Cómo cambian los materiales en la nanoescala

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Por Earl Boysen, Nancy C. Muir, Desiree Dudley, Christine Peterson

Las nanopartículas son tan pequeñas que contienen desde unos pocos átomos hasta unos pocos miles de átomos, a diferencia de los materiales a granel que pueden contener muchos miles de millones de átomos. Esta diferencia es lo que hace que los nanomateriales se comporten de forma diferente que sus homólogos a granel.

Cómo reaccionan las nanopartículas con otros elementos

Un aspecto de cómo las partículas de tamaño nanométrico actúan de manera diferente es cómo se comportan en las reacciones químicas. Uno de los ejemplos más interesantes de esto es el oro.

El oro se considera un material inerte en el sentido de que no se corroe ni se empaña. Normalmente, el oro sería un material tonto para usar como catalizador de reacciones químicas porque no hace mucho. Sin embargo, descomponer el oro a tamaño nano (aproximadamente 5 nanómetros) y puede actuar como un catalizador que puede hacer cosas como oxidar el monóxido de carbono.

Esta transformación funciona de la siguiente manera. Cuanto más pequeña es la nanopartícula, mayor es la proporción de átomos en la superficie y mayor es la proporción de átomos en las esquinas del cristal.

Mientras que en la forma a granel, cada átomo de oro (excepto el pequeño porcentaje de ellos en la superficie) está rodeado por otros doce átomos de oro; incluso los átomos de oro en la superficie tienen seis átomos de oro adyacentes. En una nanopartícula de oro, un porcentaje mucho mayor de átomos de oro se encuentran en la superficie.

Debido a que el oro forma formas cristalinas, los átomos de oro en las esquinas de los cristales están rodeados de menos átomos de oro que los que se encuentran en la superficie del oro a granel. Los átomos expuestos en las esquinas del cristal son más reactivos que los átomos de oro en forma masiva, lo que permite que las nanopartículas de oro catalicen las reacciones.

Una nanopartícula de oro.

Cómo las nanopartículas cambian de color

Resulta que la capacidad del oro para catalizar las reacciones no es lo único que cambia en la nanoescala. El oro puede cambiar de color dependiendo del tamaño de las partículas de oro.

Una de las características de los metales es que son brillantes porque la luz se refleja en sus superficies. Esta reflectividad tiene que ver con las nubes de electrones en la superficie de los metales. Debido a que los fotones de luz no pueden atravesar estas nubes y por lo tanto no son absorbidos por los electrones ligados a los átomos en los metales, los fotones son reflejados de vuelta a su ojo y usted ve esa cualidad brillante.

En forma de bulto, el oro refleja la luz. En la nanoescala, la nube de electrones en la superficie de una nanopartícula de oro resuena con diferentes longitudes de onda de luz dependiendo de su frecuencia. Dependiendo del tamaño de la nanopartícula, la nube de electrones estará en resonancia con una determinada longitud de onda de luz y absorberá esa longitud de onda.

Una nanopartícula de aproximadamente 90 nm de tamaño absorberá los colores en el extremo rojo y amarillo del espectro de colores, haciendo que la nanopartícula aparezca de color azul-verde. Una partícula de menor tamaño, de unos 30 nm de tamaño, absorbe los azules y verdes, lo que da como resultado una apariencia roja.

Cómo se funden las nanopartículas a temperaturas más bajas

Otra característica que varía a nivel nano es la temperatura a la que se funde un material. En forma de bulto, un material, como el oro, tiene una cierta temperatura de fusión, independientemente de si se está derritiendo un anillo pequeño o un lingote de oro. Sin embargo, cuando se llega a la nanoescala, las temperaturas de fusión comienzan a variar hasta en cientos de grados.

Esta diferencia en la temperatura de fusión se relaciona de nuevo con el número de átomos en la superficie y las esquinas de las nanopartículas de oro. Con un mayor número de átomos expuestos, el calor puede romper el vínculo entre ellos y los átomos circundantes a una temperatura más baja. Cuanto más pequeña es la partícula, menor es su punto de fusión.

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