Gas o fluido formado por partículas eléctricas que poseen un equilibrio electromagnético, el plasma es el cuarto estado de la materia, con características distintas de sólidos, líquidos y gases.
Abundante en el Universo, se encuentra en los vientos solares, en las nebulosas y en la franja ionizada de las atmósferas planetarias, llamada ionósfera. También, puede producirse en el laboratorio al aplicar un campo eléctrico a un gas o por medio de láseres o microondas.
En el Instituto de Ciencias Físicas (ICF) de la UNAM, con sede en Cuernavaca, Morelos, Horacio Martínez Valencia encabeza un grupo científico que genera plasmas fríos en el laboratorio para conocer desde las características fundamentales de esos gases, hasta múltiples aplicaciones para modificar materiales, formar sustratos biodegradables y esterilizar productos de uso biomédico.
En dos modernos laboratorios, el doctor en física, sus colegas y alumnos de posgrado, cuentan con varias cámaras de descargas equipadas con sistemas de alto vacío y con ventanas de cuarzo para realizar diferentes diagnósticos de los plasmas fríos producidos.
“Los plasmas son fundamentales en la formación de galaxias, planetas y estrellas, pero también tienen múltiples aplicaciones en productos diversos como las pantallas de televisión, los tubos fluorescentes y plasmas a presión atmosférica”, comentó.
Espectroscopía, entre radiación y materia
La espectroscopía es una herramienta muy utilizada por los físicos y químicos para estudiar la interacción entre la radiación y la materia. Al descifrar ese nexo en un espectro, se conoce su composición precisa.
En sus investigaciones utilizan tres tipos de espectroscopía: la óptica, con la que indagan cómo están excitados los átomos y moléculas dentro del plasma; la de masas, para conocer qué elementos están involucrados en el gas; y la de infrarrojo, que informa cómo vibran y rotan las moléculas.
Los universitarios cuentan con dos laboratorios de espectroscopía donde observan las características de los plasmas fríos y sus aplicaciones. En un experimento de física básica simulan la composición de la ionósfera de Marte.
“En una cámara de descarga, diseñada y construida por nosotros, podemos analizar, por ejemplo, un plasma formado por mezclas de gases de dióxido de carbono, nitrógeno y argón, a una presión menor en dos órdenes de magnitud a la ambiental para esa simulación”, explicó Martínez Valencia.
“Con una sonda de Langmuir, también construida por nosotros, medimos la densidad de partículas negativas y su temperatura dentro del plasma, semejantes a las condiciones en ese planeta, según cotejamos con datos enviados por las sondas espaciales”, añadió.
Del choque entre las partículas de dióxido de carbono, nitrógeno y argón se desprenden muchos componentes químicos que dan lugar a la formación de ionosfera marciana.
“Hay investigadores teóricos que modelan las ionósferas, nosotros las podemos comparar con este experimento y decirles si falta algún ingrediente para que comprueben sus estimaciones”, dijo Martínez Valencia, quien ya desarrolló un análisis experimental sobre la atmósfera de Titán, una luna de Júpiter.
Mejoran celdas solares
Otra cámara de descarga se utiliza para generar plasmas de argón a fin de aplicarlas en la modificación superficial de películas delgadas, del orden de micras. En el interior de aquélla se coloca una laminita, que es una película delgada que usan los expertos en celdas solares para mejorar la eficiencia terminal de la radiación solar y convertirla en electricidad, detalló.
Para que la conversión de energía solar a eléctrica sea eficiente se requiere que toda la que llega a la celda se aproveche, pero en este proceso hay muchas pérdidas por calentamiento o porque parte de ella se refleja.
Al modificarla superficialmente con plasma, se logra que la película delgada absorba la energía más eficientemente. “Las propiedades ópticas de la película delgada son modificados a fin de reducir la reflexión y para que su resistencia eléctrica sea menor, haciendo más eficiente la conversión de energía solar”, abundó el investigador.
Otra aplicación de los plasmas se ensaya en el laboratorio para recubrir herramientas de carburo de tungsteno, un material que se usa en piezas de corte empleadas en tornos de control numérico.
Al recubrirlas con nitruro de titanio mediante el plasma, las piezas se hacen más duras y resistentes al desgaste, lo que les da una vida útil más larga en los procesos de producción.
El grupo de Martínez Valencia también analiza los asfaltenos y su descomposición. Estas sustancias del petróleo se depositan en las tuberías de las instalaciones petroleras y las tapan. A partir de su erosión con plasmas, el físico busca una alternativa para que no se adhieran a los conductos.
Otras aplicaciones interesantes modifican huesos de res para formar sustratos biodegradables útiles en prótesis y esterilizan materiales de uso biomédico, para evitar infecciones hospitalarias.
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