Cómo disparar proyectiles a través de materiales sin romper nada
Suena un poco como un truco de magia
Cuando se disparan partículas cargadas a través de capas ultrafinas de material, a veces se producen microexplosiones espectaculares y otras veces el material permanece casi intacto. Esto se ha explicado ahora en la Universidad Técnica de Viena.
Los autores del estudio de la TU Wien: de izquierda a derecha: Friedrich Aumayr, Christoph Lemell, Anna Niggas, Alexander Sagar Grossek, Richard A. Wilhelm
David Rath, TU Wien
Parece un truco de magia: algunos materiales pueden ser atravesados por iones rápidos y cargados eléctricamente sin mostrar agujeros después. Lo que sería imposible a nivel macroscópico se permite a nivel de partículas individuales. Sin embargo, no todos los materiales se comportan igual en estas situaciones: en los últimos años, distintos grupos de investigación han realizado experimentos con resultados muy diferentes.
En la TU Wien (Viena, Austria), se ha podido encontrar ahora una explicación detallada de por qué algunos materiales se perforan y otros no. Esto es interesante, por ejemplo, para la elaboración de membranas finas, que se supone que tienen nanoporos hechos a medida para atrapar, retener o dejar pasar átomos o moléculas muy específicas en ellas.
Materiales ultrafinos: el grafeno y sus homólogos
"Hoy en día existe toda una gama de materiales ultrafinos que constan de sólo una o unas pocas capas atómicas", explica el profesor Christoph Lemell, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena. "Probablemente el más conocido de ellos es el grafeno, un material formado por una sola capa de átomos de carbono. Pero también se están investigando otros materiales ultrafinos en todo el mundo, como el disulfuro de molibdeno".
En el grupo de investigación del profesor Friedrich Aumayr, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Viena, estos materiales se bombardean con proyectiles muy especiales: iones altamente cargados. Toman átomos, normalmente gases nobles como el xenón, y los despojan de un gran número de electrones. Así se crean iones con una carga eléctrica entre 30 y 40 veces superior. Estos iones se aceleran y luego golpean la fina capa de material con gran energía.
"Según Anna Niggas, física experimental del Instituto de Física Aplicada, "los efectos son completamente diferentes según el material". Otras veces, la capa de material que rodea el lugar del impacto queda completamente destruida, se desprenden numerosos átomos y se forma un agujero de unos pocos nanómetros de diámetro."
La velocidad de los electrones
Estas sorprendentes diferencias se explican por el hecho de que no es el impulso del proyectil el principal responsable de los agujeros, sino su carga eléctrica. Cuando un ion con carga positiva múltiple choca con la capa de material, atrae una mayor cantidad de electrones y se los lleva consigo. Esto deja una región cargada positivamente en la capa de material.
El efecto que tiene esto depende de la rapidez con la que los electrones pueden moverse en este material. "El grafeno tiene una movilidad de electrones extremadamente alta. Así que esta carga positiva local puede equilibrarse allí en poco tiempo. Los electrones simplemente fluyen desde otros lugares", explica Christoph Lemell.
En otros materiales, como el disulfuro de molibdeno, sin embargo, las cosas son diferentes: allí, los electrones son más lentos, no pueden ser suministrados a tiempo desde el exterior al lugar del impacto. Así que se produce una miniexplosión en el lugar del impacto: Los átomos cargados positivamente, de los que el proyectil ha tomado sus electrones, se repelen entre sí, salen volando - y esto crea un poro de tamaño nanométrico.
"Ahora hemos podido desarrollar un modelo que nos permite estimar muy bien en qué situaciones se forman agujeros y en cuáles no, y esto depende de la movilidad de los electrones en el material y del estado de carga del proyectil", afirma Alexander Sagar Grossek, primer autor de la publicación en la revista Nano Letters.
El modelo también explica el sorprendente hecho de que los átomos expulsados del material se muevan con relativa lentitud: La alta velocidad del proyectil no les importa; se desprenden del material por repulsión eléctrica sólo cuando el proyectil ya ha atravesado la capa de material. Y en este proceso, no toda la energía de la repulsión eléctrica se transfiere a los átomos pulverizados: una gran parte de la energía se absorbe en el material restante en forma de vibraciones o calor.
Tanto los experimentos como las simulaciones se realizaron en la Universidad de Viena. El conocimiento resultante de los procesos superficiales atómicos puede utilizarse, por ejemplo, para dotar a las membranas de "nanoporos" a medida. Por ejemplo, se podría construir un "tamiz molecular" o sujetar determinados átomos de forma controlada. Incluso se ha pensado en utilizar estos materiales para filtrar elCO2 del aire. "Gracias a nuestros descubrimientos, ahora tenemos un control preciso sobre la manipulación de materiales a escala nanométrica. Esto proporciona una herramienta totalmente nueva para manipular películas ultrafinas de forma calculable y precisa por primera vez", afirma Alexander Sagar Grossek.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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