Un gran avance en nanociencia: Sondeo de partículas más pequeñas que la milmillonésima parte de un metro

17.12.2019 - Japón

Los científicos del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) desarrollaron una nueva metodología que permite a los investigadores evaluar la composición química y la estructura de partículas metálicas con un diámetro de sólo 0,5 a 2 nm. Este avance en las técnicas analíticas permitirá el desarrollo y la aplicación de materiales minúsculos en los campos de la electrónica, la biomedicina, la química, y más.

El estudio y el desarrollo de nuevos materiales han permitido innumerables avances tecnológicos y son esenciales en la mayoría de los campos de la ciencia, desde la medicina y la bioingeniería hasta la electrónica de vanguardia. El diseño y análisis racional de materiales innovadores a escala nanoscópica nos permite superar los límites de los dispositivos y metodologías anteriores para alcanzar niveles de eficiencia y nuevas capacidades sin precedentes. Tal es el caso de las nanopartículas metálicas, que actualmente están en el punto de mira de la investigación moderna debido a sus múltiples aplicaciones potenciales. Un método de síntesis recientemente desarrollado que utiliza moléculas de dendrímero como plantilla permite a los investigadores crear nanocristales metálicos con diámetros de 0,5 a 2 nm (milmillonésimas de metro). Estas partículas increíblemente pequeñas, llamadas "subconjuntos" (SNCs), tienen propiedades muy distintivas, como ser excelentes catalizadores de reacciones (electro)químicas y presentar fenómenos cuánticos peculiares que son muy sensibles a los cambios en el número de átomos constituyentes de los conglomerados.

Desafortunadamente, los métodos analíticos existentes para estudiar la estructura de materiales y partículas a nanoescala no son adecuados para la detección de SNC. Uno de estos métodos, llamado espectroscopia Raman, consiste en irradiar una muestra con un láser y analizar los espectros dispersos resultantes para obtener una huella dactilar molecular o un perfil de los posibles componentes del material. Aunque la espectroscopia Raman tradicional y sus variantes han sido herramientas inestimables para los investigadores, todavía no pueden ser utilizadas para las SNCs debido a su baja sensibilidad. Por lo tanto, un equipo de investigación de Tokyo Tech, incluyendo al Dr. Akiyoshi Kuzume, el Prof. Kimihisa Yamamoto y sus colegas, estudiaron una forma de mejorar las mediciones de espectroscopia Raman y hacerlas competentes para el análisis SNC.

Un tipo particular de enfoque de espectroscopia Raman se llama espectroscopia Raman de superficie mejorada. En su variante más refinada, las nanopartículas de oro y/o plata encerradas en una fina capa de sílice inerte se añaden a la muestra para amplificar las señales ópticas y aumentar así la sensibilidad de la técnica. El equipo de investigación se centró en primer lugar en la determinación teórica de su tamaño y composición ópticos ópticos de plata de 100 nm (casi el doble del tamaño utilizado habitualmente) que pueden amplificar en gran medida las señales de las SNCs adheridas a la capa de sílice porosa. "Esta técnica espectroscópica genera selectivamente señales Raman de sustancias que se encuentran muy cerca de la superficie de los amplificadores ópticos", explica el profesor Yamamoto. Para poner a prueba estos hallazgos, midieron el espectro Raman de las SNCs de óxido de estaño para ver si podían encontrar una explicación en su composición estructural o química para su inexplicablemente alta actividad catalítica en ciertas reacciones químicas. Al comparar sus mediciones Raman con simulaciones estructurales y análisis teóricos, encontraron nuevos conocimientos sobre la estructura de las SNCs de óxido de estaño, explicando el origen de la actividad catalítica específica dependiente de la atomicidad de las SNCs de óxido de estaño.

La metodología empleada en esta investigación podría tener un gran impacto en el desarrollo de mejores técnicas analíticas y ciencia a subnanoescala. "La comprensión detallada de la naturaleza física y química de las sustancias facilita el diseño racional de subnomateriales para aplicaciones prácticas. Los métodos espectroscópicos altamente sensibles acelerarán la innovación de materiales y promoverán la subnanociencia como un campo de investigación interdisciplinario", concluye el profesor Yamamoto. Avances como el presentado por este equipo de investigación serán esenciales para ampliar el ámbito de aplicación de los subnomateriales en diversos campos, incluidos los biosensores, la electrónica y los catalizadores.

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