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La ciencia responde

¿Practican los científicos la alquimia en el siglo XXI?

Para obtener combinaciones funcionales de materiales, necesitamos la complicidad de ciertas leyes fundamentales de la naturaleza que los átomos siguen obstinadamente. Los modernos microscopios van más allá de resolver el comportamiento más íntimo de la materia: pueden construirla átomo a átomo sorteando algunas de esas leyes. Esta filosofía ha permitido fabricar una memoria ferroeléctrica con unos pocos átomos a partir de una pizca de sal común.

David Serrate 30/01/2018 a las 05:00
Esquema del material creado por manipulación atómica. Las bolas verdes representan los átomos de nitrógeno y las rojas, los de cobre de la capa de nitruro de cobre sobre la que se coloca la sal: con sus átomos de cloro (amarillo) y sodio (azul). El haz azul oscuro es la corriente túnel de electrones del microscopioVictoria Romero Navarro y Luis Javier Torrecillas Segura

¿Qué son los materiales ferroeléctricos?

Si se les da la vuelta de arriba abajo, la mayor parte de los materiales tienen exactamente el mismo aspecto a nivel atómico. Debido a esta simetría, las cargas eléctricas de los átomos no son capaces de orientarse en una dirección particular, compensándose entre sí. Sin embargo, a algunos materiales les falla esta simetría, y precisamente entonces las cargas se separan y alinean formando dipolos eléctricos. Cuando, aplicando un voltaje, los dipolos se pueden conmutar entre dos orientaciones y estas permanecen estables tras retirarlo, el material es denominado ferroeléctrico.

¿Para qué sirven?

La base de la lógica binaria de las memorias y los procesadores de los dispositivos electrónicos es la capacidad de cambiar su estado entre dos opciones. Los materiales ferroeléctricos pueden hacerlo orientando sus cargas en una dirección o la contraria. Pero, a diferencia de la tecnología actual basada en los semiconductores, las cargas de un ferroeléctrico se separan o se acercan entre sí pero no fluyen a través del material. Una gran ventaja porque elimina las pérdidas por calentamiento, lo que implica que comparativamente, una memoria ferroeléctrica tendría un consumo energético despreciable, además de ser mucho más rápida.

¿Es posible construir un ferroeléctrico con sal de mesa?

Sí. Aunque el comportamiento ferroeléctrico espontáneo es una rareza muy poco probable, un ingeniero capaz de situar los átomos en el lugar deseado podría ‘obligar’ al material a funcionar como si fuera ferroeléctrico.

Esta es la estrategia que utilizamos en nuestro trabajo recientemente publicado en ‘Nature Nanotechnology’. Aquí va la receta: partimos de un material que contenga cargas eléctricas positivas y negativas inmóviles, lo que se conoce como un material polar. En el caso del cloruro de sodio, o sal común, las cargas negativas son los átomos de cloro, y las positivas los de sodio. En este ejemplo, como soporte para la sal, utilizamos una capa monoatómica de nitruro de cobre, que está formada por una red bidimensional de átomos de nitrógeno unidos por átomos de cobre. Este sustrato será el responsable del cambio de propiedades de las capas ultradelgadas de sal colocadas sobre él.

Como vemos en el dibujo, sobre los átomos de nitrógeno, que tienen carga negativa, colocamos los sodios, donde se quedarán muy satisfechos, ya que dos cargas de distinto signo se atraen. Y, sobre los huecos de la red, colocamos los átomos de cloro, formando así otra capa monoatómica de sal sobre el soporte. De este modo, los átomos de la sal ya no ‘ven’ lo mismo hacia arriba, donde está el vacío, que hacia abajo, donde está el nitruro de cobre, y por tanto tienen una buena razón para moverse en distintas direcciones en función de su carga para formar dipolos eléctricos. Algo que no hace la sal ‘normal’.

Podemos seguir construyendo sal más gruesa poniendo por ejemplo otra capa de átomos de sodio sobre los cloros de la primera, y de cloros sobre los sodios. Pero el efecto desaparecería: si la hiciéramos demasiado gruesa, las leyes que determinan la estructura de la sal acabarían dominando sobre la influencia del nitruro de cobre y la convertirían en sal ‘normal’. De hecho, lo mejor es conformarnos con las dos primeras capas de sal.

Además, para hacer los dipolos robustos, los ‘ingenieros atómicos’ nos dimos cuenta de que conviene quitar algún átomo de cloro. Esta nueva sal ultradelgada, donde quitamos algún átomo de cloro seleccionado, se ha convertido en otro material con nuevas propiedades, aunque sus constituyentes sean los mismos que los de los granos con que sazonamos la ensalada. En cierto modo, esto es lo que un alquimista moderno llamaría ‘transmutación’.

La ciencia sigue haciéndose preguntas

En el Laboratorio de Microscopias Avanzadas (LMA) de la Universidad de Zaragoza, en colaboración con el University College London y la Universidad de Liverpool, han descubierto cómo convertir cualquier material aislante que tenga cargas en su interior –incluso uno de tan bajo coste como la sal común– en ferroeléctrico, reduciendo su grosor a unas pocas capas de átomos. Pero el equipo experimental del LMA no piensa detenerse ahí. Su objetivo es expandir y generalizar el tipo de materiales aislantes que podemos transformar mediante ingeniería en la escala atómica, ahora también combinando su carácter ferroeléctrico con propiedades magnéticas como el espín. El fin último no es tan solo proponer funcionalidades de nuevos materiales artificiales para los dispositivos del futuro, sino que el dispositivo sea el mismo microscopio STM. Trabajar con su punta moviendo los átomos y utilizando las propiedades de esas estructuras con precisión atómica: almacenamiento de información, sensores biológicos, computación cuántica...

¿Cómo funciona esta herramienta capaz de construir la materia?

Tanteando con un bastón, podemos reconstruir la superficie que pisamos aunque no podamos verla. Del mismo modo, pero palpando la materia con precisión atómica, funciona el microscopio de efecto túnel (STM). En lugar del contacto, el STM ‘palpa’ mediante el efecto túnel cuántico de los electrones entre la punta y la superficie. Además, igual que un bastón permitiría ordenar gravilla, la punta del STM es capaz de recolocar los átomos, como hacemos con los cloros de la sal para convertirla en ferroeléctrica. Combinando esta técnica con las de deposición de materiales en entornos controlados, podemos hacer realidad heteroestructuras diseñadas con precisión atómica.

David Serrate Director del área de Microscopía de sonda próxima del Laboratorio de Microscopias Avanzadas de la Universidad de Zaragoza

Con la colaboración de la Unidad de Cultura Científica de la Universidad de Zaragoza





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