La investigación de nuevos materiales con mejores propiedades se ha convertido en una pieza clave para la consecución de los objetivos y metas de desarrollo sostenible de la ONU. Materiales a escala nanométrica (menos de 0,0000001 m) son muy prometedores para mejorar propiedades y crear materiales únicos. Una aplicación exitosa de estos nuevos materiales requiere el entendimiento detallado de su estructura y composición. Para eso, el Laboratorio de Microscopías Avanzadas (LMA) de la Universidad de Zaragoza posee varios microscopios electrónicos avanzados que permiten el estudio de materiales a escala atómica. El grupo de investigación NLDM (Nanoscopía de materiales de baja dimensionalidad) del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (CSIC-Unizar), dirigido por el investigador Araid Raúl Arenal, se dedica al estudio de diferentes nanomateriales, en especial en condiciones dinámicas que semejan el ambiente de la aplicación deseada. Con un portamuestras dedicado a análisis in situ se pueden estudiar estos nanomateriales a temperaturas elevadas (hasta 1.300ºC) y también su comportamiento aplicando corriente eléctrica.

Con esta técnica, el grupo NLDM estudia la relación entre las propiedades eléctricas y estructurales de nanomateriales individuales al aplicar una corriente eléctrica. En el marco del proyecto europeo Promises, esta técnica de microscopía in situ se está aplicando para el estudio de nanotubos (estructuras tubulares de dimensiones nanométricas) compuestos por dos materiales laminares diferentes. La combinación de las propiedades de los dos materiales hace que estos nanotubos posean una conductividad (eléctrica y térmica) muy elevada, lo que los hace muy prometedores para su potencial aplicación como conectores en componentes eléctricos y, sobre todo, como componentes termoeléctricos. 

El proyecto

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¿Cómo de pequeños son los nanomateriales?

‘Nano’ es un prefijo que indica que se trata de la mil millonésima parte, es decir un nanómetro (nm) equivale a 0,000000001 metros o en notación científica 10-⁹ m. Para poder imaginarse esta cifra, es útil compararlo con otros tamaños que ya existen en la naturaleza. El espesor de un pelo, algo que aún se puede sentir en las manos y observar con el ojo humano, es de unos 50-100 micrómetros = 50-100∙10-⁶ m. Células y bacterias tienen tamaños alrededor de un micrómetro y los virus, de unos 100 nm, ya se encuentran en la escala nanométrica. Una molécula de ADN tiene una anchura de solo 2 nm. Toda la materia está compuesta por átomos y la distancia entre átomos es de entre 0,1 – 0,4 nm. Se habla de un nanomaterial si tiene un tamaño, en al menos una de sus dimensiones, inferior a 100 nm.

¿Qué es la microscopía electrónica in situ?

Para trabajar con nanomateriales hay que conocer su estructura y composición. La microscopía electrónica permite el análisis de materiales a escala atómica, es decir, se puede determinar de qué átomos está compuesto y sus posiciones dentro de la estructura del material. El principio de un microscopio electrónico es similar a uno óptico, pero utiliza electrones en vez de luz (fotones). La resolución de los microscopios está limitada físicamente por la longitud de onda, que es mayor de 400 nm para fotones en el rango del espectro visible y menor de 0,01 nm para electrones de alta energía. En la práctica, las lentes electromagnéticas empleadas en un microscopio electrónico para enfocar el haz de electrones en la muestra son imperfectas (sufren distintas aberraciones) y empeoran la resolución del microscopio. En las últimas dos décadas, el desarrollo de correctores ha sido una mejora sustancial para resolver la estructura atómica de muchos materiales.

Recientemente, la investigación con técnicas in situ ha ganado mucha importancia. La idea es combinar la observación por microscopía electrónica de alta resolución con un ambiente más próximo al de las aplicaciones finales del material investigado. Para ello existe un abanico de diferentes portamuestras que utilizan chips para crear este ambiente in situ, es decir, dentro del microscopio. Estos ambientes pueden ser, por ejemplo, calentar a temperaturas altas (hasta 1.300ºC), aplicar corrientes eléctricas o generar atmósferas líquidas o gaseosas.

¿Cuál es la ventaja de crear un material nano?

Los nanomateriales ofrecen varias ventajas, dependiendo de la aplicación deseada. Por ejemplo, en el caso de una aplicación médica, una ventaja es que las nanopartículas tienen un tamaño parecido a organelos celulares y estructuras orgánicas, lo que permite una mejor dosificación e interacción con el receptor deseado.

En el caso de procesos catalíticos, por ejemplo en el catalizador de un coche, en lugar de utilizar una pieza maciza de materiales preciosos (rodio, paladio y platino) que tienen un gran coste, se suelen utilizar recubrimientos superficiales nanométricos de estos materiales. La superficie de muchas nanopartículas es muchísimo más grande que la de una pieza macroscópica del mismo material. Así que hacerlo nano ahorra material y mejora la reacción. En general, los nanomateriales suelen tener mejores propiedades en relación a la cantidad de material empleada. En muchos casos surgen además efectos nuevos que no existen en el material en tamaño macroscópico.

Simon Hettler investigador del proyecto europeo Promises (beca Marie Curie individual)

Esta sección se realiza en colaboración con la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza

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