Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional de Seúl ha desarrollado una innovadora tecnología que permite observar en tres dimensiones los cambios estructurales atómicos de las nanopartículas. Este estudio, que resuelve un desafío que incluso laureados con el Premio Nobel no lograron superar, fue publicado en la revista Nature Communications el 29 de enero de 2025.
Las nanopartículas han cobrado una importancia significativa en el desarrollo de materiales funcionales para industrias avanzadas como la energía, el medio ambiente y la medicina. Debido a su tamaño nanométrico, que oscila entre unos pocos nanómetros, presentan propiedades físicas y químicas únicas. Por lo tanto, resulta crucial observar sus cambios estructurales, ya que su reactividad varía considerablemente según su tamaño.
Las técnicas existentes para analizar nanostructuras presentan limitaciones, ya que suelen restringirse a nanopartículas fijas en condiciones de vacío o brindan información promedio de múltiples nanopartículas, lo que limita las observaciones a identificaciones estructurales simples. Por consiguiente, la observación directa de la estructura atómica tridimensional de nanopartículas individuales a lo largo del tiempo en ambientes líquidos ha sido un desafío técnico formidable.
Avances en la Observación de Nanopartículas
A diferencia de las nanopartículas, las estructuras atómicas tridimensionales de las proteínas ya han sido elucidativas. Este avance fue posible gracias a la revolucionaria técnica de criomicroscopía electrónica de transmisión (cryo-TEM), desarrollada por tres científicos que ganaron el Premio Nobel de Química en 2017. Basándose en esta innovación, el equipo de investigación liderado por el profesor Jungwon Park ha desarrollado la técnica de ‘microscopía electrónica de transmisión en líquido (liquid TEM)’, que utiliza grafeno para permitir la visualización tridimensional de nanostructuras en solución.
El equipo ha ido más allá al desarrollar la técnica de tomografía browniana temporal, que permite el seguimiento en tiempo real de los cambios estructurales atómicos tridimensionales en nanopartículas individuales. Este avance abre nuevas vías para comprender mejor los cambios a nivel atómico en nanopartículas durante reacciones químicas complejas. Este trabajo ha sido respaldado por el Programa de Desarrollo de Tecnología Futura de Samsung, que financia investigaciones pioneras para abordar grandes desafíos científicos.
La investigación ha dado lugar a un método para observar nanopartículas en movimiento libre en solución al aprovechar la técnica de microscopía electrónica de transmisión en celda líquida de grafeno. Este método implica capturar nanopartículas que experimentan movimiento browniano desde múltiples ángulos a lo largo del tiempo y reconstruir los datos recopilados en una visualización tridimensional. A diferencia de la microscopía electrónica de transmisión convencional, que examina nanopartículas fijas en condiciones de vacío, esta tecnología es la primera en medir directamente la disposición atómica tridimensional de una sola nanopartícula mientras cambia dinámicamente en un entorno líquido.
El equipo de investigación también realizó un estudio detallado sobre los cambios estructurales de nanopartículas de platino durante el proceso de grabado químico, logrando capturar de manera precisa los momentos en que los átomos de superficie se desprendían, reorganizaban o volvían a unirse en tres dimensiones. Además, se descubrió que cuando los nanocristales se reducían a aproximadamente 1 nm, emergía una fase altamente desordenada, un hallazgo inesperado dado que el platino generalmente exhibe una estructura atómica altamente ordenada.
La técnica de tomografía browniana temporal se considera un avance transformador en la observación de estructuras atómicas, superando a la microscopía electrónica de transmisión y al cryo-TEM. Este avance permite a los investigadores analizar cómo evolucionan las estructuras tridimensionales de los nanomateriales en diversas condiciones químicas, como voltajes aplicados o composiciones de soluciones reactivas.
Los hallazgos del estudio se espera que proporcionen una comprensión más precisa de los cambios estructurales que afectan el rendimiento de los nanomateriales de próxima generación, incluidos metales, semiconductores y óxidos. Además, esta investigación ha logrado observar cambios estructurales en nanopartículas de platino, catalizadores críticos para aplicaciones de energía ecológica del hidrógeno, sentando así las bases para el desarrollo futuro de catalizadores de alto rendimiento.
El profesor Park enfatizó que la técnica de tomografía browniana temporal continúa el legado de la crio-TEM y de la innovación en liquid TEM. Este nuevo método contribuirá significativamente a desentrañar mecanismos de reacción complejos en celdas de combustible de hidrógeno, catalizadores de conversión de CO₂, baterías de iones de litio y otros materiales energéticos avanzados, facilitando el diseño de materiales superiores.
El autor principal del estudio, Sungsu Kang, destacó que su investigación capturó directamente los cambios estructurales a nivel atómico en tiempo real de nanocristales en entornos líquidos, logrando visualizar movimientos atómicos en la superficie y la aparición de nuevas fases únicas para los nanomateriales, fenómenos que eran difíciles de detectar utilizando métodos espectroscópicos o electroquímicos convencionales.
Más información: Sungsu Kang et al, Time-resolved Brownian tomography of single nanocrystals in liquid during oxidative etching, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56476-8
