Reproducen en 3D nanopartículas con resolución atómica

Por primera vez, científicos del centro investigador Empa/ETH de Zurich, en colaboración con un equipo holandés, han consiguido medir la estructura atómica de nanopartículas individuales. La técnica, publicada en 'Nature', podría ayudar a entender mejor las propiedades de las nanopartículas.

 En términos químicos, las nanopartículas tienen propiedades diferentes de sus 'hermanos y hermanas mayores': tienen una gran superficie en relación a su masa pequeña y al mismo tiempo, un número pequeño de átomos. Esto puede producir efectos cuánticos que conducen a las propiedades del material alterado. Cerámica hecha nanomateriales pronto puede llegar a ser una realidad, por ejemplo.

Las propiedades químicas y físicas de las nanopartículas se determinan por su morfología exacta en tres dimensiones, por su estructura atómica y sobre todo la composición de la superficie. En un estudio iniciado por la científica del ETH Marta Rossell y del científico del Empa Rolf Erni, la estructura en 3D de nanopartículas individuales ha sido determinada con éxito en el nivel atómico. La nueva técnica podría ayudar a mejorar nuestra comprensión de las características de las nanopartículas, incluyendo su reactividad y toxicidad.

Para su estudio microscópico de electrones, Rossell y prepararon nanopartículas de plata en una matriz de aluminio. La matriz facilita la inclinación de las nanopartículas en el haz de electrones en diferentes orientaciones cristalográficas protegiendo al mismo tiempo las partículas de los daños causados por el haz de electrones. El requisito básico para el estudio fue un microscopio electrónico especial que alcanza una resolución máxima de menos de 50 picómetros.

Para proteger a la otra muestra, el microscopio electrónico fue emplazado de tal manera que lograse también imágenes con una resolución atómica con un voltaje más bajo de aceleración, es decir, 80 kilovoltios. Normalmente, este tipo de microscopio - de los cuales sólo hay unos pocos en el mundo - trabaja en 200 a 300 kilovoltios.

Los dos científicos usaron un microscopio en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California para sus experimentos. Los datos experimentales se complementan con medidas adicionales al microscopio electrónico realizado en Empa.

Sobre la base de estas imágenes microscópicas, Sandra Van Aert, de la Universidad de Amberes, creó modelos parta afilar las imágenes para cuantificarlas: las imágenes refinadashan hecho posible contar los átomos de plata individuales a lo largo de diferentes direcciones cristalográficas.

Para la reconstrucción tridimensional de la disposición atómica en una nanopartícula, Rossell y Erni finalmente recurrieron a la ayuda de la especialista en tomografía Joost Batenburg, de Amsterdam, que utilizó los datos para reconstruir tomográficamente la estructura atómica de las nanopartículas sobre la base de un algoritmo matemático especial. Sólo dos imágenes fueron suficientes para reconstruir la nanopartícula, que consiste de 784 átomos.

"Hasta ahora, sólo los esbozos de las nanopartículas podrían ser ilustrados con muchas imágenes desde diferentes perspectivas", dice Marta Rossell. La estructura atómica, por el contrario, sólo podía ser simulada en el ordenador sin una base experimental.