Nanopartículas pueden constituir la base de detectores de radiación más sensibles

Estructuras elaboradas por científicos de la Universidad de São Paulo y de Harvard tienen potencial para mejorar la eficiencia de sistemas donde haya que detectar luz o radiación con un alto nivel de sensibilidad

Por Reinaldo Lopes

Agência FAPESP – Imágenes tomadas con microscopios electrónicos parecen revelar una enorme cantidad de estrellas minúsculas que miden tan sólo algunos micrones (millonésimas partes del metro).

Esas estructuras, producidas por Eder Guidelli y Oswaldo Baffa, de la Universidad de São Paulo (USP) de Ribeirão Preto, en Brasil, en colaboración con David R. Clarke, de la Harvard University, en Estados Unidos, poseen núcleos de partículas de oro y de plata rodeados por una “corteza” de ZnO (óxido de cinc). Y tienen potencial para mejorar la eficiencia de diversos sistemas en los cuales se haga necesario detectar luz o radiación con un alto grado de sensibilidad.

Los investigadores describieron los detalles de la fabricación y de las propiedades de las estrellas microscópicas de metales preciosos y óxido de cinc en un artículo publicado en la revista Scientific Reports, del grupo Nature.

Y los estudios que derivaron en dicho artículo se describieron durante el doctorado de Guidelli, bajo la dirección de Baffa en Brasil y de Clarke en Harvard, con Beca de la FAPESP. Guidelli actualmente lleva adelante su posdoctorado con otra beca.

La idea de crear estructuras con un núcleo de oro o plata y una “corteza” de ZnO se debe a las propiedades ópticas poco comunes que derivan de la unión de estos materiales.

Frente a la emisión de diversas formas de radiación electromagnética (lo que incluye tanto a la luz visible como a los rayos X, por ejemplo), los metales preciosos y el óxido de cinc muestran características comunes que les permiten actuar armónicamente, explica Guidelli. “Una analogía que suelo utilizar es la del celular y la de la antena que amplifica la señal de ese celular”, dijo.

Morfología estelar

Los experimentos que se realizaron revelaron de manera precisa de qué modo se produce esa amplificación. Un ejemplo involucra a la llamada OSL (sigla en inglés de “luminiscencia estimulada ópticamente”), un método que bastante utilizado por geólogos y arqueólogos para datar sedimentos y objetos.

Supóngase que las “estrellas” son bombardeadas con una emisión radiactiva (de rayos X, por ejemplo). Inicialmente, los electrones presentes en el óxido de cinc se ionizan, es decir, se sueltan de la posición que normalmente ocuparían en la estructura molecular de ZnO, su capa de valencia.

Tras ese bombardeo inicial, dichos electrones pueden quedar sujetos a los “rayos” de la estrella en pequeños defectos microscópicos también denominados trampas.

“Pueden permanecer allí indefinidamente, pero un pulso de luz es capaz de hacer que retornen a su capa de valencia. Y al regresar emiten luz”, dijo Guidelli.

Durante todo el proceso, los fotones (las partículas de luz) hacen las veces de “vuelto” de los fenómenos cuánticos: cuando un electrón queda temporalmente en estado excitado (es decir, anormalmente energético), la producción de fotones permite que el mismo regrese a sus niveles normales de energía.

Todo esto podría suceder solamente con la estructura de óxido de cinc, pero la presencia de las partículas de oro y plata hace que todo el proceso de desexcitación (es decir, de regreso de los electrones a su estado menos energético) ocurra de manera más rápida y eficiente.

“De allí la analogía con una antena, que facilita la transmisión y la recepción de una señal”, dijo Guidelli.

La estructura y las dimensiones del material afectan los detalles referentes a cómo transcurre este proceso; de allí la importancia del proceso de producción de las estructuras en forma de estrellas.

Normalmente, el óxido de cinc se produciría de manera tal que aparecerían estructuras en forma de bastón sobre un sustrato de vidrio, las cuales, vistas desde arriba, parecen una cama clavos de un faquir.

Sin embargo, cuando se le agregan partículas de oro y plata al proceso, el volumen correcto de los metales preciosos hace que la morfología estelar aparezca básicamente debido a que los “rayos” de cada estrella pasan a utilizar las partículas como núcleo de crecimiento.

Como esos núcleos son esféricos, los brazos de ZnO se propagan en todas las direcciones, formando lo que parece ser una estrella de juguete. Los investigadores lograron incluso romper uno de los “rayos” de una de las estrellas, y así mostraron la partícula de metal precioso anidada en el centro de la estructura.

Resulta importante controlar esos detalles pues, algunos de ellos, el espesor del material, por ejemplo, pueden influir en sus propiedades ópticas. “Es como con la atmósfera de un planeta: si es muy densa, recibe la radiación del Sol pero no logra mandar esa energía nuevamente hacia el espacio luego de que la misma llega a la superficie”, comparó el profesor Baffa.

La alta sensibilidad de las estructuras elaboradas por los investigadores de Ribeirão Preto hace que cuenten con potencial como para medir con precisión pequeños niveles de radiación en el ambiente, por ejemplo, minimizando así los riesgos médicos de este tipo de situaciones.

También serían factibles aplicaciones en la datación de objetos en excavaciones arqueológicas: merced a la sensibilidad del sistema, se podrían datar muestras de material sumamente pequeñas.

Ya se ha depositado una patente “paraguas” (que protege diversas posibles aplicaciones tecnológicas relacionadas con este trabajo) en Brasil. “Obviamente, existe una gran distancia entre esa solicitud de patente y algún futuro producto basado en ella”, dijo Baffa.

Puede leerse el artículo intitulado Enhanced UV Emission From Silver/ZnO And Gold/ZnO Core-Shell Nanoparticles: Photoluminescence, Radioluminescence, And Optically Stimulated Luminescence (doi:10.1038/srep14004), de Guidelli, Baffa y Clarke, en: www.nature.com/articles/srep14004.