Malvern PANalytical X'pert Pro MPD
Caso de estudio 1
Autores: Vincent Guillerm, Heng Xu, Jorge Albalad, Inhar Imaz y Daniel Maspoch
Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, España
El objetivo del presente trabajo fue la generación postsintética de mesoporosidad en redes metalorgánicas (MOFs) mediante un método basado en ozono desarrollado en el grupo de Nanoquímica y materiales supramoleculares (NANOUP). Se seleccionaron cuidadosamente Zr-fcu-MOFs de ligando mixto basadas en pares de ligandos orgánicos en los que uno de ellos presenta enlaces olefínicos escindibles por ozono y el otro es resistente al ozono. A continuación, fue posible romper selectivamente el ligando escindible mediante ozonólisis para desencadenar la fusión de microporos en mesoporos dentro de la red MOF. En función del ligando escindible utilizado, los fragmentos de ligando resultantes pueden eliminarse del MOF ozonado mediante lavado o sublimación. En comparación con las MOFs de partida, altamente microporosas, las MOFs producto, altamente mesoporosas, presentan propiedades de sorción de gases radicalmente distintas, aunque la cristalinidad se conserva íntegramente, tal como se demostró mediante técnicas de difracción de polvo.
Referencia: 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
Caso práctico 2: Absorción de agua en películas delgadas de celulosa
Autores: Martin Kreuzer(1) y Monica Lira(2)
(1) ALBA Synchrotron Light Source, 08290 Cerdanyola del Vallès, Barcelona, España
(2) Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, España.
El grupo de Nanoestructuras Fotónicas y Fónicas (P2N) de ICN2 ha demostrado la absorción de agua en películas delgadas de celulosa mediante reflectometría de rayos X in situ.
La celulosa nanofibrilada, un polímero que puede obtenerse a partir de uno de los biopolímeros más abundantes de la naturaleza, está siendo objeto de una exploración creciente gracias a sus destacadas propiedades para aplicaciones en envasado y dispositivos. No obstante, aún quedan retos abiertos en la ingeniería de sus propiedades intrínsecas. Los resultados muestran las variaciones de espesor de la película de celulosa durante la absorción de agua a distintos niveles de humedad, medidas in situ mediante reflectometría de rayos X (XRR).
Las mediciones se han realizado en vacío y en flujo de nitrógeno húmedo utilizando una cúpula de grafeno para el control de la atmósfera.
En primer lugar, se monitorizó una película delgada de celulosa en vacío durante 2 horas, registrando una curva de reflectividad completa cada 40 segundos. Transcurridas las 2 horas, se aplicó un flujo de nitrógeno húmedo y se siguieron los cambios en la reflectividad. El ajuste de los datos de reflectividad de la película delgada tras 2 horas en vacío y tras 2 horas bajo flujo de nitrógeno húmedo reveló un cambio en el espesor de la película de 55 a 65 nm.
Caso de estudio 3: DRX *in situ* mediante aplicación de voltaje en películas delgadas de VO₂
Autores: Laura Rodriguez (1), José Santiso (1), Jessica Padilla-Pantoja (1), Jose Manuel Caicedo (1), Felip Sandiumenge (2), y Gustau Català (1)(3)
(1) Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, España.
(2) Institut de Ciència de Materials de Barcelona, ICMAB-CSIC, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, España
(3) ICREA-Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, Barcelona, España.
El dióxido de vanadio (VO2) presenta una transición de fase estructural (TFE) acoplada a una transición metal-aislante (TMA) próxima a la temperatura ambiente, en torno a los 68 °C. Por debajo de esta temperatura crítica (Tc), el VO2 se estabiliza en una fase aislante monoclínica (M1), pero al aumentar la temperatura hasta Tc, el VO2 se convierte en una fase metálica rutilo (R).
La deformación desempeña un papel fundamental en el comportamiento de la TFE-TMA, por lo que resulta importante seguir ambas transiciones de forma simultánea cuando el VO2 se encuentra, por ejemplo, en forma de lámina delgada. En este trabajo se ha podido realizar cualquier caracterización por difracción de rayos X en función de la temperatura al mismo tiempo que se registran los cambios eléctricos. En la figura 13 se muestran los resultados de uno de nuestros experimentos, en el que los mapas del espacio recíproco del VO2 se obtuvieron a diferentes temperaturas mientras se inyectaba una determinada corriente en la muestra y se medía el voltaje.
Caso de estudio 4: Cinética de deformación química por intercambio superficial de oxígeno en películas epitaxiales explorada mediante difracción de rayos X resuelta en el tiempo
Autores: Roberto Moreno, Pablo García, James Zapata, Jaume Roqueta, Julienne Chaigneau y José Santiso
Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, España.
En este estudio, la Unidad de Crecimiento de Nanomateriales desarrolló un nuevo método para estudiar la cinética de intercambio superficial de oxígeno en láminas delgadas epitaxiales (La2NiO4+δ depositadas sobre substrato de SrTiO3 (001)) mediante el análisis de las variaciones de los parámetros de celda inducidas por cambios en la estequiometría de oxígeno del material. Este óxido en particular, La2NiO4+δ, es un material catalíticamente activo para la reducción de oxígeno y un candidato prometedor para su uso como cátodo en tecnología de celdas de combustible de óxido sólido (SOFC).
El método consiste en analizar de forma continua el patrón de difracción de rayos X de una reflexión concreta de la lámina mediante un detector lineal rápido de rayos X en posición estática, mientras se expone la muestra a cambios repentinos en la pO2 de la atmósfera a temperaturas elevadas. En este estudio en particular, se siguió la evolución de la reflexión de la lámina (-1 -1 10) junto con la reflexión (-1 -1 3) del SrTiO3 a temperatura elevada constante (600 °C) bajo atmósferas de N2 y aire; véase la figura.
Esta técnica demuestra el uso de un equipo de difracción de rayos X (XRD) de laboratorio convencional para medidas in situ con resolución temporal de la expansión química (variaciones de parámetros de celda en torno a 2·10-4 Å) en láminas epitaxiales tras variaciones en la pO2 a temperaturas elevadas. Esta capacidad hace que la técnica sea única para investigar efectos catalíticos en multicapas y láminas delgadas nanocompuestas.
Referencia: Roberto Moreno et al., Chem. Mater., 25 (18), pp 3640–3647, 2013
DOI: 10.1021/cm401714d
Caso de estudio 5: Estudio *in operando* de la expansión química y el intercambio de oxígeno en superficie en películas epitaxiales de GdBaCo2O5,5 mediante difracción de rayos X resuelta en el tiempo
Autores: Arindom Chatterjee, Jose Manuel Caicedo, Belén Ballesteros y José Santiso
Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, Spain.
Los mecanismos de oxidación y reducción en las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC, por sus siglas en inglés) han suscitado un gran interés en los últimos años con el objetivo de desarrollar tecnología avanzada en dispositivos electroquímicos. El presente estudio se centra en la determinación de los mecanismos de deformación química e intercambio de oxígeno en la superficie de un material conductor mixto iónico-electrónico GdBaCo2O5,5 ±δ (GBCO) con una estructura de perovskita laminar.
En este estudio, la Unidad de Crecimiento de Nanomateriales desarrolló un nuevo método para estudiar la cinética del intercambio de oxígeno en la superficie de láminas delgadas epitaxiales mediante la aplicación de un campo eléctrico entre el material de electrodo (GBCO) y un electrolito sólido (YSZ), haciendo uso de la técnica de XRD resuelta en el tiempo sin modificar la atmósfera de gas pO2.
Los parámetros de celda estructural del material GBCO (parámetro del eje c) se monitorizaron de forma continua mediante XRD, mientras que simultáneamente se aplicaron polarizaciones de tensión positivas y negativas (0, ±100, ±200 y ±300 mV) a los electrodos. Los resultados muestran cambios en los parámetros de celda de aproximadamente 10-4 Å durante los procesos de oxidación y reducción en una lámina delgada epitaxial, asociados a las tasas de intercambio de oxígeno en la superficie.
Referencia: Arindom Chatterjee et al., J. Mater. Chem. A, 6, 12430-12439, 2018
DOI: 10.1039/C8TA02790K
Caso de estudio 6: Cambios de textura en películas de Cu a alta temperatura
Autores: Elena Xuriguera
Universitat de Barcelona, Dept. de Ciència dels Materials i Química Física, Facultat de Química, 08028- Barcelona (Spain)
El Cu es un sustrato de interés para láminas delgadas de superconductores de alta temperatura (HTS, por sus siglas en inglés) debido a su bajo coste en comparación con otros sustratos metálicos y a su baja resistividad.
En este estudio particular, fruto de una colaboración de Elena Xuriguera de la UB, se emplean distintas láminas de Cu con una orientación específica a temperatura ambiente, en este caso la orientación (111) del Cu. Las mediciones de texturas (figuras de polo) se monitorizaron mientras se aplicaba temperatura desde la temperatura ambiente hasta 1.000 °C en atmósfera de vacío. La caracterización mediante difracción de rayos X proporciona pruebas de cómo la lámina de Cu cambia de la orientación (111) a la (100) hasta los 900 °C.
Caso práctico 7: Comportamiento de hidratación del óxido de grafeno (GO)
Autores: Damià Viana, Steven Walston y José A. Garrido
Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, España.
La tecnología neuroprotésica en medicina tiene como objetivo restaurar la funcionalidad del sistema nervioso en casos de degeneración o daño grave, mediante el registro o la estimulación de la actividad eléctrica del tejido nervioso. Las neuroprótesis disponibles actualmente ofrecen una eficacia clínica modesta, en parte debido a las limitaciones que presentan los metales utilizados en la interfaz eléctrica con el tejido. Dichos materiales comprometen la resolución de la interfaz y, por tanto, la restauración funcional, en términos de rendimiento y estabilidad.
El grupo de Materiales y dispositivos electrónicos avanzados trabaja en el desarrollo de implantes neurales flexibles basados en una película delgada de grafeno poroso nanoestructurado y biocompatible que proporciona una interfaz neural bidireccional estable y de alto rendimiento.
Las mediciones in-situ de XRD permiten caracterizar la película delgada de grafeno bajo dos atmósferas diferentes (seca y húmeda) para observar la evolución de la celda en distintas condiciones. Los resultados muestran cómo el pico de grafeno del óxido se desplaza hacia ángulos bajos al aplicar una atmósfera húmeda, lo que indica una expansión del parámetro de celda debida a la hidratación de la película delgada de grafeno.
Caso práctico 8: Monitorización del proceso de reducción en óxido de grafeno (GO) mediante DRX *in situ*
Autores: Damià Viana, Steven Walston y José A. Garrido
Institut Català de Nanociencia i Nanotecnologia, ICN2, Campus Univ. de Bellaterra, E-08193, Bellaterra, España.
A continuación del experimento descrito anteriormente, la película de grafeno nanoestructurado (basada en una pila de láminas de óxido de grafeno reducido) se investigó mediante XRD in situ. En este caso, se monitorizó la distancia de apilamiento entre las láminas mientras la muestra de GO se reducía térmicamente a 150 °C bajo nitrógeno húmedo durante varias horas. Los resultados muestran cómo el pico del GO evoluciona con el tiempo hacia el pico de la película de GO reducido, evidenciando una disminución de 8,1 Å a 3,9 Å.
El grupo de Materiales y dispositivos electrónicos avanzados atribuye esta disminución a la eliminación de los grupos oxígeno del plano basal de las láminas.
