Cristalización de níquel a partir de líquido observada en tiempo real a nivel atómico

Cristalización de níquel a partir de líquido observada en tiempo real a nivel atómico


25 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) El uso potencial del níquel en nuevos nanomateriales y como catalizador económico en reacciones químicas al servicio de una variedad de procesos industriales se ha visto obstaculizado por una comprensión limitada de los aspectos fundamentales de la cristalización del metal en un sólido. Sin embargo, los investigadores ahora han podido observar tal cristalización de las dos formas estructurales de níquel a nivel atómico utilizando microscopía electrónica de fase líquida.

Un artículo que describe sus observaciones apareció en la revista. investigación nano («Mecanismos atómicos de nanocristalización de Ni hexagonal compacto revelados por microscopía electrónica de transmisión de células líquidas in situ»). Cristalización de níquel a partir de líquido observada en tiempo real a nivel atómico Sin embargo, los investigadores ahora han podido observar tal cristalización de las dos formas estructurales de níquel a nivel atómico utilizando microscopía electrónica de fase líquida. (© investigación nano)

Los catalizadores, cualquier sustancia que acelera la velocidad de una reacción química, son esenciales para la fabricación de una amplia gama de productos industriales, pero uno de los desafíos de usarlos para una variedad de propósitos, uno de los cuales es la tecnología energética, es que muchos son comercios de metales preciosos. El platino, por ejemplo, que cuesta cientos de dólares la onza, se usa como catalizador para acelerar las reacciones lo suficiente como para aprovechar una variedad de fuentes de combustible limpias.

El níquel, por otro lado, es uno de los metales más abundantes en la corteza terrestre y, como tal, cuesta solo centavos la onza. El níquel también es extremadamente estable en una variedad de entornos. Como resultado, los catalizadores a base de níquel han recibido recientemente una atención de investigación considerable debido a sus diversas aplicaciones catalíticas. Pero los catalizadores que contienen metales nobles aceleran la velocidad de reacción más que el níquel.

Se han desarrollado varias estrategias para mejorar las capacidades catalíticas del níquel y utilizarlo como componente de nuevos nanomateriales, pero para lograr avances aún mayores, los investigadores deben comprender mejor algunos de los aspectos más fundamentales de cómo se forma el níquel y su estructura.

Para realizar tales estudios, examinan los cristales de níquel en su estado más pequeño, al comienzo de su formación (o «nucleación») a partir de un líquido. Estos se denominan nanocristales: cualquier partícula de cristal con al menos un lado que mide menos de 100 nanómetros (una milésima de metro).

Los nanocristales de níquel adoptan dos formas de red cristalina: una estructura cúbica y una hexagonal, denominada «hexagonal-empaquetado cerrado» o hcp. El mecanismo por el cual surgen estas dos estructuras reticulares, el proceso de cristalización, aún se desconoce en gran medida. Para lograr la comprensión profunda deseada del proceso de cristalización, sería necesaria la observación directa en tiempo real de las vías de nucleación de los nanocristales de hcp-níquel a nivel atómico.

Otros investigadores lograron obtener imágenes en tiempo real de las vías de cristalización de los nanocristales de plata y oro utilizando microscopía electrónica de fase líquida, lo que reveló los mecanismos de nucleación de varios pasos de la formación de cristales de estos elementos.

La microscopía electrónica utiliza un haz de electrones para iluminar un objeto de interés, en lugar de fotones como un microscopio normal. Esto se debe a que la longitud de onda de un electrón es mucho más pequeña que la de los fotones que componen la luz visible, lo que hace posible estudiar objetos extremadamente pequeños.

La microscopía electrónica de fase líquida involucra el mismo procedimiento pero permite la observación de muestras en líquido. Debido a que el objetivo es precisamente cómo se forman los cristales sólidos a partir de un líquido, la microscopía electrónica de fase líquida ha sido una herramienta poderosa para observar dicha nucleación y crecimiento de nanocristales.

“En principio, los nanocristales de Ni podrían cristalizar en fases fcc o hcp. Normalmente, la formación de la nueva fase de nanocristales depende de la energía de adsorción del tensioactivo y de la energía superficial de las facetas expuestas. Algunos investigadores habían usado previamente esta técnica para estudiar la formación de la forma estructural cúbica de nanocristales de níquel en una solución de crecimiento homogénea de Ni(II) que contenía complejos de acetato de Ni-amina», dijo Junyu Zhang, coautor de la publicación e investigadores del Centro de Análisis Instrumental de la Universidad de Huaqiao. “Y ahora, en este trabajo, tanto los estudios TEM de celdas líquidas in situ como los cálculos teóricos identificaron las características no clásicas de la cristalización de hcp-Ni en una solución de N,N-dimetilformamida (DMF) a una alta tasa de dosis de haz de electrones.

Los investigadores mezclaron una solución líquida que contenía más níquel del que podía disolverse (una «solución sobresaturada»), por lo que cualquier exceso caería naturalmente como un sólido (en otras palabras, a través de la cristalización). Luego utilizaron el microscopio electrónico de fase líquida para observar la nucleación en tiempo real.

En particular, informaron sobre la visualización directa y en tiempo real de los procesos dinámicos de cristalización mediada por fase amorfa de nanopartículas de Ni-hcp con facetas (10) o hcp-Ni(0001) en una solución homogénea mediante descomposición espinodal, solidificación, y atómico -Cristalización bajo alta tasa de dosis de haz de electrones. También mapearon la evolución de las facetas de los nanocristales de Ni a través del crecimiento capa por capa. Eventualmente, el Ni inestable se disolvió en la solución.

Armados con una comprensión de las etapas fundamentales en la formación de cristales de níquel en su tamaño más pequeño, los investigadores creen que esto podría proporcionar conocimientos únicos para el diseño futuro de catalizadores y sistemas de materiales de níquel hcp.



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