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Una guía de esponja para el nanoensamblaje
Uno de los objetivos continuos de la nanotecnología es crear de forma fácil y económica materiales de alto rendimiento estructurados a nanoescala. Y una de las estrategias más prometedoras es intentar imitar la notable capacidad de la naturaleza para autoensamblar formas complejas con precisión a nanoescala. Ahora, investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara (UCSB), utilizando pistas obtenidas de esponjas marinas, han desarrollado un método para sintetizar materiales semiconductores con estructuras útiles y propiedades electrónicas novedosas. Las primeras aplicaciones podrían ser formas de fabricar materiales para baterías más potentes y células solares altamente eficientes a un precio más bajo.
Esta estructura de vidrio, formada por una especie de esponja marina, ayudó a inspirar a los científicos a estudiar dichos organismos para aprender a ensamblar fácilmente estructuras complejas a nanoescala. (Cortesía de James Weaver y Daniel E. Morse, Universidad de California, Santa Bárbara).
Estamos accediendo a estructuras que en algunos casos nunca antes se habían logrado. Y en algunos casos estamos descubriendo propiedades electrónicas que nunca antes se habían conocido para esa clase de materiales, dice Daniel Morse , profesor de genética molecular y bioquímica en UCSB, quien dirigió el proyecto. El método funciona con una amplia variedad de materiales. Hasta ahora, dice, el grupo ha producido 30 tipos diferentes de óxidos, hidróxidos y fosfatos.
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Las células solares y las baterías de hoy en día se ven frenadas, en parte, por su capacidad limitada para transportar portadores de carga eléctrica, como electrones e iones positivos, dentro y fuera de los materiales activos. Un avance que podría ayudar es aumentar el área de superficie de un material, mientras que al mismo tiempo se mantiene una estructura de película delgada que se puede incorporar fácilmente como una capa de electrodo en un dispositivo.
Morse y sus colegas comenzaron su investigación estudiando los métodos utilizados por las esponjas marinas para hacer intrincados esqueletos de vidrio llamados espículas (ver ilustración). Un tipo de esponja produce un cilindro que parece estar hecho de fibras de vidrio tejidas, aunque no está tejido en absoluto, sino ensamblado molécula por molécula para formar la estructura.
En particular, los investigadores estudiaron un tipo de esponja que fabrica diminutas agujas de vidrio. Descubrieron que los genes responsables de las estructuras de vidrio codifican enzimas que sirven como plantilla física para la estructura y como catalizador para ensamblar precursores moleculares en el material deseado.
Los científicos desarrollaron un método de síntesis que utiliza los principios básicos detrás del método de ensamblaje natural: catálisis lenta y el uso de una plantilla física. Descubrieron que podían ensamblar no solo vidrio, sino también una variedad de materiales semiconductores que podrían ser útiles en dispositivos.
El método comienza con una solución de precursores moleculares. Luego, los investigadores exponen la solución al vapor de amoníaco, que, a medida que se difunde lentamente en la solución, actúa como catalizador. La plantilla física del material es la superficie de la solución. En esta superficie, donde la concentración de vapor es mayor, el material forma una película delgada.
Al principio, los cristales se forman en la [superficie], pero con el tiempo comienzan a proyectarse hacia la solución como estalactitas que crecen desde el techo de una cueva, dice Morse. Lo que se obtiene es una fina película nanoestructurada de semiconductor con un área de superficie muy alta debido a todas las placas delgadas o agujas que se proyectan hacia abajo en la solución.
El método funciona a bajas temperaturas, aproximadamente a temperatura ambiente, mientras que las técnicas convencionales para hacer películas delgadas semiconductoras requieren altas temperaturas: 400 grados Celsius, dice Morse. Tampoco requiere ácidos y bases agresivos que se utilizan con frecuencia. Además de abaratar y facilitar el proceso, las condiciones suaves podrían llevar a dispositivos que incorporen materiales que serían imposibles de usar con procesos convencionales. A veces, por ejemplo, los materiales que se pueden usar en un dispositivo están limitados por las altas temperaturas que se usan para fabricar los materiales. Si puede hacerlos todos a temperatura ambiente, entonces puede doparlos con dopantes que normalmente no podría usar a alta temperatura, dice Angela Belcher , profesor de ciencia e ingeniería de materiales e ingeniería biológica en el MIT, que encuentra el trabajo de Morse muy emocionante.
En última instancia, la recompensa del trabajo de Morse en el estudio de los mecanismos biológicos puede ser más que nuevas películas delgadas, dice Aravinda Kini , Gerente de programas de ciencia e ingeniería de materiales del Departamento de Energía de EE. UU. Aunque el proceso actual funciona solo para películas delgadas, una mayor comprensión de los métodos de catálisis y creación de plantillas de las esponjas podría algún día hacer posible la fabricación de piezas complejas de máquinas juntando moléculas. Todavía es un sueño, pero imagina que la pala de un motor de avión se ensambla de abajo hacia arriba, sin defectos, sin métodos de fabricación muy costosos, dice. Eso es lo que es posible. Eso es lo que sueña la gente.
Imagen de la página de inicio cortesía de Kristian Roth, Birgit Schwenzer y Daniel E. Morse, Universidad de California, Santa Bárbara.