Nanoquim: materiales avanzados a escala nanométrica

Los laboratorios de la Plataforma Nanoquim, del Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC, están especializados en la preparación de materiales nanoestructurados. Aquí se pueden obtener nanopartículas, nanohilos, nano-recubrimientos o ensamblajes moleculares por diferentes procesos químicos.

 

Una campana con ambiente controlado en la Sala Blanca Nanoquim. Las propiedades de los materiales se ven profundamente modificadas cuando tienen dimensiones nanométricas. Tanto su habilidad para desarrollar nuevas funcionalidades electrónicas o magnéticas, como su capacidad para almacenar energía eléctrica  o generarla a partir de la luz del sol; su eficiencia para catalizar reacciones químicas o para transportar de forma controlada fármacos a células bien determinadas: todas estas características se ven mejoradas de forma espectacular si se diseña adecuadamente su estructura a la escala nanométrica.

Obtener materiales y dispositivos a estas escalas con costes suficientemente bajos y en grandes dimensiones requiere, sin embargo, un planteamiento totalmente diferente del que se había perseguido hasta ahora: es la denominada aproximación “bottom up”, de abajo a arriba, en la cual la estructura de los materiales se consigue ensamblando de forma dirigida y controlada los átomos o las moléculas siguiendo reglas de la Física o la Química.

Eso es lo que hacen en los laboratorios de la Plataforma Nanoquim, del Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC, especializados en la preparación de materiales nanoestructurados. Aquí se pueden obtener nanopartículas, nanohilos, nano-recubrimientos o ensamblajes moleculares por diferentes procesos químicos.

Ofrecen servicios técnicos a las empresas y a grupos de investigación en la evaluación y la preparación de nuevos materiales, y es el único laboratorio de su tipo en Cataluña, complementando las infraestructuras de sala blanca existentes en el Centro Nacional de Microelectrónica, más especializada en metodologías de la micro y nanoelectrónica. El conjunto de ambas instalaciones ha convertido al Barcelona Nanocluster de Bellaterra en uno de los focos más potentes del sur de Europa en esta materia.

Sala Blanca de Clase 10.000

Nanoquim consiste en una Sala Blanca de 200 metros cuadrados, de clase 10.000. Está formada por cinco laboratorios: Laboratorio de Fotolitografía óptica avanzada, Laboratorio de caracterización de materiales funcionales a la nanoescala, Laboratorio de caracterización Físico-Química y Nanofabricación, Laboratorio de Síntesis química y Laboratorio de humedad altamente controlada para soluciones no acuosas y crecimiento de nanoestructuras.

Laboratorio de litografía óptica avanzada.

Los usuarios de Nanoquim pueden optar por tres modalidades de uso: autousuarios, es decir, usuarios que tienen suficientes conocimientos técnicos como para trabajar en el laboratorio de forma autónoma; usuarios que requieren soporte de los científicos y técnicos del centro;  y usuarios que contratan servicios realizados por parte del personal técnico.

Nanocapas

Una de las aplicaciones más versátiles de estas tecnologías son las nanocapas, con las que se pueden cubrir y cambiar las propiedades de una superficie. Teresa Puig, profesora de investigación del CSIC y responsable científica de la Plataforma Nanoquim explica: “hay multitud de aplicaciones posibles. Desde recubrimientos para celdas solares basadas en la electrónica plástica debidamente protegidas de la humedad y la erosión, a recubrimientos hidrofóbicos, que repelen el agua, para proteger herramientas o conseguir tejidos que no se mojen o que presentan una cierta “inteligencia” a través de la introducción de nanopartículas magnéticas, luminiscentes o antibacterianas”.

Esta impresora, diseñada por investigadores del CSIC, usa como 'tinta' los materiales que formarán la nanocapa.

Otra aplicación está en los dispositivos electrónicos. “Se han miniaturizado tanto los chips”, dice Teresa Puig, “que cada vez los transistores deben ser más pequeños de forma que los recubrimientos aislantes necesarios en los transistores deben tener grosores de sólo unos nanómetros . Esto se puede conseguir con la técnica denominada “Atomic layer deposition”, basada en el uso de precursores químicos en fase vapor que se adhieren de forma controlada en los sustratos de los chips.

Otras técnicas disponibles en los laboratorios del ICMAB para obtener nanocapas son la inmersión, o la impresión por inyección de tinta– con una impresora especial que usa  una 'tinta' compuesta de los materiales que formarán la nanocapa. O la metodología denominada Self Assembly Monolayer (SAM’s), con la que se consigue crear monocapas de moléculas para aplicaciones en la electrónica plástica.

Materiales nanocomposites

Los ‘nanocomposites’ es una ingeniosa fórmula para combinar las propiedades de dos materiales distintos para generar una nueva funcionalidad. Su aplicación  a la obtención de capas superconductoras con capacidades mejoradas es uno de los desarrollos que valió a los investigadores del Institut de Ciència de Materials de Barcelona dos publicaciones en Nature Materials y un amplio reconocimiento internacional.  En la plataforma Nanoquim se dispone de tecnología para obtener este tipo de nanocomposites, que combinan nanopartículas con capas.

Horno de microondas para la síntesis de nanopartículas. El brazo robótico introduce el tubo de ensayo (en el centro, con un líquido transparente) que contiene el solvente orgánico  y los materiales a partir de los cuales se sintetizan las nanopartículas.En este caso, explica Teresa Puig, se sintetizan primero nanopartículas en un horno de microondas, se estabilizan en un solvente orgánico y se genera una suspensión estable. Después se deposita sobre un substrato esa suspensión mediante la técnica de inyección de tinta y se somete a un tratamiento térmico generando una capa superconductora con las nanopartículas embebidas.  Es así como los investigadores del CSIC consiguieron capas superconductoras extraordinariament mejoradas que podían generar campos magnéticos muy intensos.

Los hornos de síntesis por microondas de que dispone Nanoquim permiten obtener nanopartículas de 2 a 5 nanómetros de diámetro y muy homogéneas en tamaño. Dichas nanopartículas pueden usarse para objetivos muy diversos , tales como el transporte de fármacos,  los sensores magneto-ópticos o plasmónicos o para añadir propiedades avanzadas a productos tradicionales.