Las nanopartículas perforan a voluntad el silicio
Una técnica industrial para producir silicio y vidrio porosos abre nuevas perspectivas para numerosas aplicaciones
Un equipo de investigación de Hamburgo ha desarrollado un nuevo método para producir una red de poros de grandes a muy finos en silicio y vidrio. En la fuente de rayos X PETRA III del DESY, los científicos dirigidos por los investigadores Stella Gries y Patrick Huber pudieron analizar la porosidad mediante tomografía de rayos x. El método para producir microcanales y nanocanales, que el equipo presenta en la revista Small, es fácil de controlar, extremadamente variable y funciona incluso con grandes volúmenes de materiales. Por eso es ideal para aplicaciones industriales.
Las nanopartículas de plata son capaces de perforar nanocanales en el silicio macroporoso y, de este modo, porosificar jerárquicamente el silicio a escala de oblea. Los gráficos presentan el material poroso real combinado con una ilustración del proceso de porosificación, es decir, el grabado químico y, por tanto, la formación de poros a lo largo de las trayectorias de partículas de plata autopropulsadas que actúan catalíticamente bajo el desarrollo de burbujas de hidrógeno en solución acuosa.
DESY/TUHH, AG Huber
En las redes de carreteras, el método es una práctica habitual: mientras que las grandes autopistas proporcionan conexiones rápidas para el tráfico de larga distancia, las pequeñas carreteras y carriles pueden utilizarse para llegar hasta los rincones más remotos del país, aunque mucho más lentamente. La naturaleza suele hacer lo mismo, por ejemplo en los pulmones o en las plantas: los bronquios o las redes de grandes capilares de las hojas permiten transportar rápidamente el aire o el agua a través de los tejidos, y luego los canales se ramifican y estrechan hasta llegar a los diminutos alvéolos o poros, donde tienen lugar importantes funciones locales, como suministrar oxígeno a la sangre o realizar la fotosíntesis. Estas estructuras altamente eficientes se conocen como sistemas porosos jerárquicos y, al estar divididas en unidades grandes y pequeñas, pueden encargarse de la distribución extensiva o de funciones locales.
El equipo de investigación dirigido por Gries, estudiante de doctorado del DESY, es ahora capaz de producir cristales de silicio con sistemas porosos jerárquicos de este tipo. Para conseguirlo, los científicos recubrieron obleas de silicio, que ya tenían canales rectos de un micrómetro de diámetro que las atravesaban, con nanopartículas de plata. Las partículas, de entre 20 y 60 nanómetros, se depositan en la superficie de la oblea. A continuación, los científicos expusieron las obleas a una solución corrosiva de ácido fluorhídrico y peróxido de hidrógeno, desencadenando un proceso fascinante y, a primera vista, increíble: las nanopartículas perforaron el silicio, disolviendo el cristal de silicio en las superficies donde la partícula de plata estaba en contacto con el silicio. Al igual que en el popular juego de ordenador Pac-Man, las partículas de plata se adentran cada vez más en el sólido, dejando tras de sí una fina red de túneles. La energía cinética para la propulsión dirigida de las partículas procede de una reacción química de descomposición, es decir, la conversión del peróxido de hidrógeno en agua e hidrógeno y el "consumo" del silicio. Las partículas de plata se comportan como pequeños comecocos autónomos que catalizan la reacción y permiten así su propia propulsión a través del cristal de silicio. El sistema de túneles resultante se autoorganiza para crear la estructura porosa jerárquica tridimensional deseada.
El equipo de investigadores utilizó diversos métodos para investigar la porosidad del silicio. Con ayuda de imágenes tomográficas de rayos X tomadas en la línea de luz P05 de PETRA III, pudieron resolver la estructura interna a escala nanométrica. "Vemos que el proceso de grabado perfora sistemáticamente todo el cristal, creando nanoporos de menos de 100 nanómetros", explica la autora principal, Gries, que desarrolló este método en el grupo de Patrick Huber durante su tesis de máster y ahora está llevando a cabo nuevas investigaciones como parte de su doctorado. "Ajustando el tamaño de las nanopartículas y la duración del procedimiento, podemos controlar con precisión la profundidad a la que se extiende el sistema poroso jerárquico", añade Manuel Brinker, miembro del grupo que ayudó a supervisar la investigación de Stella Gries. Las exposiciones más prolongadas producen poros que penetran hasta los canales principales paralelos de la oblea de silicio, conectándolos entre sí. Por el momento, sólo se conocen parcialmente los mecanismos exactos que conducen al movimiento de las partículas y, por tanto, a la formación de la red de canales. A veces, por ejemplo, las partículas se desplazan por trayectorias en espiral, dando lugar a nanocanales en forma de espiral en el silicio, y a veces cambian de dirección bruscamente, lo que sugiere que las partículas están girando. La red de poros producida tiene una estructura esponjosa y, por tanto, no tiene una orientación preferente, a diferencia de los grandes canales principales. "Sospechamos que la forma geométrica de las nanopartículas de plata influye mucho en el modo en que las partículas penetran en el silicio", afirma Gries.
En un paso posterior, los científicos calentaron el silicio perforado a más de 800 grados centígrados en una atmósfera que contenía oxígeno. Las paredes entre los túneles son tan finas que el silicio se oxidó por completo para formar dióxido de silicio, coloquialmente conocido como vidrio. Para gran sorpresa de los científicos, la estructura de los canales no se destruyó a pesar de la considerable reordenación de los átomos y la expansión de las paredes al incorporarse el oxígeno. Esto significa que la estructura de poros abiertos permite transformar las obleas en vidrio poroso jerárquico. El equipo consiguió hacer transparente este material, que tiene un aspecto lechoso debido a la forma en que sus poros reflejan la luz blanca, infiltrándolo con agua. Esto significa que la cantidad de luz absorbida por el vidrio puede controlarse muy fácilmente humedeciendo y secando el material, un efecto que podría utilizarse, por ejemplo, para funciones sencillas en ventanas, que podrían conmutarse según la humedad del aire. Estos vidrios inteligentes podrían conmutarse con relativa rapidez porque la humectación y el secado pueden tener lugar rápidamente en todo el volumen gracias a las vías de transporte multiescala.
En general, los científicos prevén una amplia gama de aplicaciones potenciales, incluida la tecnología energética. "El silicio sigue teniendo el mayor potencial para servir como material de electrodos para baterías de iones de litio", afirma Patrick Huber (DESY y TU Hamburgo). "Nuestra nueva técnica de grabado puede constituir la base de una nueva generación de celdas de batería con una alta densidad de carga y un gran número de ciclos de carga, si resulta que no sólo la vitrificación, es decir, la incorporación de oxígeno, sino también la incorporación de litio preserva la estructura interna gracias a la porosidad jerárquica de los cristales de silicio. En el silicio no poroso, esta litiación suele destruir el material".
El siguiente paso será comprender aún mejor cómo afectan los parámetros de fabricación a la porosidad y qué es exactamente lo que impulsa a las partículas de plata cuando perforan el material. Stella Gries se propone estudiar este tema en su doctorado. En una próxima etapa, también investigaremos la litiación del silicio poroso jerárquico en colaboración con otros socios".
El procedimiento, para el que los investigadores han solicitado una patente, se desarrolló en el marco del Centro de Sistemas Integrados de Materiales Multiescala, CIMMS, y el Centro de Investigación Colaborativa "SFB 986: Tailor-Made Multiscale Materials Systems", con sede en la Universidad Tecnológica de Hamburgo.
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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