En un taller de joyería, el oro no se mezcla con el rutenio: uno es blando y brillante, el otro refractario y frágil. Pero a escala nanométrica, estos metales se funden en una aleación única que, al calentarse, comienza a separarse como el aceite y el agua en un caldo que se enfría. Ese comportamiento fue capturado por los investigadores al estudiar partículas más pequeñas que la centésima parte del grosor de un cabello.
Inicialmente, las nanopartículas son una mezcla homogénea de oro y rutenio con empaquetamiento cúbico de átomos. Al calentar por encima de 350 grados Celsius, dentro de cada partícula se forman regiones separadas: ricas en oro (con red cúbica) y ricas en rutenio (con red hexagonal). Esto se parece a cómo en la cera que se solidifica se agrupan cristalitos de diferentes formas. Pero lo más interesante ocurre cuando las partículas se colocan en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno a presión atmosférica, como en los reactores industriales para la síntesis de amoníaco.
Estos huecos y las caras nítidas en la superficie de las partículas aparecen solo a alta presión de gas. Los cálculos mostraron que el hidrógeno intensifica la diferencia en la movilidad de los átomos de oro y rutenio, haciendo que el primero se mueva más rápido y deje vacantes: “agujeros” de los átomos que se han ido. Este mecanismo se conoce como efecto Kirkendall: si dos metales se difunden a diferentes velocidades, se forman poros en la interfaz.
Comprender estas reestructuraciones ayudará a crear catalizadores que no se degraden durante el funcionamiento. Después de todo, el amoníaco se necesita para los fertilizantes, y su producción hoy consume alrededor del 2% de la energía mundial. Si las partículas son más estables, el proceso será más barato y ecológico.
El efecto Kirkendall se observó por primera vez en 1947 en latón: el zinc se difundía más rápido que el cobre, y se formaban poros en el punto de contacto. Ahora este mismo mecanismo se ha encontrado en nanopartículas para catálisis.