Un equipo dirigido por el químico Song Jin de la Universidad de Wisconsin-Madison (EE UU) ha demostrado que un simple defecto de la red cristalina, conocido como “dislocación helicoidal o de tornillo”, guía la formación de nanotubos huecos de óxido de zinc de tan sólo unas pocas millonésimas de centímetro de espesor. Las conclusiones aparecen hoy la revista Science.
Los científicos no tienen dificultad en crear objetos de tamaño nanométrico como cables, tubos, cinturones e incluso, estructuras con forma de árbol. Pero hasta ahora no eran capaces de explicar con precisión cómo se forman esos objetos en las calderas de líquido y de vapor en las que se fabrican.
El hallazgo del grupo de la Universidad de Wisconsin-Madison (EE UU), que hoy publica la revistaScience, es importante porque proporciona una nueva percepción de los procesos que guían la formación de las estructuras fabricadas más pequeñas, un reto importante en la nanociencia y la nanotecnología.
"Este trabajo proporciona un marco teórico general para el control del desarrollo de nanocables o de nanotubos, sin necesidad de utilizar catalizadores metálicos, que puedan ser aplicables en general a diversos materiales", explica Song Jin, director del equipo.
La clave es la ‘dislocación helicoidal o de tornillo’
El método descrito por Jin y su equipo depende de lo que los científicos llaman una ‘dislocación helicoidal o de tornillo’. Estas dislocaciones son fundamentales para el crecimiento y las características de todos los materiales cristalinos.
Como su nombre indica, estos defectos guían la formación de "escaleras de caracol" en una superficie cristalina perfecta. Al colocarse los átomos en la superficie cristalina, forman una estructura sorprendentemente similar en apariencia a las rampas en espiral de los aparcamientos de varios pisos.
En trabajos anteriores, Jin y su grupo de investigación demostraron que las dislocaciones de tornillo impulsaban el crecimiento de unas estructuras de nanocables de una dimensión que parecían pequeños pinos. “Eso fue una pista fundamental para comprender la cinética del crecimiento espontáneo de los nanotubos”, detalla el investigador estadounidense.
Según los científicos, la clave para entender la forma de aprovechar el defecto para fabricar nanoestructuras de manera racional es saber que cuando los átomos se reúnen en la superficie de las dislocaciones en espiral, la tensión que éstas llevan asociada se acumula en las diminutas estructuras que crean.
“Hacer la estructura hueca y en espiral son dos buenas maneras de aligerar esa tensión y estrés", explica Jin. "En algunos casos, la gran energía tensional de la dislocación helicoidal que contiene el nanomaterial provoca que el material se ahueque por el centro alrededor de la dislocación, lo que resulta en la formación espontánea de los nanotubos".
El fenómeno descrito en el nuevo trabajo difiere de manera significativa de los mecanismos tradicionales para crear nanoestructuras huecas. Ahora los científicos utilizan plantillas para "moldear" los nanotubos o, en su caso, un proceso de difusión para convertir un material en otro con un centro hueco.
Por decirlo de forma sencilla, los nanotubos de carbono se forman al enrollarse sobre sí misma una sola capa de átomos de carbono con forma de panal.
Hacia nuevos métodos de producción nano
El fenómeno descrito por el equipo de Wisconsin debería reproducirse en otros materiales además del óxido de zinc: "La comprensión de la formación de los nanotubos nos ayudará a comprender fenómenos parecidos que se producen en otros materiales", puntualiza el químico.
Una vez refinado, este nuevo conocimiento podría llegar a aplicarse a gran escala, con un bajo costo de producción de nanomateriales para una amplia gama de aplicaciones. Más prometedora, dice Jin, es el área de las energías renovables, donde grandes cantidades de estos materiales pueden servir para convertir la luz solar en electricidad y proporcionar nuevas materias primas para los electrodos de las baterías y los dispositivos termoeléctricos.
Los materiales y estructuras liliputienses que “esculpen” los científicos ya han encontrado amplias aplicaciones en campos como la electrónica, la energía solar, las baterías y la tecnología láser, así como en sensores químicos y biológicos.
Al haber ampliado la teoría para explicar cómo se forman estas diminutas estructuras, los científicos deberían ser capaces ahora de desarrollar nuevos métodos para producir objetos de tamaño nanométrico en masa utilizando una variedad de diferentes materiales.
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