Científicos investigan la física de superficies a escala nanométrica

El horizonte de aplicaciones incluye catalizadores más eficientes y dispositivos capaces de almacenar mayor cantidad de datos por unidad de área

Por José Tadeu Arantes

Agência FAPESP – Aplicaciones tecnológicas en una enorme gama, con una incidencia cada vez mayor en la vida cotidiana, se fundamentan en fenómenos relacionados con las superficies de los materiales. Las mismas van desde la interacción entre prótesis y huesos en medicina hasta la catálisis de reacciones químicas en automóviles y en la industria, pasando por dispositivos destinados al almacenamiento y a la lectura de datos.

Un aporte significativo a la investigación científica brasileña en esta área surgió del Proyecto Temático intitulado “Estructura electrónica y geométrica de nanomateriales: un estudio por radiación sincrotrón”, que contó con el apoyo de la FAPESP.

“Todos los fenómenos que resultan de la interacción entre una superficie y el medio externo –adherencia, lubricación, corrosión, catálisis, etc.– dependen básicamente del intercambio de electrones entre átomos vecinos. Por eso, cuando se estudia la interacción de un sólido con el medio, es necesario saber qué átomos componen la superficie del sólido, cómo se distribuyen esos átomos en la superficie y cuáles son los enlaces químicos entre ellos”, dijo el físico Richard Landers, docente de la Universidad de Campinas (Unicamp), en São Paulo, Brasil, y coordinador del proyecto.

“La cantidad de átomos en la superficie, del orden de los 10¹⁵ por centímetro cuadrado, es sumamente pequeña en comparación con el número de átomos existentes en el interior del material, del orden de los 10²³ por centímetro cúbico. Son esos 10¹⁵ átomos por centímetro cuadrado los que determinan de qué manera interactúa el sólido con el medio”, prosiguió el investigador.

El Grupo de Física de Superficies (GFS), coordinado por Landers y por el profesor Abner de Siervo en la Unicamp, actúa básicamente en cuatro líneas de investigación: estructura geométrica y electrónica de superficies, morfología de superficies, propiedades magnéticas de superficies e interacción de superficies sólidas con gases.

“Si bien nuestros estudios no apuntan hacia aplicaciones inmediatas, uno de los trabajos que desarrollamos podrá desembocar en el perfeccionamiento de las lectoras magnéticas”, dijo De Siervo.

“Ese trabajo constituyó la tesis doctoral de un alumno del grupo, Luis Henrique de Lima, que consistió en hacer crecer una hoja de grafeno sobre una superficie de carburo de silicio (SiC). Posteriormente, sobre el grafeno, hicimos crecer conglomerados de unos pocos átomos de un material magnético, en este caso, cobalto”, dijo.

El procedimiento destinado a obtener grafeno consistió en calentar a más de 1.100°C el carburo de silicio (SiC). En esas condiciones, los enlaces químicos entre el carbono y el silicio se rompen, el silicio se evapora y los carbonos se unen unos a otros para formar una hoja de grafeno, que es una estructura cristalina de un solo átomo de espesor en la cual los átomos de carbono forman arreglos hexagonales.

“Tridimensionalmente, la superficie que se formó en ese sustrato tenía la forma de una caja de huevos, con relieves y depresiones. Y la idea consistió en distribuir las partículas magnéticas de cobalto en los sitios donde, análogamente, irían los huevos”, dijo De Siervo.

“Un resultado interesante, que pudimos detectar mediante microscopía de efecto túnel y de espectroscopia de electrones, indicó que, al calentar las nanopartículas de cobalto arriba del grafeno, éstas migraban por debajo de la superficie y quedaban intercaladas y protegidas por el grafeno con relación al exterior. Lo interesante es que esas partículas parecen ocupar posiciones exactamente como sucede con los huevos en una caja. Así es como creamos una estructura ordenada de nanopartículas ferromagnéticas, separadas entre sí por distancias precisas, y conocidas y protegidas por la hoja de grafeno”, detalló el investigador.

Figura 1 – De (a) a (c): microscopía STM (Scanning Tunneling Microscope) de grafeno crecido sobre carburo de silicio (SiC); (d): representación del crecimiento de nanopartículas de cobalto (Co) sobre grafeno/ SiC; (e): microscopía STM de los conglomerados de Co intercalados y protegidos por la hoja de grafeno; (f): modelo atómico de la intercalación.

Una posible evolución de este trabajo de investigación consistirá en hacer crecer un óxido antiferromagnético sobre el grafeno. Habría así una estructura ferromagnética y una estructura antiferromagnética, separadas por una única capa de átomos de carbono.

“Por estar muy cerca, esas estructuras establecerían entre ellas un efecto al cual en inglés se le denomina exchange bias. Se trata del principio de funcionamiento de las lectoras magnéticas. La diferencia, en este caso, reside en que, en lugar de operar a escala microscópica, nuestra pieza operaría a escala nanométrica, lo que podría traer aparejadas muchas ventajas extras. Sin embargo, antes de buscar cualquier posible aplicación, hay que entender los principios físicos en un régimen que ha sido poco estudiado aún, que es el de las nanopartículas ubicadas muy cerca unas de otras, con una alta densificación por unidad de área”, dijo De Siervo.

Catalizadores modelos

Un objeto de estudio especialmente interesante debido a su potencial de aplicaciones es el catalizador. Para describir minuciosamente un catalizador, es necesario saber qué átomos lo componen, cuál es la posición de dichos átomos en la superficie y cómo se relacionan éstos entre sí (es decir, si constituyen óxidos, carburos, metales, etc.). Todos estos factores influyen sobre el modo de reacción del material con respecto al medio externo y, por ende, en su modo de ejercer su función catalítica.

“Es sumamente difícil reunir toda esa información. Para analizar la estructura cristalográfica y electrónica de la superficie, es necesario contar con un agente muy sensible a los 10¹⁵ átomos por centímetro cuadrado que conforman la capa superficial. Los rayos X no sirven, pues penetran muchos miles de angstroms en el interior de la pieza estudiada y ‘ven’ átomos que se ubican por debajo de la superficie. Por eso optamos por un rango específico de la radiación sincrotrón, utilizando los equipos del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), con sede en Campinas”, afirmó Landers.

Los fotones que constituyen la radiación sincrotrón extraen electrones de una parte de los átomos superficiales. Y el tránsito de esos electrones, monitorizado a través del fenómeno de interferencia, permite determinar las características de la superficie.

“Debido a que es posible controlar con suma precisión la energía de los fotones al variar los parámetros de la línea de luz, se vuelve también posible definir cuál es la capa electrónica de átomos superficiales que se excitará. Cuanto menor es la energía cinética de los fotones, más alejados de los núcleos atómicos estarán los electrones extraídos. En otras palabras, esto suministra el espesor de la capa analizada”, explicó Landers.

Con base en las energías de los electrones extraídos es posible determinar la naturaleza y los estados químicos de los átomos. Asimismo, si la superficie fuera una estructura cristalina ordenada, las direcciones que asuman los electrones permitirían conocer las posiciones de los átomos. “Todo el proyecto se estructuró en función de la capacidad de utilizar la luz sincrotrón con esa finalidad”, comentó el investigador.

No se trata únicamente de estudiar superficies, sino también de crearlas. Para ello el laboratorio del GFS dispone también de una cámara de ultra alto vacío.

“A la presión atmosférica normal, de aproximadamente 1.000 milibares (mbar), cada sitio atómico de la superficie es alcanzado alrededor de 1.000 millones de veces por segundo por moléculas del medio externo. Si trabajamos con alto vacío, del orden de los 10^-9 mbar, la cantidad de impactos se reducirá a uno por segundo. Pero dicho vacío no es suficiente aún, pues en un segundo solamente, la superficie estaría contaminada. Se requiere contar con un vacío aún más extremo, un ultra alto vacío, del orden de los 10^-10 ó 10^-11 mbar. En nuestros experimentos estamos en condiciones de hacer crecer controladamente capas monocristalinas en condiciones de ultra alto vacío dentro del sistema de análisis”, dijo Landers.

Figura 2 – Catalizador modelo compuesto por nanopartículas de rodio (Rh) crecidas sobre una película de magnetita ultra delgada y ordenada en soporte en paladio (Pd). A la izquierda y a la derecha, los patrones de difracción de fotoelectrones con selectividad químico-elemental.

Los catalizadores reales están constituidos por un óxido o una zeolita (un material amorfo y poroso) sobre los cuales se depositan metales activos. Su estudio a escala atómica es sumamente difícil. Por eso los científicos del GFS se abocaron a la creación y al estudio de catalizadores modelos.

“Creamos una superficie de óxido lo suficientemente delgada, que mimetizaba el óxido real, y sobre la misma hicimos crecer partículas metálicas de rodio, platino o paladio, e investigamos la estructura que se formó”, dijo Landers.

“Gran parte de los recursos del proyecto se empleó para montar la infraestructura destinada a esa investigación. Para hacerse una idea: un sistema de análisis de estos pesa más o menos una tonelada. Además, el tratamiento de los datos experimentales requirió también el montaje de un cluster computacional”, dijo.

Otro aparato que emplearon los científicos fue el microscopio electrónico de efecto túnel, que se volvió necesario pues la técnica de difracción de electrones, utilizada para mapear la superficie, no permite determinar el tamaño real de las partículas metálicas creadas.

“El microscopio electrónico de efecto túnel suministra una imagen de la superficie que puede llegar a la resolución atómica”, explicó De Siervo.

“En la mayoría de las ocasiones logramos ver las nanopartículas que crecieron y detectar sus arreglos de átomos. Al juntar ambas técnicas, la de espectroscopia y la microscopía, logramos expandir ostensiblemente el conocimiento sobre los sistemas que estábamos investigando”, dijo.