Un grupo de investigación de la Universidad Técnica de Viena acaba de reportar en la revista científica “ACS Nano” un método para producir poros de escala nanoscópica en superficies utilizando iones atómicos lentos altamente cargados (ver: J. Schwestka, et al., “Atomic-Scale Carving of Nanopores into a van der Waals Heterostructure with Slow Highly Charged Ions”, ACS Nano, 2020).
Este trabajo de título aparentemente críptico, tiene enormes aplicaciones prácticas en física de superficies, catalizadores y muchas otras aplicaciones. La idea es utilizar un cañón de iones para que un ion altamente cargado penetre varias capas de un material, sin embargo, aunque en la primera capa deje un gran agujero, en las siguientes capas atravesará sin causar daño, pero creando un nano agujero que posteriormente puede ser rellenado con átomos específicos dándole a la superficie características excepcionales.
Los autores mencionan la siguiente analogía: “Imagine que usted dispara con una pistola a un plátano de modo tal que la cascara se perfora, pero el interior del plátano permanece prácticamente intacto, esto es lo que nuestro método hace; podemos perforar capas de material con extrema precisión y dejar otras capas internas sin ser afectadas, esto puede ser usado para crear nuevos materiales bidimensionales para catalizadores, entre otras cosas”.
Desde el descubrimiento del grafeno consistente en una sola capa de átomos de carbono se siguen diseñando métodos para producir materiales ultra delgados compuestos de unas solas capas que tienen propiedades únicas. Por ejemplo, se esta trabajando en la unión de capas de grafeno -que es un buen conductor- con capas de disulfido de molibdeno -que es un semiconductor- para la producción de nuevos sistemas de almacenamiento de datos.
La física detrás de este desarrollo es fascinante pues normalmente cuando se usan iones para tratar superficies, es la fuerza del impacto del ion lo que afecta al material, sin embargo, en la Universidad Técnica de Viena se están usando iones lentos. El resultado de usar iones lentos es sorprendente.
Vale recordar que al manejar iones hay dos formas de transmitir energía al material, una es usando la energía cinética del ion que depende de la velocidad a la cual los iones impactan en la superficie, y otra es, la energía potencial que depende de la carga eléctrica total del ion. Con haces de iones convencionales es la energía cinética la que toma el papel decisivo mientras que con éste novedoso método, utilizando haces lentos de iones altamente cargados, es la energía potencial la que ahora juega el papel decisivo.
Por otra parte, mientras que la energía cinética se libera en todo el material conforme el ion penetra en las diferentes capas, con el nuevo método propuesto de iones lentos, es ahora la energía potencial la que puede ser distribuida de modo no homogéneo entre las diferentes capas.
Cuando las capas de disulfido de molibdeno interaccionan con un ion, éste puede fácilmente remover decenas de átomos de una capa dejando una perforación que puede fácilmente verse utilizando un microscopio electrónico, posteriormente cuando el ion encuentra la capa de grafeno la deja intacta pues prácticamente toda la energía potencial del ion ya fue liberada.