• Entender los procesos básicos que ocurren en las capas
externas de los materiales ayuda a desarrollar películas delgadas
para recubrir y endurecer diversos productos
• Como esas superficies se modifican al contacto con el ambiente,
su estudio requiere analizarlas en equipos de ultra-alto vacío,
dijo Leonel Cota Araiza, del CNyN
Al estar en contacto con el medio ambiente,
todos los materiales sufren modificaciones, especialmente en la superficie:
la plata se opaca, el hierro se oxida y el acero se corroe.
Saber qué ocurre a nivel físico
y químico en ese proceso ha sido de interés desde la época
de los griegos, pero fue hasta la década de 1960 cuando fue posible
experimentar en esa área, al discriminar de un material los átomos
de su capa exterior dentro de equipos sofisticados de ultra-alto vacío,
en los que las condiciones ambientales están controladas, explicó
Leonel Cota Araiza, investigador y fundador del Centro de Nanociencias
y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM.
En el grupo de Físico-Química
de Nanomateriales de esa entidad académica, con sede en Ensenada,
Baja California, el científico se especializa en los métodos
fundamentales de la física de superficies, así como en
sus posibles aplicaciones, entre ellas, el desarrollo de recubrimientos
y nuevos materiales contra la corrosión y la oxidación,
que afectan instalaciones y equipos que, por ello, requieren mantenimiento
constante.
“Entender lo que ocurre en la superficie de los materiales ayuda
a desarrollar películas delgadas para recubrir y endurecer diversos
productos y detener esos procesos”, destacó el doctor en
física.
Retos experimentales
La física de superficies enfrenta varios
retos para su estudio experimental. “El primero es cómo
aislar los átomos de la superficie, para analizar sus interacciones
sin el material que está debajo”, detalló.
Expuesto al medio ambiente, un material se
recubre de gases, oxígeno, vapor de agua e incluso grasa de los
dedos al tocarlo, en apenas unos microsegundos. “La superficie
no se puede mantener estable a temperatura ambiente ni a la presión
atmosférica más de un microsegundo, pues cambia continuamente”,
explicó.
La única forma de mantener estable la
superficie es al colocar los materiales dentro de una cámara
de ultra-alto vacío, a presión atmosférica similar
a la que se encuentran los astronautas en el espacio exterior.
“La idea es que la superficie interaccione
con pocos átomos en su ambiente, para que no cambie, sin embargo,
trabajar a esas presiones tan bajas implica grandes inversiones, manipular
las cosas desde afuera con aparatos mecánicos. Es complicado
y caro”, reconoció.
Además de controlar las variaciones
de temperatura, los científicos utilizan sistemas de bombeo que
permanecen encendidos el tiempo que dura el experimento.
Para aislar la superficie, a ésta se
le lanzan electrones que, con una energía baja, chocan y provocan
una reacción en los átomos de la superficie. “Al
rebotar de ahí, nos traen información de lo que ocurre”.
Otra forma de estudio es lanzar rayos X, que
al penetrar generan electrones emitidos que salen de las capas superficiales.
“Los captamos con la misma energía que fueron emitidos.
No les damos oportunidad de que provengan de capas más profundas.
Es un proceso llamado fotoemisión, que se descubrió en
el siglo XIX pero que explicó Albert Einstein en 1905 como efecto
fotoeléctrico”, rememoró.
“Queremos saber cómo es la química
de la superficie: qué elementos, compuestos y reacciones químicas
convergen y cómo cambian si quitamos y ponemos cosas. Así
estudiamos cómo estaba antes, qué reacción hubo
y cómo quedó después, si hubo reacciones de corrosión
o de oxidación, formación de capas o películas
delgadas”, detalló.
Para limpiar la superficie, los científicos
lanzan un haz de iones de argón. “Es como una escoba iónica,
que no interfiere químicamente con la superficie, pero por fuerza
bruta impacta a los átomos que están ahí y los
desplaza”, expuso.
Películas delgadas
El interés por las películas
delgadas dio origen a la experimentación en 1960, pues la microelectrónica
dependía de entender cómo una película se forma
sobre otra o cómo crece sobre un cristal; era parte del desarrollo
tecnológico requerido para desarrollar circuitos integrados para
la electrónica y por ello se le dio gran impulso. Gracias al
interés de la industria en esta área tuvieron gran desarrollo
en las décadas de 1980 y 1990.
La física de superficies pudo proveer
información importante de cómo cambiaban las propiedades
electrónicas de los materiales, en la medida en que la dimensión
se hace más pequeña. Un gran resultado es que las propiedades
de la superficie no se parecen a las del resto del material.
Cota Araiza y sus colaboradores han trabajado
en el desarrollo de recubrimientos ultra-duros; comenzó con la
idea de hacer películas delgadas de nitruro de silicio, un material
duro con propiedades ópticas que funciona como reflector de rayos
X.
“La idea es que, con el uso de sólo
una película delgada, podamos hacer del acero convencional un
material extremadamente duro y resistente para la construcción.
Requiere una inversión mínima y cambia las condiciones,
pues lo hace más resistente al exterior o al contacto con desgaste
mecánico o máquinas que lo golpean. Es una forma de extender
su vida útil”, remarcó.
Con estas capas también se pueden recubrir
brocas con nitruro de titanio, “pero en el país no hay
la iniciativa empresarial para apoyar este tipo de tecnologías
y se adquieren ya desarrolladas”, dijo.
Otra línea de investigación estudia
los cambios en la superficie por interacción con radiación,
en particular con electrones de alta energía.
“La catálisis es un fenómeno
de superficies, ocurre en los átomos que están en la superficie
de los catalizadores; es complejo, pues todavía no se entiende
bien. Lo ideal sería diseñar un catalizador para un proceso
químico específico, por ejemplo para convertir petróleo
en gasolina”, finalizó.
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