La
primera miniaturización durante mi vida.
En 1993 se estrenó Parque Jurásico. Yo tenía 7 años y la fui a ver al cine con mi
madre. Durante la proyección de la película, el tiranosaurio rex me dio pavor,
pero después, el furor que despertaron los dinosaurios a raíz del filme hizo
que, al igual que millones de niños en el mundo, yo deseara ser paleontóloga de
mayor para estar desenterrando huesos prehistóricos gigantes. Un tiempo
después, aún de niña, vi la película de Gorilas
en la niebla por la televisión. La labor de investigación y conservación de
los gorilas por la primatóloga Dian Fossey me impresionó mucho. Aparte, en esta
época coleccionaba libros y álbumes de pegatinas de animales. Con esto, mi
nuevo sueño infantil era ser de mayor zoóloga para hacer trabajo de campo y
poder estudiar especies poco conocidas por el mundo. Después de estos primeros
entusiasmos, en los últimos años de la ESO y durante el bachillerato, sí que se
empezó a definir lo que me interesaba de manera seria y me motivaba para
estudiar en la universidad: la física. La física me iba a ayudar a entender las
leyes del universo y cómo funcionaban la mayoría de las cosas que nos rodeaban.
Con lo cual, ahí me vi cursando la licenciatura de Física en la Universidad
Complutense de Madrid. El cuarto año, ya tenía claro que me gustaría
desarrollar una carrera investigadora y además sucedió una de esas revelaciones
que tiene uno durante su vida: descubrí el artículo con la transcripción del
discurso de Richard Feynman “There's
Plenty of Room at the Bottom” [1] y fui una de esas innumerables personas
que quedaron impresionadas por el potencial de la nanociencia y todo el poder
que contenían las cosas diminutas. Con lo cual, evidentemente, ¡tenía clarísimo
que quería investigar en el campo de la nanociencia!
El resumen de esta sección es que, durante esta
primera etapa de mi vida, pasé de querer estudiar sobre dinosaurios à a animales à a elementos que no se ven a simple vista. ¿No es eso una suerte de
miniaturización?
Fig. 1 Miniaturización del objeto de investigación preferido.
El
microscopio de fuerzas atómicas: ver y fabricar cosas diminutas.
Para especificar, lo que más me impresionó del
artículo “There's Plenty of Room at the
Bottom” no fue sólo su contenido en sí, sino todo lo que había predicho
Feynman que se había cumplido con el tiempo y él no había llegado a ver apenas,
puesto que el campo de la nanociencia no había experimentado aún el enorme auge
que a nosotros nos es familiar mientras él seguía vivo. Cuando Feynman hablaba
de la posibilidad de reorganizar átomos para fabricar dispositivos o
estructuras diminutas en 1959, parecía que había visto en una bola de cristal
el desarrollo del microscopio de efecto túnel, lo cual sucedió en 1981, siete
años antes de su fallecimiento [2]. En 1986, nació el microscopio de fuerza
atómica (AFM, siglas en inglés) [3]. La contribución de estos dos microscopios
en el avance de la nanociencia es inmensa e incuestionable. Por lo cual, uno se
puede imaginar la ilusión que me hizo cuando fui seleccionada para desarrollar
mi tesis doctoral en el campo del AFM bajo una beca FPI en el grupo del
Profesor Ricardo García, en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
(ICMM, Consejo Superior de Investigaciones Científicas). Yo ya pensaba que iba
a estudiar propiedades físicas y químicas de los materiales midiendo con un
AFM. La microscopía de fuerza atómica es una técnica de caracterización no
invasiva, que permite caracterizar la superficie de diversas muestras sin
modificarla. Pero ¿qué ocurre cuando sí quieres cambiar la superficie de la
muestra a propósito? La respuesta es, algo que descubrí cuando comencé la
tesis: que el AFM también se podía utilizar como una herramienta de litografía
para fabricar estructuras y dispositivos a nano escala.
La familia de técnicas de litografía usando un AFM
se denomina litografía con sonda de barrido (en inglés: scanning probe
lithography, SPL) [4]. Mi tesis iba a desarrollarse dentro de la línea de
investigación del grupo centrada en el campo de SPL, dentro de la modalidad de
oxidación local. En esta técnica, la punta de AFM se coloca sobre o a muy pocos
nanómetros de la superficie de una muestra, en general metálica o
semiconductora y se aplica un potencial entre ellas bajo unas determinadas
condiciones de humedad relativa. Entonces, ocurren dos cosas: se forma un
diminuto menisco de agua y dentro de dicho menisco, que actúa como una
nano-celda electroquímica, debido al enorme campo eléctrico que se crea, se
producen una reacción de oxidación en la superficie. En el caso del silicio, la
consecuencia es la generación de óxido de silicio. Como la reacción química
sólo ocurre dentro de los confines del menisco y dicho menisco es muy pequeño
debido al tamaño de una punta de AFM, lo que se puede conseguir son óxidos de
silicio de alta resolución, que quiere decir, muy, muy pequeños, con la
geometría deseada. Durante mi tesis, empleé la técnica de oxidación local para
fabricar y caracterizar transistores de efecto campo basados en nanohilos de
silicio y materiales bidimensionales. Con esto, aprendí lo imprescindibles que
son los transistores para la humanidad actualmente, sobre su omnipresencia,
sobre la carrera de la miniaturización en electrónica, los nodos tecnológicos y
la ley de Moore [5] y adquirí una pasión por la técnica SPL. Esta pasión derivó
en la oportunidad que tuve de realizar una estancia postdoctoral en IBM
Research Zurich bajo la supervisión del Dr. Armin Knoll en su grupo. Aquí se
trabaja en el desarrollo de la técnica de SPL en la modalidad termal y en su
aplicación para fabricar una gran variedad de nano-dispositivos. En la
modalidad termal, la punta de AFM entra en contacto con la superficie de una
muestra, entonces se calienta la punta a distintas temperaturas. Si la
temperatura supera un umbral, podrá modificar la superficie. Por ejemplo, en el
caso de una resina polimérica, podrá evaporarla y en el caso de un material
magnético, cambiar su fase o la dirección de sus dominios. De nuevo, el calor
que se aplica mediante una punta de AFM es muy localizado debido a su tamaño y,
por lo tanto, se pueden fabricar dispositivos de alta resolución. Fue realmente
emocionante realizar una estancia postdoctoral en el mismísimo lugar donde
Binnig, Rohrer, Quate y Gerber desarrollaron el microscopio de efecto túnel y
el microscopio de fuerza atómica. También estuve muy orgullosa de aplicar SPL
en la modalidad termal para conseguir la producción de nanohilos de silicio con
7 nm de anchura.
El resumen de esta sección es que, si te gusta
investigar cosas diminutas, en mi opinión y experiencia, un microscopio de
fuerza atómica es una de las mejoras herramientas que podrías elegir.
Fig. 2 La punta de un microscopio de fuerza atómica puede caracterizar un material sin modificarlo (figura izquierda) o puede convertir un material en otro de distinta composición (figura derecha).
Los
materiales 2D: diminutos… en una dimensión.
De nuevo, citando a Feynman en la sección del
discurso donde habla de la posibilidad de reorganizar átomos: ¿Qué podríamos hacer con estructuras laminadas que
tengan justo las capas correctas? ¿Cómo
serían las propiedades de los materiales si pudiéramos realmente reordenar los
átomos de la manera que queremos? Estas preguntas se
empezaron a responder desde la explosión que ha experimentado la investigación
en el campo de los materiales bidimensionales a raíz de la demostración
experimental del grafeno por Geim y Novoselov en el año 2004 [6]. El grafeno es
una forma alotrópica del carbono, compuesta por una sola capa de átomos que
forman una red hexagonal. El grafito está compuesto por muchas láminas de
grafeno unidas por interacciones de Van der Waals. Lo fascinante es que, pese a
que la unidad estructural del grafito es el grafeno, ambos materiales no tienen
las mismas propiedades. Por ejemplo, el grafeno tiene una conductividad
eléctrica y una flexibilidad mecánica extraordinarias, características que no
posee el grafito. Del mismo modo, la monocapa de disulfuro de molibdeno es un
semiconductor de banda prohibida directa, diferente a su homólogo
tridimensional. De hecho, dependiendo de varios factores como el número de
capas, la estructura y la fase, el disulfuro de molibdeno puede ser de
semiconductor a metálico. Esta capacidad de modular las propiedades físicas y
químicas mediante el control de distintas variables es general en la familia de
los materiales bidimensionales. Además, los materiales bidimensionales
presentan una relación muy alta de superficie/volumen, lo que les convierte en
candidatos ideales para distintos tipos de sensores: químicos, biológicos,
mecánicos. Por todo lo descrito, los materiales bidimensionales tienen un
enorme potencial para superar en algunos casos y complementar en otros muchos
el rendimiento de los materiales tradicionales que se usan en la actualidad
para las futuras generaciones de dispositivos. Todavía se están descubriendo
nuevos materiales bidimensionales. Todavía queda mucho por investigar y
desarrollar sobre estos materiales, una vez identificados.
Cuando pasas de un trozo de mineral a una monocapa,
miniaturizas en espesor. Con lo cual, considero que sigo investigando cosas
diminutas, al menos en una dimensión, cuando trabajo con materiales
bidimensionales. En una estancia postdoctoral en el grupo del Dr. Andrés
Castellanos Gómez, en el ICMM (CSIC), tuve la oportunidad de aprender a modular
las propiedades ópticas de capas finas de disulfuro de molibdeno aplicándoles
distintos niveles de tensión. El control de la estructura electrónica de los
materiales doblándolos, estirándolos, comprimiéndolos se halla dentro del campo
de la deformatrónica.
Actualmente, desarrollo la parte de docencia dentro
del departamento de Física Aplicada e Ingeniería de Materiales, en la escuela
E.T.S.I. Industriales y la parte de investigación en el Instituto de Sistemas
Optoelectrónicos y Microtecnología (ISOM); ambos en la Universidad Politécnica
de Madrid. Formo parte de la línea de investigación liderada por el Profesor
Javier Martínez Rodrigo, que consiste en desarrollar aplicaciones del grafeno y
otros materiales bidimensionales en dispositivos de almacenamiento y generación
de energía. Uno de los focos actuales está dirigido a la fabricación de
supercondensadores basados en grafeno inducido por láser en sustratos flexibles
[7]. Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía
similares a las baterías. Tienen un gran potencial en diversos campos como la
electrónica flexible para la producción de sensores inteligentes que se pueden
llevar en la piel o en la ropa, el transporte y el internet de las cosas [8].
El tema de investigación me produce mucha motivación porque el campo de la
energía es uno de los más urgentes y de mayor impacto en la actualidad y porque
queda mucho campo por explorar con los materiales bidimensionales. Además, los
supercondensadores de grafeno que fabricamos son ideales en los eventos de
divulgación científica para la sociedad que celebramos en el ISOM porque los
estudiantes de secundaria y bachillerato que nos visitan pueden… ¡Montar su
propio condensador y medirlo para ver si funciona en menos de una hora!
El resumen de esta sección es que el desarrollo de
los materiales bidimensionales, diminutos en espesor y con propiedades físicas
y químicas novedosas, está suponiendo una revolución en la investigación
científica y con el tiempo, serán integrables a nivel comercial. Me hace
ilusión trabajar con estos materiales para aportar mi diminuto grano de arena.
Fig. 3 Un material bidimensional puede tener áreas en el rango de nanómetros a centímetros (y en el futuro, ¿hasta metros?) al cuadrado y a su vez, un espesor atómico.
Conclusión.
En esta ‘Easy piece’ he intentado transmitir cómo fue el encuentro con y la inmersión dentro del campo de la nanociencia, lo que he llamado aquí ‘cosas diminutas’, durante mi carrera investigadora, donde sigo con la misma motivación y pasión a día de hoy. Feynman predijo el boom y la omnipresencia de la nanociencia en el futuro para él, cuando dio la conferencia en el año 1959; que es el presente para nosotros. Y lo más importante: su mensaje sigue vigente aún en el año 2024. Hay mucho espacio en el fondo todavía y muy seguramente, para siempre.
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