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Utilizan pulsos láser ultracortos para “clonar” nanopartículas de oro

Utilizan pulsos láser ultracortos para “clonar” nanopartículas de oro

Investigadores y estudiantes del Instituto de Fusión Nuclear de la UPM participan en un trabajo, publicado en la revista Science, que demuestra que una solución con partículas modificadas mediante pulsos láser ultracortos tiene una calidad óptica nunca vista hasta el momento.

Investigadores y estudiantes de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) / Instituto de Fusión Nuclear, ubicado en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, participan en un estudio que reporta el uso de pulsos láser ultracortos para moldear “nano-palitos” de oro en solución acuosa. El trabajo demuestra que la solución con las partículas modificadas tiene una calidad óptica nunca vista hasta el momento. El estudio se publicó el 3 de Noviembre de 2017 en la revista Science.

Las aplicaciones de las nanopartículas metálicas se basan en su capacidad para absorber y reflejar muy eficientemente la luz de determinados colores. Estos efectos, llamados plasmónicos, generan propiedades ópticas completamente nuevas, que no se pueden obtener con estructuras de dimensiones mayores. Estas propiedades pueden aprovecharse para un número increíblemente grande de aplicaciones útiles, que en muchos casos no eran posibles hasta ahora.

En medicina, por ejemplo, puede usarse la luz reflejada por estas partículas para diagnosticar enfermedades y también se puede aprovechar la absorción de luz para calentar un volumen muy pequeño y, por ejemplo, tratar tumores de forma localizada y minimizando los habituales efectos secundarios de los tratamientos actuales. Estas partículas plasmónicas también han encontrado aplicaciones en áreas como las tecnologías de la información, la producción de energía o el control de contaminación ambiental, entre otras.

Según Ovidio Peña Rodríguez, investigador de la UPM, “la fabricación de partículas ópticamente idénticas y la explicación de los procesos subyacentes, representa un cambio de mentalidad que puede abrir nuevas vías al desarrollo de nanomateriales con propiedades y aplicaciones mejoradas”. “El estudio de la modificación de materiales bajo irradiación es un tema muy importante para nuestro Instituto”, agrega José Manuel Perlado, Director del Instituto de Fusión Nuclear de la UPM.

Además del investigador PICATA del Instituto de Fusión Nuclear de la  Universidad Politécnica de Madrid Ovidio Peña Rodríguez, y del profesor de la UPM Antonio Rivera de Mena, también han participado investigadores de la Universidad Complutense de Madrid (Andrés Guerrero Martínez, Luis González Macdowell, Mauricio Alcolea Palafox, Gloria Tardajos, Luis Bañares y Jesús González Izquierdo) y del CIC biomaGUNE en San Sebastián (Luis Liz Marzán). Los estudiantes de doctorado Pablo Díaz Núñez y Alejandro Prada (UPM), Guillermo González Rubio (UCM y CIC biomaGUNE) y Pablo Llombart (UCM) realizaron contribuciones importantes. Por último, en el desarrollo de esta investigación ha sido esencial la utilización de las infraestructuras del Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid (CESVIMA-UPM), el CIC biomaGUNE y el Centro de Láseres Ultrarrápidos (UCM).

Nano-palitos de oro modificados por medio de pulsos láser ultracortos (arriba) y simulación por ordenador del proceso (abajo)

Nano-palitos de oro modificados por medio de pulsos láser ultracortos (arriba) y simulación por ordenador del proceso (abajo)

El objetivo último de la nanotecnología es la construcción de materiales en la escala nanométrica (millonésimas de milímetro), mediante manipulación de sus átomos. Esto es muy importante porque las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas pueden variar mucho con cambios minúsculos de su tamaño o su forma.

“Tanto nosotros, como muchos otros grupos de investigación en el mundo, hemos intentado durante los últimos 15 años obtener nanopartículas idénticas, de forma que todas presenten el mismo color, para que sus aplicaciones sean más eficientes. En este trabajo nos hemos focalizado en el uso de “nano-palitos” de oro, donde mínimas variaciones de su longitud o anchura provocan cambios notables en el color de la luz que absorben”, señala Luis Liz Marzán, director científico de CIC biomaGUNE e investigador del programa Ikerbasque.

“Mediante la utilización de pulsos láser muy intensos y de muy corta duración –en un segundo caben mil billones de flashes– hemos obtenido el récord mundial de calidad óptica, hasta conseguir que todas las partículas moldeadas se comporten como clones nanométricos”, explica Andrés Guerrero Martínez, investigador Ramón y Cajal de la Universidad Complutense de Madrid.

Sin embargo, la investigación va más allá de utilizar láseres a modo de cinceles en manos de un escultor para obtener el récord de calidad óptica, donde billones de nanopartículas de oro se comportan como si fueran una sola. Según Antonio Rivera, investigador de la Universidad Politécnica de Madrid, “el estudio también proporciona las claves físicas y químicas necesarias para entender y controlar el proceso que da lugar a nanomateriales perfectos desde un punto de vista de sus propiedades ópticas”.

Las nanopartículas de oro fueron preparadas mediante métodos químicos en disolución, pero el concepto realmente revolucionario del trabajo es la aplicación de los pulsos láser ultracortos para la modulación de la geometría de las partículas y el perfeccionamiento de sus propiedades. Asimismo, para entender la naturaleza química y física del proceso de moldeado se han utilizado técnicas habituales de caracterización (espectroscopía y microscopía electrónica), así como nuevos modelos teóricos y técnicas avanzadas de simulación por ordenador. La gran mayoría de estas simulaciones se realizaron en la UPM y para esto ha sido clave la infraestructura proporcionada por el Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid (CESVIMA).