Department Of Science & Technology

Científicos han desvelado el misterio detrás de la formación de cuentas de óxido de estaño (SnO) mesoporosas, un material avanzado ampliamente utilizado en aplicaciones de detección y energía. Este avance podría permitir controlar el tamaño, la forma y otros parámetros de las partículas, lo cual es crucial para mejorar el rendimiento en sensores de gas, baterías de iones de litio y células solares avanzadas.

Las cuentas de SnO₂ mesoporosas son valoradas por su alta superficie y porosidad ajustable, sin embargo, el mecanismo detallado de su formación ha permanecido poco claro. Modelos anteriores sugerían que las nanopartículas cristalinas se forman durante la etapa solvotérmica y posteriormente se ensamblan en cuentas.

Un equipo de investigadores del International Advanced Research Centre for Powder Metallurgy and New Materials (ARCI), Hyderabad, un instituto autónomo del Departamento de Ciencia y Tecnología (DST), ha resuelto esta ambigüedad científica y ha proporcionado un modelo definitivo para su formación.

Han demostrado que las cuentas preparadas son, de hecho, amorfas. Consisten en una red orgánica rica en estaño con heterogeneidades a nanoescala de aproximadamente 1.2 a 1.4 nanómetros. Las partículas primarias de SnO₂ cristalinas no se forman durante el proceso solvotérmico, que se lleva a cabo a temperaturas de 140 a 180 grados Celsius. En cambio, la cristalización comienza solo durante la calcinación a 400 grados Celsius y superiores.

Durante la calcinación, la polivinilpirrolidona se descompone, generando vacíos interconectados que evolucionan hacia la arquitectura mesoporosa. La cristalización y la formación de poros ocurren simultáneamente. El crecimiento sigue el mecanismo clásico de maduración de Ostwald, en el que las partículas más grandes crecen a expensas de las más pequeñas para reducir la energía superficial. Un exponente de endurecimiento de alrededor de 0.3 confirma que el proceso está gobernado por la difusión volumétrica.

El análisis de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), una técnica avanzada de caracterización para medir las nano características del material, proporcionó información estructural promediada a granel sobre volúmenes de muestra varios órdenes de magnitud mayores que los accesibles mediante TEM convencional. Esto permitió la identificación precisa de heterogeneidades a nanoescala dentro de las cuentas amorfas y estableció una conexión directa entre la evolución microestructural y el comportamiento de cristalización.

La comprensión mecanicista obtenida de este estudio permite ajustar con precisión los parámetros de síntesis para controlar el tamaño de partícula, la porosidad y la cristalinidad, lo cual es fundamental para mejorar la efectividad de las partículas en sus aplicaciones.

Esta investigación, publicada en el Indian Journal of Physics, posiciona al SnO₂ como un sistema de referencia para comprender otros óxidos metálicos mesoporosos como TiO₂, ZnO y Fe₂O₃.

Los hallazgos fortalecen el liderazgo de ARCI en la investigación de materiales avanzados y abren nuevas vías para la ingeniería de materiales de alto rendimiento para tecnologías de energía, medio ambiente y detección.

Enlace a la publicación: https://doi.org/10.1007/s12648-024-03419-6

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Astrónomos han revelado un intrigante secreto detrás del velo polvoriento de una joven estrella llamada T Chamaeleontis, que está formando planetas a unos 350 años luz de la Tierra. El colapso parcial de su pared interna circumestelar podría reescribir nuestra comprensión de cómo evolucionan los sistemas planetarios.

T Chamaeleontis (T. Cha) es una estrella extraordinaria rodeada por un disco protoplanetario que presenta una amplia brecha, probablemente excavada por un planeta recién nacido. Normalmente, las densas regiones internas de estos discos actúan como una pared protectora que bloquea gran parte de la luz ultravioleta de la estrella, dificultando la detección de Hidrocarburos Policíclicos Aromáticos (PAH), moléculas planas con forma de panal (anillos de benceno) compuestas de carbono e hidrógeno, consideradas precursores tempranos de la química de la vida, especialmente alrededor de estrellas de baja masa similares al Sol.

Si bien estas moléculas son comunes en las nubes interestelares, su detección en los discos de estrellas de baja masa similares al Sol ha sido un desafío debido a la baja cantidad de luz ultravioleta que producen.

Fig 1: Panel superior: El espectro infrarrojo medio (MIR) de T Cha observado por JWST (rojo) en 2022 junto con el observado por Spitzer (rojo) en 2002, mostrando que la pendiente del espectro cambió debido al colapso de la pared interna del disco estelar. Panel inferior: los datos MIR con el continuo restado de JWST y Spitzer que muestran las diversas bandas de emisión espectral de las moléculas PAH. Las señales de PAH son mucho más fuertes en 2022, pero las intensidades relativas de las características se han mantenido casi iguales, lo que evidencia que las moléculas en sí mismas han permanecido estables con el tiempo.

Científicos del Instituto de Astrofísica de la India (IIA), un instituto autónomo del Departamento de Ciencia y Tecnología (DST), utilizaron datos espectroscópicos de archivo del Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA para estudiar los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) en el espectro de esta estrella.

El telescopio JWST, de ultra sensibilidad, capturó casi por accidente el momento en 2022 en que ese velo se hizo más delgado, y una química ancestral se encendió en el espacio. El material del disco de la estrella se precipitó repentinamente sobre la estrella en una explosión de acreción, adelgazando o colapsando parcialmente esa pared interna. A medida que esto sucedía, la radiación ultravioleta fluyó repentinamente hacia afuera, iluminando partes del disco que antes estaban en la sombra. Esto ayudó a arrojar luz sobre la supervivencia y la variación de las moléculas de hidrocarburos complejos en el disco protoplanetario alrededor de una joven estrella similar al Sol.

Se sabe que T Cha alberga una brecha en su disco circumestelar que rodea a la estrella central, y se cree que este disco es causado por un protoplaneta emergente.

Esta brecha convierte al sistema en un objetivo clave para estudiar cómo los planetas jóvenes interactúan con sus discos natales y dan forma a su entorno durante las primeras etapas de la formación planetaria.

Las moléculas PAH absorben fotones ultravioleta de la estrella central y producen amplias bandas de emisión en el infrarrojo medio de 5 a 15 micras.

«El MIRI de JWST ahora las ha revelado claramente en T Cha y esta es una de las estrellas de menor masa con detección de PAH en su disco circumestelar», dijo Arun Roy, investigador postdoctoral en IIA.

Lo que hace que este hallazgo, publicado en el Astronomical Journal, sea extraordinario es el papel de un cambio dramático en el disco circumestelar de la estrella durante su colapso debido a un evento de alta acreción.

T Cha fue observada por JWST en 2022, cuando la pared interna se había colapsado parcialmente, permitiendo que los fotones ultravioleta inundaran el disco exterior.

Fig 2: Una ilustración artística de los espejos del JWST junto con la estructura molecular de PAH (créditos: JWST)

«Esta repentina iluminación excitó los PAH en el disco, haciéndolos brillar intensamente en los detectores de JWST. Fue como levantar un telón, revelando una química que había estado oculta durante años», afirma Arun Roy.

Cuando Roy reexaminó datos de archivo del Telescopio Espacial Spitzer, encontró firmas de PAH débiles pero definitivas incluso entonces, lo que convierte esta en la primera detección confirmada de tales moléculas en el espectro de Spitzer de T Cha. La comparación de los datos de JWCT con los datos de archivo mostró que, si bien los PAH se volvieron más brillantes con JWST, sus propiedades intrínsecas, como la carga y el tamaño, permanecieron sin cambios durante las dos décadas, según se observa en las intensidades relativas de las diversas bandas de PAH.

El estudio informa que la población de PAH en T Cha son moléculas más pequeñas con menos de 30 átomos de carbono en su estructura.

«Con JWST aún en su apogeo, ahora podemos volver a visitar el disco de T Cha en múltiples ocasiones, midiendo cómo evolucionan los PAH con el disco a lo largo del tiempo», señaló Roy.

Enlace a la publicación: 10.3847/1538-3881/adf637

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