras rectangulares de «prisma»). Pero este cristal también atrae más gotas de agua fría en el aire. Las ramas brotan de las esquinas de los monocristales, formando copos de nieve de formas cada vez más complejas. Las formas de los copos de nieve y los cristales de nieve han fascinado durante mucho tiempo a científicos como Johannes Kepler, quien se tomó un tiempo libre de su observación de estrellas para publicar un breve artículo titulado «Sobre el copo de nieve de seis puntas» en 1611. Estaba fascinado por el hecho de que los cristales de nieve siempre parecen tener una simetría séxtuple. Unos 20 años más tarde, René Descartes se volvió poético después de observar copos de nieve de 12 lados mucho más raros, «que están tan perfectamente formados en hexágonos, y los seis lados de los cuales son tan rectos, y los seis ángulos tan iguales, que es imposible para el ser humano». seres para imaginar cualquier cosa». para hacerlo tan preciso». Reflexionó sobre cómo pudo haber surgido una forma tan perfectamente simétrica, y finalmente llegó a una descripción razonablemente precisa del ciclo del agua, y agregó que «se vieron obligados a organizarse para que cada uno de los otros seis está rodeado por el mismo plano, siguiendo el orden ordinario de la naturaleza». Micrographia de Robert Hooke, publicada en 1665, contenía algunos bocetos de copos de nieve que observó bajo su microscopio. Pero nadie hizo un estudio verdaderamente sistemático de los cristales de nieve hasta que un físico nuclear japonés llamado Ukichiro Nakaya identificó y catalogó todos los tipos principales de cristales de nieve en la década de 1950. Nakaya fue la primera persona en cultivar cristales de nieve artificial en el laboratorio. En 1954 publicó un libro sobre sus hallazgos: Cristales de nieve: naturales y artificiales. Observe cómo un copo de nieve «crece» hasta convertirse en una intrincada estructura de cristal. Crédito de la foto: Kenneth Libbrecht Observe cómo un copo de nieve ‘crece’ hasta convertirse en una intrincada estructura de cristal. Crédito de la foto: Kenneth Libbrecht Gracias al trabajo pionero de Nakaya, sabemos que ciertas condiciones atmosféricas, como la temperatura y la humedad, pueden afectar la forma de un copo de nieve. Las formas de estrellas se forman a -2 grados centígrados y -15 grados centígrados, mientras que las columnas se forman a -5 grados centígrados y nuevamente a alrededor de -30 grados centígrados. Y cuanto mayor es la humedad, más compleja es la forma. Si la humedad es particularmente alta, pueden incluso formar largas agujas o placas grandes y delgadas. Kenneth Libbrecht, físico de Caltech, ha estado estudiando y fotografiando la formación de copos de nieve durante más de dos décadas. Y al igual que Nakaya, hace sus propios copos de nieve en el laboratorio, transfiriendo cuidadosamente las delicadas estructuras a un portaobjetos de vidrio con un cepillo pequeño y tomando fotografías con una cámara digital montada en un microscopio de alta resolución. A lo largo de los años, ha documentado los muchos tipos de cristales de nieve, culminando en una monografía de 540 páginas que se ha denominado el tour de force de la física de los copos de nieve. Más recientemente, en 2019, Libbrecht desarrolló lo que llamó un modelo «semiempírico» de los procesos atómicos en funcionamiento para explicar por qué hay dos tipos principales de copos de nieve: la icónica estrella plana con seis o 12 puntas y un pilar, a veces pellizcado por tapas planas y, a veces, como un tornillo de una ferretería. Libbrecht quería investigar exactamente qué cambia con los cambios de temperatura. Su modelo involucra un fenómeno llamado difusión molecular impulsada por energía superficial. 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Un cristal delgado y plano (ya sea en forma de placa o de estrella) se forma cuando los bordes absorben el material más rápido que las dos caras del cristal. El floreciente cristal se extiende hacia afuera. Sin embargo, si sus caras crecen más rápido que sus bordes, el cristal crece más alto y forma una aguja, una columna hueca o una varilla. De acuerdo con el modelo de Libbrecht, el vapor de agua primero se asienta en las esquinas del cristal, luego se difunde a través de la superficie hacia el borde o hacia las caras de los extremos del cristal, lo que hace que el cristal crezca hacia afuera o hacia arriba. Cuál de estos procesos gana cuando interactúan diferentes efectos superficiales e inestabilidades depende principalmente de la temperatura.

Agrandar / Ejemplos de copos de nieve de diferentes formas: (a) una placa simple, (b) una placa en estrella, (c) una dendrita en estrella, (d) una columna robusta, (e) varias columnas delgadas y (f) una gorra Columna Kenneth Libbrecht Con este En su trabajo más reciente, Gaston y sus colegas extendieron la analogía del copo de nieve del hielo a los metales. Disolvieron muestras de níquel, cobre, zinc, estaño, platino, bismuto, plata y aluminio en galio, que se licua justo por encima de la temperatura ambiente, lo que lo convierte en un excelente disolvente líquido para los experimentos. Después de que todo se enfrió, se formaron los cristales metálicos, pero el galio permaneció líquido. Pudieron extraer los cristales metálicos al reducir la tensión superficial del solvente de galio, lo que se logró mediante una combinación de modulación electrocapilar y filtración al vacío, y documentaron cuidadosamente las distintas morfologías de cada uno. A continuación, realizaron simulaciones de dinámica molecular para determinar por qué diferentes metales producen cristales de diferentes formas: cubos, varillas, placas hexagonales y, en el caso del zinc, una estructura de copos de nieve. Descubrieron que las interacciones entre la estructura atómica de los metales y el galio líquido son importantes. «Lo que estamos aprendiendo es que la estructura del galio líquido es muy importante», dijo Gaston. «Esto es novedoso porque generalmente pensamos en líquidos que no tienen estructura o que simplemente están estructurados al azar». DOI: Science, 2022. 10.1126/science.abm2731 (Acerca de los DOI). Imagen del listado de Waipapa Taumata Rau/Universidad de Auckland

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