La forma influye sobre las propiedades de los nanomateriales

Científicos del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales desarrollan un método tendiente a detectar cuál es el formato ideal de ciertas nanopartículas a los efectos de que posean determinadas características

Por Elton Alisson, desde São Carlos (Brasil)  |  Agência FAPESP – Las partículas de plata de dimensiones nanométricas (de la milmillonésima parte del metro) con una capacidad bactericida 32 veces mayor que las obtenidas hasta ahora son algunas de las estructuras que se elaboran en los laboratorios del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) que cuentan con el apoyo de la FAPESP, instalado en la Universidad Federal de São Carlos – UFSCar (en el interior del estado de São Paulo, Brasil). 

Y para crear materiales innovadores como éste, los científicos desarrollaron una técnica que permite detectar la forma ideal que una nanopartícula debe tener para exhibir una determinada característica, y a su vez evaluar de qué manera, mediante la aplicación de ciertos métodos químicos –el empleo de solventes, aditivos o el control del pH (acidez)– y físicos –térmicos, por ejemplo– se puede modificar la morfología de dichos nanomateriales.

Algunos de los resultados de estudios realizados mediante la aplicación de esta nueva técnica se dieron a conocer durante una conferencia en el marco de la primera edición del Simposio de Investigación e Innovación en Materiales Funcionales, organizado por el CDMF ente los días 23 y 24 mayo en la UFSCar.

“Nuestro método permite modelar las diferentes formas que un nanomaterial puede exhibir en el desarrollo de nanopartículas o de nanocristrales con propiedades de interés tecnológico”, declaró Juan Manuel Andrés Bort, docente de la Universitat Jaume I, de España, y uno de los autores de la técnica, a Agência FAPESP.

Tal como lo explica Bort, el surgimiento de la nanotecnología reveló que los materiales a escala atómica y molecular exhiben propiedades fisicoquímicas distintas a las que se observan en el tamaño macrométrico. Así es como fue posible desarrollar estructuras y materiales con mejores propiedades ópticas, catalíticas, bactericidas u otras.

Más recientemente, se descubrió que no sólo el tamaño, sino también la morfología de las nanopartículas posee una importancia primordial, toda vez que la mayoría de las propiedades fisicoquímicas depende de la forma de los materiales.

“Empezamos a percatarnos de que la morfología de un cristal o de una partícula a escala nanométrica influye significativamente sobre su utilización final en la reactividad de los catalizadores, en la actividad bactericida o en el rendimiento de un sensor. De este modo, vimos que es necesario caracterizar y controlar no solamente el tamaño, sino también la forma de las nanopartículas”, dijo Bort.

Para calcular las posibles morfologías de una nanopartícula o de un nanocristal y prever la forma ideal, de manera tal que presente las características anheladas, los científicos se basaron en un abordaje propuesto para materiales a escala macrométrica por el cristalógrafo ruso George Wulff (1863-1925) en 1901.

De acuerdo con la ecuación matemática que se volvió conocida como “construcción de Wulff”, la morfología de un cristal puede preverse según la energía de las distintas superficies o caras del material.

Al aplicar este abordaje a la nanociencia y combinarlo con herramientas de modelado y de simulación computacional, los científicos ligados al CDMF desarrollaron un método más sencillo de prever la forma de nanopartículas con las propiedades deseadas en función de las energías superficiales del material.

“Logramos calcular cuánticamente las morfologías de nanomateriales y, de esta forma, desarrollar un ‘mapa’ de las formas que las nanopartículas deben tener para exhibir una propiedad de interés”, dijo Bort.

Mediante este “mapa” de posibles formas de un nanomaterial y el uso de la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución –que permite estudiar microestructuras a escala atómica−, se desarrollaron nuevos materiales durante los últimos años. Entre ellos se encuentran los nanocristales de tungstato de zinc (ZnWO₄) y de tungstato de plata (α-Ag₂WO₄) con propiedades fotoluminiscentes y fotocatalíticas más elevadas.

“El método que desarrollamos permite entender con precisión, átomo por átomo, la evolución de las propiedades estructurales, electrónicas y magnéticas en el transcurso de cambios continuos en la superficie de nanopartículas”, dijo Bort.

Un trabajo premiado

La posdoctoranda Amanda Fernandes Gouveia, quien realizó su doctorado en la UFSCar con beca de la FAPESP, aplicó este nuevo método para evaluar la influencia del agregado de reactivos y de la utilización de distintas temperaturas sobre las propiedades fotocatalíticas de tungstatos de plata y de zinc.

Los análisis indicaron que, en el caso del tungstato de zinc, por ejemplo, las muestras obtenidas a distintas temperaturas exhibían actividades fotocatalíticas variadas, pese a tener las mismas características.

“Experimentalmente, no era posible describir esas superficies: decir qué átomos, qué clústeres estaban presentes. El modelaje hizo posible esta descripción, y relacionó así las distintas temperaturas y las superficies resultantes con la actividad catalítica hallada”, dijo Fernandes Gouveia.

Este estudio se dio a conocer durante la Nano-Micro Conference Innovation Award 2018, realizada en diciembre pasado en Corea del Sur, y se hizo acreedor al premio al trabajo más innovador.

Dicha conferencia reunió a científicos, ejecutivos y otros líderes de proyectos del área de todo el mundo para discutir nuevos desarrollos e investigaciones de frontera en el campo multidisciplinario de la Nano-Micro Ciencia y la Ingeniería.