Diseñan un método para la fabricación de materiales porosos con novedosas estructuras cristalinas formadas por nanopartículas

Luis Liz Marzán, investigador del CIBER-BBN en el CICbiomaGUNE
CIBER / CICbiomaGUNE | viernes, 27 de octubre de 2017

Un equipo de investigadores, con participación del CIBER-BBN y el CIC biomaGUNE, ha diseñado un método que permite fabricar materiales porosos –técnicamente macroporosos o mesoporosos- con estructuras cristalinas que no se habían visto con anterioridad. 

El trabajo, que ha sido publicado por la prestigiosa revista Science, demuestra que la familia de materiales nanoestructurados puede seguir aumentando, de modo que se puede esperar la aparición de propiedades muy interesantes. “Estas estructuras cristalinas no están formadas por átomos sino por nanopartículas, es decir son cristales de nanocristales, también llamados supercristales o supracristales”, explica Luis Liz Marzán, jefe de grupo del CIBER-BBN y director científico de CIC biomaGUNE.

“La característica más especial de las estructuras obtenidas es que presentan huecos relativamente grandes y perfectamente ordenados, lo cual es muy difícil de obtener por los métodos conocidos anteriormente”, señala Liz Marzán para explicar la dimensión científica del resultado de la investigación.

“La clave de la fabricación está en usar mezclas de dos tipos de nanopartículas, en este caso oro y óxido de hierro, que forman cristales binarios, de forma que luego se puede eliminar uno de ellos selectivamente, dejando huecos en su lugar. Variando los tamaños de ambos componentes se pueden obtener estructuras muy variadas con propiedades completamente nuevas”, destaca el investigador.

Inicialmente la investigación puede ser aplicada en la detección por espectroscopía Raman aumentada. Los huecos entre nanopartículas generan campos eléctricos que permiten la detección de muy pocas moléculas. Es previsible que se puedan lograr aplicaciones en otros campos como los metamateriales –mediante nuevas estructuras hechas de nanopartículas- o la catálisis –proceso en el que interesa tener una gran cantidad de superficie accesible donde suceden las reacciones catalíticas. 

Dos años de investigación

El trabajo se inició hace más de dos años años, y en el mismo ha participado un equipo multidisciplinar de investigadores formado por Luis Liz Marzán (CIBER-BBN, CIC biomaGUNE e Ikerbasque), Marc Coronado Puchau (CIC biomaGUNE), Judith Langer (CIC biomaGUNE y CIBER-BBN), Thumu Udayabhaskararao (Weizmamm Institute of Science, Israel), Thomas Altantzis (Universidad de Amberes, Bélgica), Lothar Houben (Weizmamm Institute of Science, Israel y Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy With Electrons, Alemania), Ronit Popovitz Biro (Weizmamm Institute of Science, Israel), Lela Vukovic (University of Texas, EEUU), Peter Král (University of Texas y University of Ilinois, EEUU), Sara Bals (Universidad de Amberes, Bélgica) y coordinado por Rafal Klajn (Weizmamm Institute of Science, Israel). 

La fabricación se ha realizado en Israel por métodos químicos y de auto-ensamblaje, la caracterización estructural se llevó a cabo en Bélgica con microscopía electrónica tridimensional, los ensayos de detección por espectroscopía Raman aumentada (surface enhanced Raman scattering, SERS) se ha realizado en CIC biomaGUNE y el modelo teórico se ha desarrollado en Estados Unidos por medio de un método llamando dinámica molecular.

Para llevar a cabo el trabajo ha sido necesario encontrar las condiciones necesarias para obtener una ordenación perfecta de los dos tipos de nanopartículas y a continuación eliminar selectivamente una de ellas sin destruir la estructura. La caracterización tridimensional y de las propiedades de detección también ha sido muy difícil por lo complicado de las estructuras. Finalmente, ha sido necesario elaborar un modelo teórico que permitiese entender el proceso.

De cara a entender la dimensión de la investigación, hay que tener en cuenta que un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro o que el grosor de un cabello es de 100.000 nanómetros. 

Artículo de referencia:

Tunable porous nanoallotropes prepared by post-assembly etching of binary nanoparticle superlattices. Thumu Udayabhaskararao, Thomas Altantzis, Lothar Houben, Marc Coronado-Puchau, Judith Langer, Ronit Popovitz-Biro, Luis M. Liz-Marzán, Lela Vuković, Petr Král, Sara Bals, Rafal Klajn. Science  27 Oct 2017: Vol. 358, Issue 6362, pp. 514-518 DOI: 10.1126/science.aan6046