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El estudio de la materia a escala nano y sus posibles aplicaciones 

Ene 09, 2017

Ciudad de México. Con el desarrollo de tecnologías como el microscopio electrónico o el láser, y de los sistemas de cómputo, los científicos han podido estudiar a profundidad las propiedades y los cambios de los sistemas nanométricos. “Ahora es más fácil poder crear sistemas a escalas nanométricas y también tener mayor control, porque cuando a un sistema a nanoescala se le cambia la forma puede responder de manera distinta, por ejemplo, a diferentes tipos de luz; lo mismo sucede si se le agrega o se le quita un átomo”, indicó la doctora Ana Cecilia Noguez Garrido, del Instituto de Física de la UNAM.

La también integrante de la Academia Mexicana de Ciencias se ha dedicado a estudiar las propiedades físicas de sistemas nanométricos, en particular, de cómo responden sus propiedades físicas ante la luz en función de su morfología y su composición atómica, entre otras características. El trabajo que ha desarrollado a lo largo de los años es teórico y computacional, ya que busca estudiar este tipo de sistemas y hacer comparaciones directas a través de experimentos.

Al respecto de los cambios en esta área de investigación, Noguez Garrido señaló que ahora los procesos por los que se fabrican los sistemas nanométricos, así como los métodos que permiten observar y medir las propiedades de estos sistemas son más precisos, y “las simulaciones nos ayudan a predecir nuevas propiedades para después ir al laboratorio y tratar de medirlas”.

Investigación a escala nano

La palabra “nano” es un prefijo que hace referencia a la mil millonésima parte de algo, y las repercusiones que puede tener la materia a esta escala son más significativas entre más complejo se vuelve el sistema.

Las nanoestructuras, que es el principal tema de estudio de la doctora Noguez Garrido, pueden tener diferente forma, tamaño y composición, y de estas características depende el tipo de luz que la nanoestructura absorbe. La respuesta a la luz a escala nanométrica es distinta a como se observa en nuestra escala, los responsables de la absorción a la escala nano son los plasmones de superficie, y la plasmónica es el estudio y control de estos para el desarrollo de nuevos dispositivos y herramientas mediante el diseño apropiado de nanoestructuras.

El Sol nos transfiere energía a través de ondas electromagnéticas, aunque no estamos en contacto directo con él, este nos radia energía y hay una transferencia de calor, “queremos estudiar esta transferencia en sistemas muy pequeños (a escala nano), para controlar y manipular la energía radiativa del Sol o de otras fuentes utilizando la plasmónica”.

Como las nanopartículas tienen respuestas que dependen de sus formas, sus tamaños y del arreglo de las nanopartículas, la hipótesis de la investigadora y de su equipo de colaboradores es que podrían controlar cómo se transfiere el calor o la energía, partiendo de los mismos principios por los que las nanopartículas responden a la luz.

“La idea es entender estos fenómenos a escala nanométrica y tratar de crear aplicaciones en sistemas de enfriamiento o en la captura de energía solar de una forma más eficiente, así como transportar esta energía a otros sistemas a escala macro”.

Otro de los proyectos en los que la especialista en la física de la materia a escala nanométrica trabaja tiene que ver con discriminar productos que se sintetizan en el laboratorio y que son quirales, que tienen dos formas en espejo y no se pueden superponer uno con otro, a cada uno de estos se les llama enantiómeros.

La quiralidad es una característica de todos los seres vivos. En los humanos las extremidades son quirales y no podemos superponer nuestras manos, ya que esto solo sería posible si ambas fueran derechas o izquierdas. “A nivel molecular todos los seres vivos tenemos una sola quiralidad de aminoácidos (izquierdos) y azúcares (derechos), por lo que la interacción con agentes externos de naturaleza quiral, como las moléculas sintéticas o nanopartículas, es distinta cuando se trata del enantiómero izquierdo o el derecho”.

Hemos trabajado con sistemas de dos placas de grafeno a las que le damos una propiedad de quiralidad, al poner una placa encima de la otra, rotadas una con respecto a la otra. Esto puede tener muchas aplicaciones, desde cómo controlar el espín de los electrones –el cual solamente posee dos posibles orientaciones en presencia de un campo magnético: paralelo (espín-up) o antiparalelo (espín-down) – y crear corrientes electrónicas con esta propiedad del espín (corrientes eléctricas polarizadas), hasta la detección y separación de biomoléculas quirales.

Reconocimiento a una trayectoria

“Lo que me gusta de la física es que permite la interacción con el mundo real, esto a través de experimentos o con el intercambio de ideas entre personas que trabajan en temas de los que faltan aspectos por entender, tal es el caso de la nanociencia”, señaló Cecilia Noguez.

Acerca de esta área de estudio, la investigadora comentó que es multidisciplinaria y se han creado equipos de trabajo numerosos, además se han desarrollado mejores herramientas, tanto computacionales como experimentales, para entender estos sistemas nanométricos. “Sin embargo, son muchos los retos pendientes, en especial porque distintas teorías no se pueden aplicar a escalas nano, por ejemplo, el concepto de temperatura que es un concepto macroscópico, y por lo tanto es muy complicado trasladarlo a un sistema conformado por pocos átomos”.

Otro de los retos es cómo tener sistemas con nanopartículas uniformes para que todos respondan igual, y cómo construir arreglos que tengan propiedades físicas que no existen en la naturaleza. “En este sentido, ganar el Premio Nacional de Ciencias 2016 en el área de ciencias físico-matemáticas y naturales, me motiva a seguir trabajando con mis estudiantes y colegas en nuevos proyectos que signifiquen retos en la frontera de la física”.

Redacción MD

 

 

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