Investigador Ikerbasque: Lucia Vitali
Donostia es conocida internacionalmente por su contribución a la física cuántica
Los fenómenos cuánticos en la nanoescala es un tema de su carrera de investigación. ¿Podría explicarnos de qué trata?
La física cuántica es una de las teorías más moderna de la física: ha sido formulada en la llamada “era dorada” de la física a principios del siglo pasado. Su desarrollo fue estimulado por las pruebas experimentales que se consiguieron unos pocos años pasados y que no podían explicarse a través de la física “clásica”. Se observó, por ejemplo que la luz brillante con un mínimo de energía en ciertos materiales causaba la emisión de electrones. Estos se emitían de forma inesperada a partir de discretas energías bien definidas (“quantum” en latín), que variaban según el material.
Era evidente que tales observaciones nos dirigían hacia un conocimiento más profunda de la materia de estructura atómica. Esto, a su vez, condujo a una reformulación de la teoría cuántica, que constituye en gran manera una manera muy amplia y comprehensiva la base de la física moderna, incluida la física de los estados sólidos, la física nuclear, de partículas, química, física y óptica. El éxito de la física cuántica se debe a su capacidad de explicar y predecir muchas funciones y observaciones de nuestro mundo.
Cuanto más se reducen las dimensiones del sólido considerado, con mayor claridad se distinguen los fenómenos cuánticos. En la nanoescala, la materia se forma sólo por unos pocos átomos y electrones confinados en dimensiones muy diminutas y que pueden tener energía discreta bien definida. Por consiguiente, sus propiedades físicas y químicas (tales como la estructura electrónica, la resistencia eléctrica, la reactividad química, además del transporte de la carga y el calor, entre otras) difieren en la macroescala. Por ejemplo, el oro, uno de los metales más inertes en la macroescala, es muy reactivo y muestra actividad catalítica si se estudian las nanopartículas formadas por unos pequeños átomos. Muchas nanopartículas de metales adoptan un color diferente en la macroescala, reflejando una estructura electrónica “diferente”. Esto también genera, tal y como explica la física cuántica, la capacidad de las nanopartículas de oro de absorber a una frecuencia baja, que difiere en la macroescala y muestran un color diferente. A pesar de que ignoraron el principio físico, los sopladores de vidrio utilizaban sal metálica y óxidos que contenían pequeñas partículas metálicas ya en la antigüedad para producir vidrios tintados que se utilizarían después en catedrales. Los colores bien definidos se obtenían añadiendo al cristal derretido nanopartículas metálicas, que absorbían las frecuencias de luz específicas: los óxidos de cobre, el cobalto y el oro se añadían para conseguir cristales de color verde, azul y rojo.
Hoy en día, gran parte de la fascinación con la tecnología y las posibles aplicaciones en los nanodispositivos son consecuencia de los fenómenos de superficie y cuánticos únicos que exhibe la materia en la nanoescala. Los átomos, las moléculas y las pequeñas nanopartículas o los nuevos sistemas híbridos que la nanotecnología permite sintetizar se exploran para crear nuevas funcionalidades para posibles aplicaciones nuevas.
Física cuántica, nanoescala, nanotecnologías… ¿cómo prevé la visión general del futuro de la ciencia de los materiales?
A pesar de que la formulación de los principios básicos de la física cuántica ha ocurrido a principios del siglo veinte, la capacidad tecnológica necesaria para sintetizar, manipular y caracterizar la materia con el control suficiente en la nanoescala se ha conseguido recientemente. A pesar de esto, gran parte de nuestra tecnología de hoy funciona en la escala en la que la física cuántica y la nanotecnología son más que importantes. Ejemplo de esto son los dispositivos y las aplicaciones que forman parte de nuestra vida cotidiana como los dispositivos de almacenamiento, discos duros, LED (también los orgánicos), transistores, circuitos integrados, catalizadores, hornos microondas, polímeros conductores, sensores de aceleración en los airbags, materiales biocompatibles que varían desde prótesis artificiales a lentes de contacto, cremas y cosméticos con filtro solar, imágenes por resonancia magnética en la medicina, láser, etc. Estos pocos ejemplos no sólo muestran la amplia variedad de aplicaciones posibles en las que se puede aplicar la nanotecnología, sino que también es un campo en expansión rápida y con muchas mejoras. Los esfuerzos fundamentales y aplicados no sólo se estimulan por la denominada tendencia a la miniaturización (es decir, la demanda de unidades funcionales cada vez más pequeñas en la industria de los circuitos integrados), sino también por la necesidad de desarrollar nuevas funcionalidades para mejorar la eficiencia de las existentes. Para conseguir estas diferentes estrategias normalmente se aplican los denominadas “top-down” y “bottom-up”. Atendiendo al primero, las nanopartículas o nanoestructuras se forman a partir de los sólidos que muestran unas propiedades definidas ya en la macroescala. Sin embargo, el objetivo del segundo es formar estructuras complejas obtenidas mediante en ensamblaje y autoensamblaje de otras más pequeñas como átomos y/o moléculas individuales. La naturaleza inspira muchas nuevas funcionalidades: la conversión de energía eficiente y la protección contra la corrosión sólo se pueden modelar a partir de las superficies de fotosíntesis e hidrofóbicas de hojas de plantas.
Esto subraya otro aspecto importante de la nanotecnología y la ciencia cuántica: su carácter amplio e interdisciplinario aplicado y el nivel fundamental. La gran superposición entre la física átomica y molecular, la química, la ingeniería de materiales, la biología y la biofísica además de los enfoques teóricos y experimentales exigen una estrecha cooperación entre científicos que trabajan en campos diferentes.
Hoy en día, la física cuántica y las aplicaciones nanotecnológicas se centran en varios campos de investigación: la ciencia respetuosa con el medio ambiente (catálisis y los nuevos materiales para una producción de energía más limpia tales como células solares orgánicas, almacenamiento de energía o hidrógeno, recubrimientos de protección), almacenamiento de la información (nanomagnetismos, gran resistencia magnética, imanes magnéticos, espintrónica) y transmisión de la información (criptografía), asistencia sanitaria (farmacéutica funcional, nuevas terapias basadas en nanoparticulas como la hipertermia, sensores químicos y diagnósticos), nanoelectrónica y optoelectrónica (generación y transmisión de señales y aplicaciones en dispositivos, sensores de gas o químicos, electrónica basada en moléculas) son sólo una pequeña lista. Aunque alguna de estas posibles aplicaciones en la nanotecnología ya se ha demostrado al menos a nivel investigacional, posiblemente algunos de los materiales que se investigan actualmente puedan adaptarse a la nanotecnología en un futuro cercano. Sin embargo, creo que el conocimiento que adquirimos a través de su investigación a nivel fundamental es un paso esencial hacia el entendimiento del mundo de la “nanoescala”.
¿A qué se debe su decisión de unir Ikerbasque a su carrera y de qué manera cree que es una decisión importante en su vida?
La decisión de venir a Donostia y empezar un grupo de investigación independiente supuso ciertamente un reto. Sin embargo, cuando Ikerbasque me ofreció esta interesante oportunidad, no lo dudé y estaba encantada de aceptarla, por razones obvias. Donostia es reconocida a nivel internacional por sus contribuciones en la física cuántica y la ciencia de las superficies a nivel teórico. Asimismo, la investigación experimental está desarrollándose cada vez más: se abren institutos nuevos y se atraen científicos brillantes. Esto ofrece un excelente entorno multidisciplinar para desarrollar más la ciencia en dimensiones de nanoescala. Además, Ikerbasque me ofreció no solo un lugar de trabajo sino la infraestructura instrumental, lo que realmente aprecio puesto que facilita el comienzo.
Compártelo:
