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física

El bandoneón atómico

Un proyecto financiado por la FAPESP ayuda a develar el comportamiento de las nanoestructuras

Maleable: como un fuelle, el nanotubo se estira sin romperse

Fernando Sato / UnicampMaleable: como un fuelle, el nanotubo se estira sin romperseFernando Sato / Unicamp

Interesado en develar de qué manera funciona la naturaleza en su nivel más  íntimo en la escala de los átomos, los bloques que forman la materia, el físico argentino Daniel Ugarte tuvo que vérselas con algo más que la planificación de sus experimentos. Tuvo que aprender a armar y a ajustar los microscopios superpotentes que utiliza, e incluso a proyectar los edificios del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) que albergan estos aparatos, sensibles a sutiles vibraciones en el suelo ocasionadas por el paso de los automóviles en la calle. En sus poco más de 15 años en Brasil, Ugarte publicó una serie de descubrimientos fundamentales para saber cómo se comporta la materia en esa escala tan reducida y para el desarrollo de la electrónica del futuro.  El más reciente de estos hallazgos, descrito en enero en Nature Nanotechnology, es la detección de una estructura atómica totalmente inesperada: un tubo cuadrado de menos de 0,5 nanómetro (millonésimas de milímetro) de espesor, la menor estructura tridimensional hueca formada por plata, el mismo material empleado en la confección de joyas y monedas desde hace miles de años.

El descubrimiento de que la plata naturalmente asume ese formato constituye un caso más de éxito del más completo laboratorio de microscopía electrónica de Brasil, que Ugarte comenzó a erigir en 1998 en el LNLS. Actualmente integrado al Centro de Nanociencia y Nanotecnología Cesar Lattes construido con 6 millones de reales girados por la Financiadora de Estudios y Proyectos (Finep) e inaugurado en marzo de 2008, el Laboratorio de Microscopía Electrónica (LME) cuenta con seis salas de alto desempeño, que ocupan 600 metros cuadrados, y cinco poderosos microscopios adquiridos a un costo de 8 millones de reales financiados por la FAPESP.

Son tres microscopios electrónicos de transmisión, destinados a analizar el ordenamiento atómico de los materiales en diferentes niveles de resolución, y dos microscopios electrónicos de barrido, que producen imágenes tridimensionales. De todos éstos, el más poderoso es el microscopio de transmisión analítica, adquirido en 2005 y que se encuentra en fase final de instalación, capaz de identificar los elementos químicos componentes del material estudiado. En diez años de actividad, que se cumplieron este mes, el laboratorio recibió a alrededor de 400 investigadores de distintas instituciones, que fueron capacitados para usar estos microscopios y efectuar las mediciones que necesitaban hacer, y generó centenares de artículos científicos.

Fuelle

paul krok / wikimedia commonsFuellepaul krok / wikimedia commons

En el experimento que reveló el nuevo formato de nanotubo, Ugarte y el físico peruano Maureen Lagos, alumno de doctorado de Ugarte en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), dispusieron una delgadísima lámina de plata, con decenas de átomos de espesor y millares de anchura, en un microscopio de transmisión de alta resolución. Este microscopio genera imágenes ampliadas millones de veces, lo suficiente como para discernir entre átomos. Luego, los físicos bombardearon la hoja de plata con haces de electrones (partículas de carga eléctrica negativa), expulsando miles de átomos y dejándola como si fuera un queso suizo. Al agujerear la hoja, esculpieron bastones ultramicroscópicos que, al quedar con ocho átomos de espesor, empezaban a alargarse espontáneamente hasta romperse, como un chicle que se lo estirase por las puntas.

Como el estiramiento completo transcurre en pocos segundos y los átomos no están inmóviles, aunque enfriados a 150 grados negativos, Ugarte y Lagos, con la ayuda de los físicos Jefferson Bettini y Varlei Rodrigues, filmaron la transformación de los bastones para analizarla cuadro por cuadro. A medida que el metal se estiraba y se afinaba en la región central, sus átomos se reorganizaban hasta formar un hilo de un átomo de espesor y reventaban. Entre la forma de bastón y la de collar de perlas, los físicos de Campinas vieron surgir la menor estructura tridimensional y hueca que la plata logra asumir: un tubo cuya base era formada por cuatro átomos.

Tensiones y giros – No fue fácil identificar esta estructura. Las imágenes en dos dimensiones mostraban solamente el perfil del tubo: secuencias de dos átomos, intercaladas por otros tres, que se apilaban como bolitas de vidrio. Como sabían que los átomos de plata tienden a organizarse con una estructura tridimensional en forma de cubo, los físicos enseguida se imaginaron que donde veían dos átomos habría cuatro. Dos estaban ocultos, explica Ugarte.

El problema era saber cuántos existían en las capas en que veían tres átomos. De entrada, Ugarte y Lagos pensaron que las mismas también ocultasen otros dos  y esa capa contuviera un total de cinco, tal como sugerían otros modelos. Si eso de efectivamente ocurriese, el centro del tubo sería macizo y no hueco. Reevaluando las distancias existentes entre los átomos, Ugarte y Lagos arribaron a la conclusión de que había algún error. En realidad, las capas con tres átomos también contenían cuatro, solamente uno más de lo que habían imaginado. Esas capas aparecían con tres átomos porque habían girado 45 grados sobre el eje central, encubriendo a uno de ellos. Sabíamos lo que había ocurrido, pero no entendíamos por qué, comenta el físico argentino.

Con base en tales informaciones, los físicos Douglas Galvão y Fernando Sato, ambos de la Unicamp, crearon un programa de computadora que simula el movimiento de los átomos y las fuerzas que los mantienen unidos. Y establecieron que los nanotubos huecos surgían cuando el bastón de plata era sometido a tensiones elevadas y la distancia entre los átomos de una de las hileras disminuía ligeramente, mientras que los de la hilera siguiente giraban 45 grados, alargando la estructura como un fuelle de se llena de aire o, al decir de Ugarte, como un bandoneón tanguero. En ese alargamiento, el nanotubo hueco alcanzó una longitud casi dos veces mayor que la que el bastón tenía inicialmente. Esperamos que estas estructuras se formen también en hilos de cobre, que deben constituir los conductores eléctricos en los nanocircuitos del futuro, dice Ugarte. En caso de que se formen, los nanoalambres de cobre ganarán en elasticidad y resistencia. Conocer cómo se deforman estas estructuras, comenta Ugarte, es esencial para entender dos propiedades fundamentales para la manipulación de nanomateriales aún poco conocidas: el rozamiento y la adherencia.

Los proyectos
1. Centro de microscopia electrónica de alta resolución (nº 96/04241-5); Modalidad Programa Infraestructura 3; Coordinador Daniel Ugarte – Unicamp y LNLS; Inversión R$ 2.621.484,09 (FAPESP)
2. Analytical transmission electron microscope for spectroscopic nanocharacterization of materials (nº 02/04151-9); Modalidad Auxilio Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Daniel Ugarte – Unicamp y LNLS; Inversión R$ 5.241.219,61 (FAPESP)
3. Mantenimiento y reparación de equipos; Modalidad Reparación de equipos; Coordinador Daniel Ugarte – Unicamp y LNLS; Inversión R$ 189.298,06 (FAPESP)
4. Manutenção e reparo de equipamentos; Modalidade Bolsa de mestrado e doutorado; Coordenador Daniel Ugarte – Unicamp e LNLS; Investimento R$ 602.737,95 (FAPESP)

Artículo científico
LAGOS, M.J. et al. Observation of the smallest metal nanotube with a scuare cross-section. Nature Nanotechnology. v. 4. p. 149-152. 25 jan. 2009.

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