Las nanogotas de metal líquido formadas con una nueva técnica tienen propiedades prometedoras para la catálisis

Se han formado con éxito nanogotas similares a planetas de metal líquido con una nueva técnica desarrollada en la Universidad RMIT, Australia. Al igual que nuestro propio planeta Tierra, las nanogotas presentan una «corteza» externa, un «manto» de metal líquido y un «núcleo» sólido.

El núcleo intermetálico sólido es la clave para lograr una mezcla más homogénea, «bloqueando» la misma cantidad de soluto (es decir, los metales «objetivo») en cada gota de aleación.

El equipo de investigación logró la homogeneidad a través de la disolución completa dentro del medio de metal líquido, posible gracias a la sal fundida a alta temperatura. Su artículo, «Síntesis de nanogotas de metal líquido similares a planetas con propiedades prometedoras para la catálisis», se publicó en Materiales Funcionales Avanzados en julio de 2023.

El descubrimiento crea nuevas oportunidades de investigación en química fundamental de metales líquidos, así como aplicaciones tan diversas como electrónica flexible, materiales de cambio de fase, catalizadores y celdas de combustible, y antimicrobianos a base de plata.

Las nanogotas de metal líquido se separan

Los metales líquidos han surgido como una nueva frontera prometedora de la investigación química en los últimos años, actuando como una nueva interfaz de reacción para solventes y catalizadores.

También pueden actuar como un material funcional que ofrece una alta conductividad, debido a los enlaces metálicos deslocalizados, y un interior suave y fluido.

Con las aplicaciones emergentes de catálisis, detección y nanoelectrónica que se basan en lograr grandes áreas de superficie, la síntesis de nanogotas de metal líquido se ha convertido en un enfoque importante.

Hay muchas combinaciones posibles al realizar aleaciones para aplicaciones específicas, por ejemplo, disolver cobre (el soluto) en galio líquido (el solvente metálico).

Las nanogotas de metal líquido se crean mediante agitación mecánica usando ondas de sonido en un solvente como etanol o agua.

Sin embargo, durante este proceso de «sonicación», las aleaciones de metal líquido han tendido a «desalearse», es decir, a romperse en sus metales constituyentes.

Este es el resultado de métodos anteriores que intentaban disolver los metales a temperaturas relativamente bajas, cerca de la temperatura ambiente. «Así como es posible disolver más azúcar en agua tibia que en agua fría, se puede disolver más cobre en galio más cálido», dice el autor principal Caiden Parker, Ph.D. candidato en RMIT.

A bajas temperaturas, parte del metal soluto se vuelve a formar en partículas sólidas más grandes antes de la disolución completa.

La composición resultante tiene propiedades inconsistentes y no homogéneas, y la composición de las nanogotas individuales varía considerablemente. «En casos extremos, muchas o incluso la mayoría de las nanogotas pueden carecer esencialmente del metal soluto, que termina concentrándose en muy pocas partículas», dice el autor correspondiente, el Dr. Torben Daeneke, también en RMIT.

Esta falta de homogeneidad y la presencia de compuestos intermetálicos plantea considerables dificultades para los investigadores que deseen comprender los mecanismos fundamentales que intervienen en la química de los metales líquidos.

Las altas temperaturas y las sales forman nanogotas homogéneas similares a planetas

En el nuevo estudio, los investigadores de RMIT resolvieron el problema de la aleación calentando significativamente el proceso de síntesis (hasta 400 °C) para garantizar que el metal soluto se disuelva por completo e introduciendo un fluido de suspensión de sales fundidas cuidadosamente seleccionado.

Se seleccionó el acetato de sodio porque permanece estable a altas temperaturas y se puede eliminar fácilmente después.

Las nanogotas resultantes presentan una interesante estructura similar a un planeta que consta de una capa exterior (óxido), un manto líquido (metal) y un núcleo central sólido suspendido (intermetálico).

«Nos llamó la atención de inmediato la similitud de las nanogotas con un planeta similar a la Tierra, con una capa exterior sólida, un manto de metal líquido y un núcleo de metal sólido», dice Caiden.

Ese núcleo sólido es la clave del éxito de la nueva técnica, «bloqueando» la misma cantidad de soluto en cada gota de aleación.

«También nos encantó ver que nuestras nuevas nanogotas parecidas a planetas metálicos estaban en todas partes», continúa Caiden.

El sistema se distribuyó homogéneamente y el rendimiento de producción mejoró significativamente. El análisis del microscopio electrónico de transmisión (TEM) confirmó que la estructura central se observa en casi todas las gotas.

La presencia del núcleo sólido también promueve un uso muy interesante para las nanogotas similares a planetas en reacciones catalíticas, acelerando las reacciones químicas.

Las nanogotas de cobre y galio estudiadas proporcionaron resultados prometedores en la oxidación electrocatalítica de etanol, que podrían aplicarse en celdas de combustible de etanol.

La eliminación del acetato de sodio es importante antes de esta reacción catalítica, ya que la sal se limpia fácilmente en simples baños de agua.

¿Que sigue?

La nueva técnica prometedora abre el uso potencial de nanogotas de área de superficie alta en una amplia gama de aplicaciones futuras, que incluyen, entre otras, electrónica o materiales catalíticos.

La escala física de las nanogotas (es decir, nano en lugar de micro) también ayudará a los estudios fundamentales de la química de los metales líquidos, incluida la investigación de la naturaleza precisa de la formación de enlaces dentro de los metales líquidos, las capacidades de solvatación, la dinámica de cristalización y la química coloidal general que puede ocurren dentro de varios sistemas de metal fundido.

«Las estructuras similares a planetas son como pequeños laboratorios en miniatura, lo que nos permite estudiar cómo se comportan los metales fundidos a nivel atómico», dice Torben.

Si bien el estudio demostró la viabilidad de la nueva técnica utilizando un sistema de cobre y galio, los autores esperan más trabajo para confirmar que la técnica tendrá éxito utilizando otras combinaciones de sistemas de aleaciones de soluto y solvente, comenzando con plata, zinc o bismuto en galio líquido. , estaño o indio.

«Una ventaja clave de los sistemas de metal líquido es la capacidad de ajustar la mezcla de metales para ciertas aplicaciones, dependiendo de las propiedades de los metales constituyentes», dice Caiden.

«Por ejemplo, el cobre es un excelente conductor eléctrico. Cuando combinamos cobre con galio, no solo ahorramos un costo significativo en el consumo de materiales, sino que también abrimos el camino a la electrónica flexible, como la que podría haber visto en las películas de ciencia ficción. »

Potencialmente, el cobre también se puede utilizar por sus propiedades térmicas, con una posible aplicación de nanogotas a base de cobre en sistemas de disipación de calor.

Las aplicaciones de catálisis de nanogotas basadas en la capacidad del cobre para acelerar las reacciones ya se probaron en el nuevo estudio, con un área de sitio activo mejorada además de ahorros en la síntesis de materiales.

Mirando otro metal, la plata ha encontrado aplicaciones basadas en sus propiedades antimicrobianas y, una vez combinada con el galio, podría crear una alternativa más biodisponible.

«Por lo tanto, las aplicaciones potenciales de la nueva tecnología son extremadamente amplias. Cualquier industria que necesite nanomateriales puede utilizar el sistema, y ​​los metales constituyentes varían según la aplicación», dice Torben.