Tecnologías para la síntesis controlada de nanomateriales

p-06Un nanomaterial es aquel en el cual alguna o sus tres dimensiones son reducidas por debajo de 100 nm (el diámetro del cabello humano mide alrededor de 50,000 nm; el de un glóbulo rojo ~ 6,000 nm; el del virus de inmunodeficiencia humana ~ 150 nm). Esta reducción de tamaño implica la aparición de nuevas o mejores propiedades que las existentes en el material en bulto. Las aplicaciones de los nanomateriales cubren básicamente todas las áreas tecnológicas que podamos imaginarnos, desde biomedicina hasta celdas solares.

Este amplio conjunto de aplicaciones, así como la tecnología utilizada para diseñar, producir y manipular materiales de escala nanométrica, acuñan el término de nanotecnología. En décadas recientes se ha producido un boom a nivel global en esta área del desarrollo tecnológico, dado los fascinantes y en ocasiones inimaginables fenómenos observados cuando se analiza algún material con escalas nanométricas. Un ejemplo es el famoso grafeno, material que consiste en una capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura hexagonal plana, en la cual los electrones pueden alcanzar velocidades relativistas (cercanas a la velocidad de la luz), fenómeno que no sería posible en un cristal de grafito. Otro ejemplo son los puntos cuánticos, materiales cero-dimensionales (con sus tres dimensiones reducidas a unos cuantos nanómetros); a partir de los que pueden obtenerse, por ejemplo, emisiones intensas de luz en colores específicos, utilizadas para procesar información en un sinfín de aplicaciones en áreas tan variadas como: telecomunicaciones, biomedicina, seguridad y optoelectrónica. Como estos ejemplos existen cientos y cientos más. El mayor reto que enfrentamos al trabajar con materiales de escala nanométrica es el de perfeccionar o desarrollar métodos que permitan fabricarlos de forma controlada.

Una manera de clasificar las técnicas de fabricación de nanomateriales es entre las que usan procesos físicos y químicos, cada una con sus ventajas y desventajas. Los procesos químicos se basan en reacciones de diferentes precursores que arrojan como producto un nanomaterial. La principal desventaja en este tipo de métodos de síntesis es la casi inminente producción de residuos, que pueden contaminar el material deseado, e incluso pueden ser dañinos para el medio ambiente; sin embargo, tienen la gran ventaja de poder producir nanomateriales en grandes cantidades. Con respecto a los métodos físicos, que consisten en la síntesis de los materiales a través de procesos como evaporación, incremento en la presión, generación de plasmas, entre otros, involucrando directamente fenómenos físicos; se tiene la ventaja de un control más preciso en tamaños, formas y composición de los materiales, además de reducir los residuos peligrosos. No obstante, son más costosos, más complejos y por lo tanto es difícil escalar la producción a nivel industrial.

Entre las técnicas físicas destacaremos el depósito de películas delgadas por láser pulsado (PLD) y la síntesis de nanopartículas por ablación láser de sólidos en líquidos (ALSL). Éstas utilizan un láser pulsado de alta potencia, que, enfocado sobre un material sólido (llamado “blanco”), produce un calentamiento local que lleva a la fusión y evaporación rápida de material irradiado (ablación), para después generar un plasma que se expandirá de manera perpendicular a la superficie del blanco. El proceso de PLD se lleva a cabo dentro de una cámara de vacío en la cual es necesario mantener una presión controlada, las especies contenidas en el plasma serán depositadas en un sustrato colocado frente al blanco. Por otro lado, si el blanco se confina en un líquido, el plasma formará una burbuja de cavitación, que al no poder expandirse por una larga distancia terminará por colapsar, dando lugar a la generación de nanopartículas del material ablacionado (ALSL), la forma, estructura y composición de las nanopartículas dependerán de los parámetros del láser y del líquido confinante. Al ser técnicas de síntesis físicas, se generan menos subproductos o residuos dañinos al ambiente, y el control con el que se pueden sintetizar los materiales tiene una alta precisión que difícilmente se puede obtener por otros métodos.

En lo que respecta a las técnicas químicas, describiremos la de adsorción y reacción sucesiva de capas iónicas (SILAR), el depósito en baño químico (CBD) y la Sol-Gel, que permiten el depósito de nanopartículas y/o películas nanométricas; así como la síntesis de nanomateriales por tratamiento hidrotermal. La técnica de SILAR consiste en la inmersión sucesiva de un sustrato en soluciones que contienen los diferentes iones del material a depositar. En cada inmersión se adhieren iones a la superficie del sustrato (adsorción), para reaccionar con el ion opuesto al ser sumergido en la solución subsecuente. Esta técnica permite depositar nanopartículas o nanocapas de compuestos con múltiples elementos químicos (binarios, ternarios, cuaternarios, etcétera). La calidad de los materiales puede ser controlada mediante el tipo de reacciones utilizadas para generar los iones, así como el tiempo y la velocidad de inmersión. Mientras que en el CBD, aunque similar, el sustrato se sumerge en una solución única que contiene los reactivos con todos los elementos involucrados. En esta técnica hay dos mecanismos principales de reacción, uno ocurre en la solución, llevando a la formación de nanopartículas que después se adhieren al sustrato, mientras que el otro consiste en la adsorción de iones en la superficie del sustrato a partir de los cuales se genera un proceso de coalescencia que da lugar al crecimiento de nanocompuestos en la superficie del sustrato. En cambio, en la técnica de Sol-Gel primero se genera una mezcla conocida como Sol, que consiste mayormente en una solución líquida; para después, a través de procesos de hidrólisis y condensación, formar un gel, que es un material predominantemente sólido que encierra un solvente líquido. Este gel puede secarse para la obtención de nanomateriales o bien depositarse como película delgada nanoestructurada; por goteo y centrifugado, o por inmersión.

Finalmente, la técnica hidrotermal es una hibridación de procesos físicos y químicos, que consiste en realizar reacciones químicas en una solución (acuosa o no-acuosa), encerrada herméticamente en un recipiente que al calentarse promueve el incremento de presión en su interior (como en una olla express); simulando el proceso de formación de cristales dentro de la tierra, pero de forma controlada y en tiempos más cortos. En este proceso se alcanzan fácilmente presiones de cientos de psi (la presión a 100 metros de profundidad en el agua equivale a 145 psi). Entre sus virtudes está la posibilidad de sintetizar materiales que por otros métodos químicos resulta complicado.

La principal ventaja de estas técnicas es la relativa facilidad con que pueden ser escaladas a niveles industriales.

En el Cuerpo Académico de Física de Materiales, del Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías de la Universidad de Guadalajara, realizamos investigación encaminada al desarrollo de nuevos nanomateriales, empleando las tecnologías aquí descritas.

 

 

* jose.quinones@academicos.udg.mx,

** msantana.aranda@academicos.udg.mx