Iones muy cargados funden nano pepitas de oro

Estructuras diminutas de oro pueden ser manipuladas específicamente mediante bombardeo iónico; sorprendentemente, el factor decisivo no es la fuerza del impacto

30.03.2023 - Austria

Normalmente, en física tenemos que elegir: O nos ocupamos de cosas grandes, como una placa de metal y sus propiedades materiales, o de cosas diminutas, como átomos individuales. Pero también existe un mundo intermedio: El mundo de las cosas pequeñas pero aún no diminutas, en el que intervienen tanto efectos del mundo macroscópico como efectos del mundo microscópico.

Los experimentos realizados en la TU Wien se sitúan en este complicado mundo intermedio: Piezas de oro extremadamente pequeñas, formadas por unos pocos miles de átomos y con un diámetro del orden de diez nanómetros, son bombardeadas con iones altamente cargados. Esto permite cambiar la forma y el tamaño de estas piezas de oro de forma selectiva. Los resultados lo demuestran: Lo que ocurre en el proceso no puede imaginarse simplemente como el impacto de una pelota de golf en un búnker de arena: la interacción del ion y la pieza de oro es mucho más sutil.

Energía transferida por bombardeo iónico

"Trabajamos con átomos de xenón multiionizados. A estos átomos se les quitan hasta 40 electrones, por lo que están muy cargados eléctricamente", explica el profesor Richard Wilhelm, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena. Estos iones altamente cargados chocan contra pequeñas islas de oro colocadas sobre un sustrato aislante, y entonces pueden ocurrir cosas distintas: Las islas de oro pueden aplanarse, fundirse o incluso evaporarse. "Dependiendo de la carga eléctrica de nuestros iones, podemos desencadenar distintos efectos", explica Gabriel Szabo, primer autor del presente estudio, que actualmente trabaja en su tesis doctoral en el equipo de Richard Wilhelm.

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Los iones altamente cargados golpean las diminutas pepitas de oro a gran velocidad, a unos 500 kilómetros por segundo. Sin embargo, sorprendentemente no es la fuerza del impacto lo que cambia las islas de oro. El proceso es completamente distinto del impacto de una pelota de golf en un montón de arena, o del impacto accidental de una pelota de tenis en una tarta de cumpleaños bien decorada.

"Si se disparan átomos de xenón sin carga contra las islas de oro con la misma energía cinética, las islas de oro permanecen prácticamente inalteradas", afirma Gabriel Szabo. "Así que el factor decisivo no es la energía cinética, sino la carga eléctrica de los iones. Esta carga también lleva energía, y se deposita exactamente en el punto de impacto".

Cambios en la estructura electrónica

En cuanto los iones de carga positiva extremadamente fuerte chocan contra la pieza de oro nanométrica, arrebatan electrones al oro. En una pieza grande de oro, esto no tendría ningún efecto significativo: El oro es un excelente conductor, los electrones pueden moverse libremente y se suministrarían más electrones desde otras zonas de la pepita de oro. Pero las estructuras de nanooro son tan pequeñas que ya no pueden considerarse un depósito inagotable de electrones. Es precisamente aquí donde se entra en el mundo intermedio entre el metal macroscópico y los minúsculos grupos atómicos y sus propiedades a nanoescala.

"La energía de carga del ion que impacta se transfiere al oro, con lo que la estructura electrónica de todo el objeto de nano-oro se desequilibra por completo, los átomos empiezan a moverse y se destruye la estructura cristalina del oro", explica Richard Wilhelm. "Dependiendo de cuánta energía se deposite, puede ocurrir incluso que toda la pieza de nano-oro se funda o se vaporice".

Los efectos del bombardeo iónico pueden estudiarse después en un microscopio de fuerza atómica: Según la carga de los iones, la altura de las piezas de oro se reduce en menor o mayor medida, informa Gabriel Szabo: "Tal como habían predicho también nuestros modelos, podemos controlar el impacto de los iones sobre el oro, y no por la velocidad que demos a nuestros proyectiles, sino por su carga".

Un mejor control y una comprensión más profunda de tales procesos son importantes para fabricar una amplia variedad de nanoestructuras. "Es una técnica que permite editar selectivamente la geometría de estructuras especialmente pequeñas. Esto es tan interesante para la creación de componentes microelectrónicos como para los llamados puntos cuánticos, estructuras diminutas que permiten efectos electrónicos u ópticos muy específicos hechos a medida gracias a sus propiedades físicas cuánticas", afirma Richard Wilhelm.

Y es otra forma de adentrarse en el mundo de las cosas pequeñas pero aún no diminutas, en el polifacético mundo intermedio entre la física cuántica y la física del estado sólido, que sólo puede entenderse teniendo en mente al mismo tiempo los fenómenos cuánticos y los de muchas partículas".

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.