Microscopía electrónica de transmisión como técnica de análisis de vanguardia en compuestos poliméricos y materiales grafénicos.

Edgar Cuara Díaz, Jesús Alfonso Mercado Silva, Esmeralda Monserrat Saucedo Salazar

Enrique Díaz Barriga Castro, Mónica Aimeé Ceniceros Reyes

Los avances tecnológicos han permitido la preparación de materiales compuestos para una amplia variedad de aplicaciones, éstos se caracterizan por utilizar una matriz la cual puede ser base polímero, cerámica o metal, y la adición de materiales aditivos de tamaño nanométrico (mucho más pequeño que la cabeza de un alfiler, 1-100 nm). Estos materiales ofrecen mejoras extraordinarias en cuanto a su desempeño, ya sea en propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, entre otras. Así mismo, la creación de nuevos compuestos requiere de técnicas de análisis especializadas que sirvan para identificar, medir y analizar dichas propiedades.

La microscopía electrónica de transmisión (TEM por sus siglas en inglés), es una técnica esencial para el análisis de dichos materiales, que permite obtener información en cuanto a morfología, tamaño, porosidad, identificación de composición química elemental estructura cristalina, principalmente. Todo esto, se lleva a cabo en un equipo TEM, el cual tiene la capacidad de poder “observar” hasta 1 millón de aumentos a diferencia de un microscopio óptico de luz, que alcanza hasta aproximadamente 1000 aumentos, es decir, mientras que con el TEM se puede observar materiales en tamaño nanométrico con alta resolución, con el microscopio óptico de luz se observa de forma nítida solo bacterias o células sanguíneas como los glóbulos rojos, en tamaños de 200 – 500 nm.

Además de explorar la posibilidad de estudiar la materia a nivel atómico, en la actualidad, la técnica de TEM, permite manipular la materia a esa escala, es decir, se pueden llevar a cabo evaluaciones in-situ (dentro del microscopio) para observar y registrar cambios en la materia en tiempo real [1]. Así mismo, es posible realizar análisis que proporcionan información sobre cómo reaccionan los materiales bajo diferentes condiciones aplicando estímulos externos, por ejemplo: pruebas eléctricas, manipulación mecánica, calentamiento, enfriamiento, estímulo magnético, estudios ambientales (celdas de gas o líquidos) así como combinaciones de cualquiera de cualquiera de éstos.

Dentro de las instalaciones del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) se tiene un microscopio TEM modelo Titan 80-300 kV marca FEI (ver Figura 1), con el cual se ha apoyado en el estudio de materiales desarrollados en el campo de la nanotecnología, de polímeros, agrotecnología, materiales compuestos, grafénicos, entre otros.

Figura 1. Microscopio electrónico de transmisión (TEM). Y escalas que representan los tamaños

de una variedad de objetos.

Este equipo es muy útil en el estudio de materiales nanométricos, por ejemplo, los de carbono como los fullerenos (estructuras con forma de esfera elipsoidales), los nanotubos de carbono (cilíndricos), el grafeno (una lámina bidimensional) y las nanoplaquetas de grafeno (monocapa de grafeno), por mencionar algunas. Todas estas son diferentes formas en las que el carbono puede organizarse, y cada una presenta propiedades particulares dependiendo de su estructura.

En el CIQA se desarrollan distintos estudios donde el grafeno se emplea para fabricar polímeros conductores y materiales estructurales. Debido a las excelentes propiedades físicas, químicas, eléctricas, mecánicas, térmicas y ópticas, el grafeno es uno de los materiales más utilizados para el desarrollo de investigaciones de última generación. Además, siendo un material de una capa delgada de átomos de carbono acomodados en una red hexagonal, similar a un panal de abejas; el grafeno es muy resistente, conduce la electricidad, así como el calor, y puede interactuar fácilmente con otras sustancias. También se utiliza en componentes para sistemas de almacenamiento de energía, como baterías, supercapacitores y material absorbente para eliminar contaminantes en procesos de tratamiento de agua, entre otros.

Una de las líneas de investigación que actualmente desarrolla el Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG) en colaboración con la Coordinación del Laboratorio Central de Instrumentación Analítica del CIQA consiste en estudiar el cambio en la estructura cristalina y morfológica del óxido de grafeno (GO) con enlaces de grupos amino cuando este es sometido a un calentamiento controlado dentro del TEM. Esto es posible debido a que el equipo cuenta con una platina de calentamiento y un sistema microelectromecánico (MEMS o chip de calentamiento) [2] (ver Figura 2a), realizando mediciones a alta temperatura en tiempo real, logrando una alta estabilidad térmica en el sistema. El experimento permite registrar en imágenes cómo la temperatura provoca transformaciones en la estructura del GO en donde, los átomos de carbono se reorganizan. De manera que, esta técnica permite estudiar el comportamiento dinámico de las transformaciones de fase y los arreglos atómicos en los nanomateriales [3]. Durante el tratamiento de calentamiento se eliminan la mayoría de los grupos funcionales (enlaces que existen entre el carbono con otro grupo de átomos) y algunas imperfecciones (defectos) presentes en la estructura del material, lo que mejora sus propiedades físicas y químicas. En particular se pueden alterar sus propiedades electrónicas, así como electroquímicas, y debido a esto, el material modificado puede utilizarse en aplicaciones tecnológicas, por ejemplo: dispositivos de almacenamiento de energía, catalizadores que aceleran reacciones químicas, celdas solares, sensores para la detección de enfermedades y materiales absorbentes capaces de remover contaminantes orgánicos y metálicos dentro del proceso de tratamiento de aguas.

Para dar seguimiento a los cambios o transformación en el GO, se registraron imágenes de difracción de electrones, con las cuales se obtiene información de la estructura cristalina del material. En la Figura 2 b) se presenta una imagen de la estructura del GO funcionalizado con aminas a 25 °C, y en la Figura 2 c) se presenta la estructura del material sometido a 350 °C. En la primera imagen se observan anillos difusos mientras que, en la segunda, éstos se aprecian más nítidos, indicando que el material sometido a temperatura está cambiando de una estructura amorfa a una cristalina por efecto de la temperatura.

Figura 2. Imágenes de a) portamuestras para pruebas de calentamiento y dispositivo MEMS (chip

de calentamiento) e imágenes de difracción de electrones adquiridas a b) 25 ° y a c) 350 °C.

En resumen, podemos decir que la técnica de TEM permite el análisis de materiales a través de la recopilación de información de las características como forma, tamaño, composición química y estructura cristalina. Es indispensable en el diseño de nuevos materiales y nanomateriales ya que permite ver detalles muy pequeños que influyen en su comportamiento. Además, se puede observar y registrar reacciones en tiempo real cuando el material es afectado y sometido a estímulos externos para establecer la relación entre la estructura cristalina y las propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas de los materiales. Por último, es importante resaltar que el TEM no solo es un microscopio, sino un laboratorio analítico completo donde es posible estudiar y modificar materiales en la escala nanométrica.

Referencias

1. E. Díaz Barriga – Castro, Micro – X, 2, 1 (2024). https://www.ammmicro.mx
2. S. Vijayan, M. Aindow, Temperature calibration of TEM specimen heating holders by isothermal sublimation of silver nanocubes, Ultramicroscopy. 196 (2019) 142-153. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.10.011.
3. Ceniceros-Reyes, M., Marín-Hernández, K., Sierra, U., Saucedo-Salazar, E., Mendoza Resendez, R., Luna, C., Hernández Belmares, P.J., Rodríguez Fernández, O. S Fernández-Tavizón, S. Hernández-Hernández, E., Díaz Barriga-Castro, E.,Reduction of Graphene oxide by in-situ heating experiments in the transmission electron microscope, Surface. Interfa. 35 (2022) 102448.