Ciencia minimalista: expertos del CIOp fabricaron partículas más pequeñas que las nanométricas por métodos no contaminantes

Como si las dimensiones y propiedades de los materiales a escala nano –el tamaño que representa la millonésima parte de 1 milímetro– no fueran todavía suficientemente sorprendentes a pesar de las seis décadas que han pasado desde su descubrimiento, ahora los estudios científicos se orientan hacia la búsqueda de partículas aún más pequeñas llamadas “nanoclusters”, cuyo atractivo radica en que presentan características que difieren ya no solo de los elementos a escala macroscópica, es decir visible a los ojos, sino también de sus versiones nanométricas. Por caso, una novedad publicada recientemente en la revista científica Scientific Reports tiene como protagonistas a expertos del Centro de Investigaciones Ópticas (CIOp, CONICET-UNLP-CICPBA), que lograron su obtención por medio de un método sustentable y no contaminante.

“El trabajo muestra la capacidad de obtener este tipo de material subnanométrico, que presenta características altamente novedosas, a través de técnicas sencillas y limpias”, señala Daniel Schinca, investigador de la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA) y director del CIOp. El método al que se refiere es la ablación en líquidos con láseres pulsados de corta duración, un procedimiento por el cual un rayo láser arranca el material de la superficie de un objeto sólido al actuar sobre él, teniendo como resultado la obtención de partículas de entre 1 y 100 nanómetros (nm) –algo que se puede ejemplificar pensando en el diámetro de un cabello humano dividido en 100 mil–, y que están formadas por cientos o miles de átomos. Los autores lograron algo sin antecedentes: fabricar nanoclusters, es decir estructuras que no superan los 20 átomos de tamaño, con este mismo sistema.

El equipo que se necesita para llevarlo a cabo es un sistema láser amplificado, de los cuales hay pocos en el país y uno de ellos está en el CIOp. La duración de los pulsos que arroja es del orden de los 100 femtosegundos, un tiempo extremadamente breve teniendo en cuenta que 1 femtosegundo es la billonésima parte de 1 milisegundo. “Cuando un pulso láser ultrarrápido es enfocado sobre una muestra de un metal sumergido en un líquido, se genera el desprendimiento de iones y átomos que quedan suspendidos y que en pocos microsegundos se nuclean para formar partículas de dimensiones nanométricas”, explica Schinca. Ajustando adecuadamente la energía de los pulsos y tras un meticuloso proceso de centrifugación fraccionada de las soluciones obtenidas, los científicos pudieron separar los nanoclusters de las nanopartículas. “Si bien este método por ablación láser no es nuevo, está menos explotado que los procesos de síntesis química convencionales, cuya desventaja principal es que necesitan aditivos que luego dejan compuestos residuales, algo que no sucede con la técnica descripta”, añade Lucía Scaffardi, investigadora del CONICET en el CIOp.

Así como se sabe que el color de los materiales a escala nano difiere del que presentan en tamaño macro, se ha comprobado que a su vez las tonalidades se van perdiendo cuando alcanzan versiones subnanométricas. Un ejemplo típico es el de la plata, que a nivel nano pasa del gris al amarillo, pero profundizando en escalas más pequeñas se vuelve incolora para las estructuras obtenidas de menos de 20 átomos. “Estas coloraciones dependen del tamaño de las partículas y pueden ser identificadas a través de la absorción de luz, que presenta un máximo en la región del espectro característico de cada cuerpo metálico”, explica Jésica Santillán, investigadora del CONICET en el CIOp. Lo sorprendente es que, junto con los colores, también se transforman las propiedades y así, por caso, hay metales que pueden no solamente perder su cualidad característica de conducción de la electricidad, sino virar a su opuesto y convertirse nada menos que en aislantes eléctricos.

Si bien el equipo del CIOp viene experimentando desde hace años con distintos elementos de la tabla periódica, en el último tiempo se concentró especialmente en la fabricación y el estudio de las nanopartículas con aplicaciones más importantes, como las de plata y cobre, valoradas por sus propiedades antibacterianas, y las de óxido de hierro, debido a sus cualidades magnéticas. “En el caso de los nanoclusters, los que obtuvimos a partir de la plata resultaron ser altamente eficientes para procesos como la fluorescencia, un fenómeno por el cual algunas sustancias absorben la luz y toman un determinado color que las vuelve visibles; y la fotocatálisis, es decir la aceleración de una reacción desencadenada por la interacción con la luz en la que se inducen procesos de oxidación y reducción que tienen aplicaciones en descontaminación ambiental y tratamiento de aguas, ente otras”, se entusiasma David Muñetón Arboleda, investigador del CONICET y otro de los autores del trabajo.

Por Mercedes Benialgo

Referencias bibliográficas:

Jesica M. J. Santillán, David Muñetón Arboleda, Diego Muraca, Daniel C. Schinca and Lucía B. Scaffardi, Scientific Reports, Nature, mayo 2020. Highly fluorescent few atoms silver nanoclusters with strong photocatalytic activity synthesized by ultrashort light pulses.  DOI: 10.1038/s41598-020-64773-z 

Sobre investigación:

Jésica M. J. Santillán. Investigadora adjunta. CIOp.

David Muñetón Arboleda. Becario posdoctoral. INIFTA.

Diego Muraca. Universidad Estadual de Campinas. Brasil.

Daniel C. Schinca. Investigador principal CICPBA. CIOp.

Lucía B. Scaffardi. Investigadora principal ad honorem. CIOp.