Aprender sobre nanopartículas con modelos que puedes tocar

Una profesora de química de Oregón ha desarrollado una forma innovadora de enseñar nanociencia utilizando modelos impresos en 3D que hacen visible lo invisible

Las nanopartículas son superpequeñas, su tamaño puede ser de un nanómetro, o la milmillonésima parte de un metro, y resultan muy interesantes para los científicos de materiales por sus propiedades físicas y químicas únicas. No pueden detectarse a simple vista y para verlas se necesita un microscopio electrónico muy especializado.

De hecho, los avances en las tecnologías de imagen de los años 90 y principios de los 2000 han hecho posible el campo de la nanociencia, afirma Anne Bentley, profesora del Departamento de Química del Lewis & Clark College de Portland (Oregón).

«Creo que gran parte de la química está fuera del ámbito de lo que la gente puede tener en sus manos», afirma. «Puedes obtener pruebas sobre lo que ocurre, pero sigues investigando algo que está a una escala demasiado pequeña para que lo vean tus ojos. Cualquier cosa que puedas hacer para ampliarlo es útil».

Así que Bentley hizo precisamente eso, crear modelos en 3D de las formas geométricas más simples que forman las nanopartículas. Ha publicado las instrucciones para crear estos modelos, ya sea con papel o con material de impresión 3D, como parte de un artículo del que es coautora, publicado en el Journal of Chemical Education, titulado: «A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control».

Un manual para estudiantes de química de materiales

Las nanopartículas presentan diferentes formas geométricas y son cristalinas, es decir, están compuestas por átomos dispuestos en un patrón que se repite en tres dimensiones. Las formas presentan superficies planas, llamadas planos o facetas, similares a los cortes de una piedra preciosa. La disposición de los átomos en estas superficies cristalinas influye en las propiedades especiales del material, explica Bentley.

«Las formas se derivan de la disposición de los átomos», explica. La motivación para crear formas diferentes se reduce realmente a la disposición de los átomos cuando el material se corta de distintas maneras en distintos planos cristalinos».

En el artículo, Bentley se centra en las formas de bajo índice, que describe como las tres formas más sencillas de cortar la estructura.

«Hay muchas formas más complejas de cortarla, pero éstas son las tres fundamentales: seis, ocho o doce lados: cubos, octaedros o dodecaedros rómbicos. Fue una elección natural centrarse en esos tres para el artículo».

Transformar un «revoltijo de números» en formas

«La nanociencia es un tema que se sitúa entre la química y la física en el plan de estudios, pero también entre la investigación de grado y la de posgrado», dice Bentley. «Es importante que los químicos de materiales principiantes tengan un conocimiento fundamental de los planos cristalinos, las facetas y las direcciones de crecimiento. También deben comprender el sistema de notación de tres dígitos utilizado para indexar estos atributos, conocido como índices de Miller. De lo contrario, este sistema puede parecer un misterioso revoltijo de números».

Le pareció importante proporcionar una base de conocimientos en un formato accesible que pudiera ayudar a los educadores a introducirse en este campo tan importante y en crecimiento. Aunque pueden crearse digitalmente estructuras más complejas que los modelos impresos en 3D mediante programas informáticos de simulación, Bentley cree que tiene ventajas poder tener los modelos en las manos.

«Me gustan las cosas que puedo mirar y en las que puedo pensar», afirma, y añade que los modelos en 3D son especialmente útiles para generar una comprensión de este tema clave de la nanociencia.

Cultivo de partículas de oro para convertir el dióxido de carbono

En el laboratorio de Bentley, ella y los estudiantes trabajan manipulando átomos de oro en viales de líquido para controlar las formas de las nanopartículas.

«Hay que crear las condiciones y temperaturas adecuadas, un entorno propicio para el crecimiento de una forma determinada», explica.

Bentley estudia las nanopartículas de oro, que destacan por sus propiedades catalíticas, o capacidad de acelerar reacciones químicas. La forma en que se corta el material expone diferentes patrones de átomos, explica. Investigaciones anteriores han descubierto que una forma concreta de nanopartícula de oro, el dodecaedro rómbico de 12 lados, es más eficaz para convertir el dióxido de carbono en materiales combustibles.

«Es como reciclar», dice Bentley. «Esta forma de nanopartícula no sólo permite a los investigadores eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera, sino convertirlo de nuevo en algún tipo de combustible utilizable. Así que si podemos cultivar partículas que sólo tengan esta faceta, será una verdadera ventaja».

REFERENCIA

A Primer on Lattice Planes, Crystal Facets, and Nanoparticle Shape Control

Foto: Stephen Mercier / Lewis & Clark College