Malvern PANalytical X'pert Pro MPD
Cas d'estudi 1
Autors: Vincent Guillerm, Heng Xu, Jorge Albalad, Inhar Imaz i Daniel Maspoch
Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Espanya
L'objectiu del present treball era la generació postsintètica de mesoporositat en xarxes metal·loorgàniques (MOFs) mitjançant un mètode basat en ozó desenvolupat al grup de Nanoquímica i materials supramoleculars (NANOUP). Es van seleccionar acuradament MOFs de tipus Zr-fcu-MOF de lligands mixtos basats en parelles de lligands orgànics en què un lligand presenta enllaços olefínics tallables per l'ozó i l'altre és resistent a l'ozó. A continuació, es va ser capaç de trencar selectivament el lligand tallable mitjançant ozonòlisi per desencadenar la fusió de microporus en mesoporus dins de l'estructura del MOF. Depenent del lligand tallable emprat, els fragments de lligand resultants es poden eliminar del MOF ozonat bé per rentada o bé per sublimació. En comparació amb els MOFs de partida altament microporosos corresponents, els MOFs producte altament mesoporosos presenten propietats de sorció de gasos radicalment diferents, tot i que la cristal·linitat es conserva totalment, tal com es va demostrar mitjançant tècniques de difracció de pols.
Referència: Vincent Guillerm et al. J. Am. Chem. Soc., 140 (44), pp 15022–15030. 2018
DOI: 10.1021/jacs.8b09682
Malvern PANalytical X'pert Pro MRD
Cas d'estudi 2: Absorció d'aigua en pel·lícules primes de cel·lulosa
Autors: Martin Kreuzer(1) i Monica Lira(2)
(1) ALBA Synchrotron Light Source, 08290 Cerdanyola del Vallès, Barcelona, Espanya
(2) Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Espanya.
El grup de Nanoestructures Fotòniques i Fonòniques (P2N) de l'ICN2 ha demostrat l'absorció d'aigua en pel·lícules primes de cel·lulosa mitjançant reflectometria de raigs X in situ.
La cel·lulosa nanofibril·lada, un polímer que es pot obtenir d'un dels biopolímers més abundants de la natura, és objecte d'una exploració creixent gràcies a les seves propietats excepcionals per a aplicacions en envasos i dispositius. Tanmateix, encara queden reptes oberts en l'enginyeria de les seves propietats intrínseques. Els resultats mostren les variacions en el gruix de la pel·lícules de cel·lulosa durant l'absorció d'aigua a diferent humitat, mesurades in situ mitjançant reflectometria de raigs X (XRR).
Les mesures s'han fet al buit i en un flux de nitrogen humit, utilitzant una cúpula de grafè per al control de l'atmosfera.
En primer lloc, s'ha monitorat una pel·lícula prima de cel·lulosa al buit durant 2 hores, mesurant una corba de reflectivitat completa cada 40 segons. Al cap de 2 hores s'ha aplicat un flux de nitrogen humit i s'han seguit els canvis en la reflectivitat. L'ajust de les dades de reflectivitat de la pel·lícula prima després de 2 hores al buit i de 2 hores sota un flux de nitrogen humit ha revelat un canvi en el gruix de la pel·lícula de 55 a 65 nm.
Cas d'estudi 3: DRX in situ aplicant voltatge en pel·lícules primes de VO2
Autors: Laura Rodriguez (1), José Santiso (1), Jessica Padilla-Pantoja (1), Jose Manuel Caicedo (1), Felip Sandiumenge (2), i Gustau Català (1)(3)
(1) Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Spain.
(2) Institut de Ciència de Materials de Barcelona, ICMAB-CSIC, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Spain
(3) ICREA-Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, Barcelona, Spain.
El diòxid de vanadi (VO2) presenta una transició de fase estructural (SPT) acoblada a una transició metall-aïllant (MIT) prop de la temperatura ambient, al voltant dels 68 °C. Per sota d'aquesta temperatura crítica (Tc), el VO2 s'estabilitza en una fase aïllant de simetria monoclínica (M1), però quan la temperatura augmenta fins a la Tc, el VO2 passa a una fase metàl·lica de simetria rutíl (R).
La deformació estructural té un paper important en el comportament de la SPT-MIT; per tant, és important seguir ambdues transicions simultàniament quan el VO2 es troba, per exemple, en forma de capa prima. Aquí som capaços de realitzar qualsevol caracterització per difracció de raigs X en funció de la temperatura alhora que es registren els canvis elèctrics. A la figura 13 es mostren els resultats d'un dels nostres experiments, en el qual els mapes d'espai recíproc del VO2 es van obtenir a diferents temperatures mentre s'injectava un corrent determinat a la mostra i es mesurava el voltatge.
Cas pràctic 4: Cinètica de deformació química per intercanvi d'oxigen en superfície en pel·lícules epitaxials explorada mitjançant difracció de raigs X resoluda en el temps
Autors: Roberto Moreno, Pablo García, James Zapata, Jaume Roqueta, Julienne Chaigneau, i José Santiso
Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Espanya.
En aquest estudi, la Unitat de Creixement de Nanomaterials va desenvolupar un nou mètode per estudiar la cinètica d'intercanvi d'oxigen en superfície en pel·lícules primes epitaxials (La2NiO4+δ dipositades sobre substrat de SrTiO3 (001)) mitjançant l'anàlisi de les variacions dels paràmetres de cel·la induïdes per canvis en l'estequiometria d'oxigen del material. Aquest òxid en particular, La2NiO4+δ, és un material catalíticament actiu per a la reducció d'oxigen i un candidat prometedor per ser utilitzat com a càtode en la tecnologia SOFC.
El mètode consisteix a analitzar de manera contínua el patró de difracció de raigs X d'una reflexió determinada de la pel·lícula amb un detector lineal ràpid de raigs X en posició estàtica, mentre s'exposa la mostra a canvis sobtats en la pO2 de l'atmosfera a temperatures elevades. En aquest estudi concret, es va seguir l'evolució de la reflexió de la pel·lícula (-1 -1 10) juntament amb la reflexió (-1 -1 3) del SrTiO3 a temperatura elevada constant (600 °C) sota atmosferes de N2 i aire (vegeu la figura).
Aquesta tècnica demostra l'ús d'un sistema convencional de laboratori XRD per a mesures in situ resoltes en el temps de l'expansió química (variacions dels paràmetres de cel·la d'aproximadament 2·10-4 Å) en pel·lícules epitaxials després de variacions en la pO2 a temperatures elevades. Aquesta capacitat fa que la tècnica sigui única per investigar efectes catalítics en multicapes i pel·lícules primes nanocompostes.
Referència: Roberto Moreno et al., Chem. Mater., 25 (18), pp 3640–3647, 2013
DOI: 10.1021/cm401714d
Cas d'estudi 5: Estudi in-operando de l'expansió química i l'intercanvi d'oxigen en superfície en pel·lícules epitaxials de GdBaCo2O5,5 mitjançant difracció de raigs X resolta en el temps
Autors: Arindom Chatterjee, Jose Manuel Caicedo, Belén Ballesteros i José Santiso
Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Espanya.
Els mecanismes d'oxidació i reducció en les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC) han suscitat un interès creixent en els darrers anys amb l'objectiu de desenvolupar una tecnologia avançada en dispositius electroquímics. El present estudi se centra en la determinació dels mecanismes de deformació química i d'intercanvi superficial d'oxigen en un material conductor mixt iònic-electrònic GdBaCo2O5,5 ±δ (GBCO) amb una estructura de perovskita laminar.
En aquest estudi, la Unitat de Creixement de Nanomaterials va desenvolupar un nou mètode per estudiar la cinètica d'intercanvi superficial d'oxigen en pel·lícules primes epitaxials mitjançant l'aplicació d'un camp elèctric entre el material d'elèctrode (GBCO) i un electròlit sòlid (YSZ), tot fent ús de la tècnica de XRD resolta en el temps sense canvis en l'atmosfera de gas pO2.
Els paràmetres de la cel·la estructural del material GBCO (paràmetre de l'eix c) es van monitorar de manera contínua per XRD, mentre que simultàniament s'aplicaven polaritzacions de tensió positiva i negativa (0, ±100, ±200 i ±300 mV) als elèctrodes. Els resultats mostren canvis en els paràmetres de cel·la d'aproximadament 10-4 Å durant els processos d'oxidació i reducció en una pel·lícula prima epitaxial, associats a les taxes d'intercanvi superficial d'oxigen.
Referència: Arindom Chatterjee et al., J. Mater. Chem. A, 6, 12430-12439, 2018
DOI: 10.1039/C8TA02790K
Estudi de cas 6: Canvis de textura en pel·lícules de Cu a alta temperatura
Autors: Elena Xuriguera
Universitat de Barcelona, Dept. de Ciència dels Materials i Química Física, Facultat de Química, 08028- Barcelona (Spain)
El Cu és un substrat interessant per a les pel·lícules primes de superconductors d'alta temperatura (HTS) per al seu baix cost en comparació amb altres substrats metàl·lics, i per la seva baixa resistivitat.
En aquest estudi particular, que és una col·laboració d'Elena Xuriguera de la UB, s'utilitzen diferents pel·lícules de Cu amb una orientació particular a temperatura ambient, en aquest cas l'orientació (111) del Cu. Aquí, les mesures de textura (figures de pol) es van monitorar mentre s'aplicava temperatura des de la temperatura ambient fins als 1.000 °C, en atmosfera de buit. La caracterització per difracció de raigs X evidencia com la pel·lícula de Cu canvia de (111) a (100) fins als 900 °C.
Cas pràctic 7: Comportament d'hidratació de l'òxid de grafè (GO)
Autors: Damià Viana, Steven Walston i José A. Garrido
Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Espanya.
La tecnologia neuroprostètica en medicina té com a objectiu restaurar la funcionalitat del sistema nerviós en casos de degeneració o dany greu, mitjançant el registre o l'estimulació de l'activitat elèctrica del teixit nerviós. Les neuropròtesis disponibles actualment ofereixen una eficàcia clínica modesta, en part a causa de les limitacions dels metalls utilitzats a la interfície elèctrica amb el teixit. Aquests materials comprometen la resolució de la interfície i, per tant, la restauració funcional, el rendiment i l'estabilitat.
El grup de Materials i dispositius electrònics avançats treballa en implants neurals flexibles basats en una pel·lícula prima de grafè porós nanoestructurat i biocompatible que proporciona una interfície neural bidireccional estable i d'alt rendiment.
Les mesures in situ de XRD permeten caracteritzar la pel·lícula prima de grafè sota dues atmosferes diferents (seca i humida) per observar l'evolució de la cel·la en condicions diverses. Els resultats mostren com el pic del grafè oxidat es desplaça cap a angles baixos en aplicar una atmosfera humida, cosa que indica una expansió del paràmetre de cel·la deguda a la hidratació de la pel·lícula prima de grafè.
Cas d'estudi 8: Monitoratge del procés de reducció en òxid de grafè (GO) mitjançant DRX in situ
Autors: Damià Viana, Steven Walston i José A. Garrido
Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Espanya.
A continuació de l'experiment descrit anteriorment, la pel·lícula de grafè nanoestructurada (basada en una pila de flocs d'òxid de grafè reduït) va ser investigada mitjançant XRD in situ. En aquest cas, es va monitorar la distància d'apilament entre flocs mentre la mostra de GO s'estava reduint tèrmicament a 150 °C sota nitrogen humit durant hores. Els resultats evidencien com el pic de GO evoluciona amb el temps cap al pic de la pel·lícula de GO reduït, mostrant una disminució de 8,1 Å a 3,9 Å.
El grup de Materials i dispositius electrònics avançats atribueix aquesta disminució a l'eliminació dels grups d'oxigen del pla basal dels flocs.
