Una membrana de oro extrae secretos de las superficies
Amplificación mil veces mayor de la señal
Gracias a una membrana de oro muy fina, los investigadores de la ETH han facilitado considerablemente el estudio de las superficies. La membrana permite medir propiedades de superficies inaccesibles para los métodos convencionales.
"Las superficies las inventó el diablo": esta cita se atribuye al físico teórico Wolfgang Pauli, que enseñó en la ETH de Zúrich durante muchos años y en 1945 recibió el Premio Nobel de Física por sus aportaciones a la mecánica cuántica. En efecto, los investigadores luchan con las superficies. Por un lado, son extremadamente importantes tanto en la naturaleza animada como en la inanimada, pero por otro puede resultar endiabladamente difícil estudiarlas con los métodos convencionales.
Un equipo interdisciplinar de científicos de materiales e ingenieros eléctricos dirigido por Lukas Novotny, catedrático de Fotónica de la ETH de Zúrich, junto con colegas de la Humboldt-Universität zu Berlin, ha desarrollado ahora un método que facilitará considerablemente la caracterización de superficies en el futuro. Recientemente han publicado los resultados de su investigación, basada en una membrana de oro extremadamente fina, en la revista científica external pageNature Communicationscall_made.
Las superficies son importantes para la funcionalidad
"Ya se trate de catalizadores, células solares o baterías, las superficies son siempre muy importantes para su funcionalidad", afirma Roman Wyss, antiguo estudiante de doctorado en ciencia de materiales y primer autor del artículo, que ahora trabaja como investigador en la empresa derivada de la ETH Enantios. La razón de esta relevancia es que los procesos importantes suelen ocurrir en las interfaces. En el caso de los catalizadores, estos procesos son las reacciones químicas que se aceleran en su superficie. En las baterías, las propiedades superficiales de los electrodos son cruciales para su eficiencia y su comportamiento de degradación.
Durante muchos años, los investigadores han utilizado la espectroscopia Raman para examinar las propiedades de los materiales de forma no destructiva, es decir, sin destruir el material en el proceso. En la espectroscopia Raman, se envía un rayo láser sobre el material y se analiza la luz reflejada. A partir de las propiedades de la luz reflejada, cuyo espectro de frecuencias ha sido modificado por las vibraciones de las moléculas del material, se pueden extraer conclusiones tanto sobre la composición química del objeto considerado -también conocida como su huella química- como sobre efectos mecánicos como la tensión.
Membrana de oro con poros diminutos
"Se trata de un método muy potente, pero sólo puede aplicarse a superficies con grandes limitaciones", afirma Sebastian Heeg, que participó en los experimentos como postdoctorando en el grupo de Lukas Novotny y que ahora dirige un grupo de investigación junior en la Humboldt-Universität. Dado que en la espectroscopia Raman la luz láser penetra en el material varios micrómetros, el espectro de frecuencias se ve afectado principalmente por el grueso del material y sólo en muy pequeña medida por su superficie, que sólo comprende unas pocas capas atómicas.
Para aprovechar la espectroscopia Raman también en las superficies, los investigadores de la ETH desarrollaron una membrana de oro especial de sólo 20 nanómetros de grosor que contiene poros alargados de unos cien nanómetros de tamaño. Cuando una membrana de este tipo se transfiere a una superficie a investigar, ocurren dos cosas: en primer lugar, la membrana impide que el rayo láser penetre en el volumen del material. En segundo lugar, en los lugares donde se encuentran los poros, la luz láser se concentra y se irradia de nuevo sólo unos pocos nanómetros hacia el interior de la superficie.
Amplificación mil veces mayor de la señal
"Los poros actúan como antenas plasmónicas, como las de los teléfonos móviles", explica Heeg. La antena amplifica la señal Raman de la superficie hasta mil veces en comparación con la señal de la espectroscopia Raman convencional sin la membrana. Heeg y sus colegas pudieron demostrarlo en varios materiales, como el silicio tenso y el cristal de perovskita óxido de lantano y níquel (LaNiO3).
El silicio tenso es importante para aplicaciones en tecnologías cuánticas, pero hasta ahora no había sido posible sondear la tensión mediante espectroscopia Raman porque la señal producida por la superficie quedaba cubierta por el ruido de fondo de la medición. Una vez aplicada la membrana de oro, la señal de deformación se amplificó selectivamente hasta el punto de poder distinguirse claramente de las demás señales Raman del material.
Por otra parte, la perovskita metálica de óxido de lantano y níquel es un material importante para fabricar electrodos. "El fuerte acoplamiento entre su estructura cristalina y la conductividad eléctrica hace posible controlar la conductividad cambiando el grosor del electrodo a escala nanométrica. Es de suponer que la estructura de la superficie desempeña aquí un papel esencial", afirma Mads Weber, antiguo postdoctorando en la ETH de Zúrich y ahora profesor adjunto en la Universidad de Le Mans, que investiga esta clase de materiales y también participó en el estudio. Gracias al nuevo método de la membrana de oro, los investigadores pudieron acceder por primera vez a la estructura superficial del óxido de lantano y níquel.
"Nuestro método también es interesante desde el punto de vista de la sostenibilidad, ya que los equipos Raman existentes pueden adquirir capacidades completamente nuevas sin mucho esfuerzo", afirma Heeg. En el futuro, los investigadores quieren seguir mejorando su método y adaptarlo a las demandas de los usuarios. Por ejemplo, actualmente los poros de la membrana de oro tienen distintos tamaños y están orientados aleatoriamente. Al producir una membrana de oro con poros de igual tamaño alineados en paralelo, el método podría optimizarse para materiales específicos, lo que mejoraría la intensidad de la señal Raman en otro factor de cien.
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.
Publicación original
Roman M. Wyss, Günter Kewes, Pietro Marabotti, Stefan M. Koepfli, Karl-Philipp Schlichting, Markus Parzefall, Eric Bonvin, Martin F. Sarott, Morgan Trassin, Maximilian Oezkent, ... Lukas Novotny, Martin Frimmer, Mads C. Weber, Sebastian Heeg; "Bulk-suppressed and surface-sensitive Raman scattering by transferable plasmonic membranes with irregular slot-shaped nanopores"; Nature Communications, Volume 15, 2024-6-19
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