Determinan la posición de todos los átomos de una nanopartícula de FePt

Dibujo20170204 3D determination of atomic coordinates FePt nanoparticle nature21042-f1

Raya lo imposible, pero se ha logrado determinar la posición exacta de todos los 23196 átomos de una nanopartícula de hierro (Fe) y platino (Pt) de solo 8,4 nanómetros. La resolución espacial en la posición 3D de los 6569 átomos de Fe y los 16627 de Pt se estima en 22 picómetros (la décima parte del diámetro de un átomo). Se ha usado la llamada tomografía atómica mediante electrones, que combina la miscroscopía electrónica con modelos por ordenador que ajustan las propiedades magnéticas. La nueva técnica permite entender mejor cómo se forman estas nanopartículas de FePt a partir de pequeños grupos de átomos (granos). En un futuro no muy lejano se espera poder diseñar nanopartículas grano a grano para controlar en detalle su composición y sus propiedades.

La nanopartícula se puede dividir en granos. La aleación FePt tiene una estructura cristalográfica cúbica centrada en las caras (fcc). Pero cada grano puede tener mayor simetría. Según la notación de Strukturbericht, para una aleación AB, la estructura cristalina básica (con la mínima simetría posible) se llama A1. Hay casos más ordenados, como la estructura tetragonal L10, átomos A y B distribuidos en planos alternos, y la estructura cúbica L12, con átomos de A en los centros de las caras y átomos B en los vértices de los cubos. Como muestra la figura, la nanopartícula estudiada está formada por dos grandes granos L12, tres granos pequeños L12, tres granos pequeños L10 y un grano A1 rico en Pt.

El artículo que descifra a escala atómica la estructura interna de esta nanopartícula de FePt es Yongsoo Yang, Chien-Chun Chen, …, Jianwei Miao, “Deciphering chemical order/disorder and material properties at the single-atom level,” Nature 542: 75–79 (02 Feb 2017), doi: 10.1038/nature21042; más información en Michael Farle, “Imaging techniques: Nanoparticle atoms pinpointed,” Nature 542: 35–36 (02 Feb 2017), doi: 10.1038/542035a.

Esta entrada participa en la LXII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog ‘Huele a Química‘ de Pedro Juan Llabrés, aka @hueleaquimica. Esta edición se inició el 16 Ene 2017 y finalizará el 19 Feb 2017. ¡Anímate a participar!

Este espectacular vídeo nos muestra con todo lujo detalles la estructura de la nanopartícula. Las nanopartículas de FePt muestran propiedades magnéticas que dependen de su composición exacta. Para un diámetro inferior a 9 nm, solo el 8% de los átomos se encuentran en la superficie, que son responsables de sus propiedades catalíticas. Sin embargo, sus propiedades magnéticas dependen más del 92% de los átomos que se encuentran en el interior. Por ello es fundamental el desarrollo de técnicas de tomografía 3D basadas en microscopia electrónica que desvelen los detalles internos que oculta la superficie.

Dibujo20170204 Measurements of 3D atomic displacements in the FePt nanoparticle nature21042-sf6

La tomografía atómica mediante electrones (atomic electron tomography) ha sido demostrada solo con una nanopartícula, lo que da una idea de lo costoso de su aplicación práctica. Se han combinado 68 imágenes electrónicas de la nanopartícula con diferentes rotaciones. Las imágenes 2D se han combinado para obtener una reconstrucción 3D usando simulaciones numéricas basadas en la teoría del funcional densidad (DFT).

Dibujo20170204 Local MAEs determined using measured atomic coordinates and species nature21042-f4

La tomografía de la nanopartícula permite explicar sus anisotropías magnetocristalinas (MAE). Por supuesto, la nueva técnica tiene sus limitaciones. A los expertos les gustaría alcanzar una resolución similar a las distancias interatómicas (entre 0,1 y 1 pm, en lugar de los 22 pm alcanzados). Además, la técnica exige que la nanopartícula sea recubierta por una fina capa de carbono ultrapuro que mejora su conductividad y la protege de los daños del haz de electrones; este recubrimiento podría alterar la energía y composición superficial (y su magnetismo). Lo ideal sería trabajar con la nanopartícula desnuda.

Dibujo20170204 fept a1 fcc l10 fcc l12 fcc

En resumen, aún estamos lejos de la tomografía atómica en 7D, que determine la posición 3D de todos los átomos, todos sus momentos magnéticos en 3D y su cambio en el tiempo, todo ello con una resolución espacial subnanométrica y una resolución temporal en los picosegundos. Pero poco a poco se están lograndos hitos que prometen un gran futuro a estas tecnologías.


14 Comentarios

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kehoskehos

Tirando mucho de imaginación y tecnología, asumiendo la cantidad de datos que se deberían analizar, ¿ esto no es un avance hacia el teletransporte?

Pedro Mascarós

El teletransporte es un sueño muy bonito, pero si fuéramos capaces de tal hazaña, se podría hacer algo mucho más impactante, y es un replicador tipo Star trek.
Pensar que un pollo asado, una rama de árbol o una funda del móvil están compuestos de las mismas partículas elementales, nos hace soñar si alguna vez seremos capaces de convertir unas cosas en otras ¿será posible tal cosa?, ¿se podrá hacer con un gasto de energía o tiempo razonable?

PelauPelau

Tengo entendido que por teletransporte podrías obtener una sola réplica (que pasa a ser el único original) porque el protocolo de entrelazamiento forzosamente desintegra al original en el proceso. Puedo estar equivocado, ojo.

Y de todos modos la información del original debería viajar por un canal clásico (como máximo a la velocidad de la luz). A lo que en principio no le veo pegas es usar dicha información para crear in situ incontables réplicas por nano-ensamblaje. Si la vida microscópica puede hacerlo, ¿qué impide imaginar nanobots replica-tutto? :)

Los futuros McDonald’s podrían ser “impresoras 3D” que chupan tierra por un extremo y escupen Big Macs por el otro.
😉

benjaminbenjamin

Profesor francis

Con esta tecnologia o alguna existente, se puede “ver” el funcionamiento a escala atomica del interior in vivo de una celula humana?

o a cuantos años o decadas estamos de eso? o con cual otra tecnologia ?

muchas gracias

LucianoLuciano

Se dice que sería ideal que el kg patrón se definiera como la masa que tiene el número (expresado como un entero exacto) de átomos de un material determinado. Me pregunto si este avance suma a ese propósito y si estamos cada día más cerca de conocer el número de Avogadro hasta la última cifra.

Francisco R. Villatoro

Luciano, en mi opinión no, porque entre 10^25 y 10^5 átomos hay una gran diferencia. Además, para el patrón se requiere un cristal ultrapuro de un solo átomo y el gran logro de este trabajo es diferenciar entre dos átomos diferentes.

YaakoYaako

Genio Francis, como siempre.
Aparece escrito “elecrones” dos veces, es adrede o un typo?
Saludos!

benjaminbenjamin

profesor francis

Con criomicroscopia no se ha visto un virus a nivel atomico? o con el SLAC National Accelerator Laboratory no se ven peliculas de moleculas? Con alguna de estas dos tecnicas o con otras no se podrian ver al menos algunas proteinas interactuando in vivo ?

AthenasAthenas

Mmm a nivel atómico, lo dudo mucho, pero la interacción de proteínas no necesita tanto detalle ya que son grandes, puedes teñir dos proteínas con fluoróforos distintos y ver así posición, traslación, etc. Y dado que crio implica hielo la muestra debería estar congelada y ya no sería in vivo.

Francisco R. Villatoro

Benjamin, en criomicroscopia se suele trabajar a la temperatura del nitrógeno líquido (o inferior); recuerda, 200 grados bajo cero. Hay muchas técnicas de imagen para trabajar in vivo, pero para minimizar la interferencia se requiere una resolución espacial pobre (por debajo de la escala de las proteínas es difícil llegar).

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