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Artículo de investigadores de la Universidad de Texas en San Antonio y del INAOE, en la portada de una revista de la Royal Society of Chemistry

Manipular la materia a escala nanométrica para fabricar dispositivos inteligentes capaces de almacenar grandes cantidades de información es todo un reto tecnológico. Eso es lo que ha logrado un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en San Antonio (UTSA) y del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE). Los científicos de ambas instituciones han fabricado nanoarquitecturas tridimensionales altamente ordenadas de nanoalambres magnéticos. Se trata de una investigación que apunta a los materiales híbridos con propiedades ópticas y magnéticas que permitirán almacenar grandes cantidades de información en espacios de tamaño nanométrico.

Este trabajo fue publicado en un artículo que el pasado mes de junio resultó tan sobresaliente que fue seleccionado para la portada de la revista Material Advances de la familia de revistas de la Royal Society of Chemistry (RSC).

El artículo titulado “Towards three-dimensional nanoarchitectures: highly ordered bi-layer assembly of tailored magnetic nanowire arrays via template-assisted electrodeposition” fue dirigido por el doctor Arturo Ponce, de la UTSA e investigador visitante del INAOE, y en él participaron Arturo Galindo, José Luis Reyes-Rodríguez y Cristian Botez, también de UTSA, y el Dr. Mario Moreno Moreno, del INAOE. Parte importante del trabajo se realizó en el laboratorio de Microelectrónica y el laboratorio de Microscopía Electrónica del INAOE.

El Dr. Arturo Ponce, profesor e investigador de la UTSA e investigador visitante del INAOE, explica que las propiedades físicas y químicas en general, ya sea electrónicas, ópticas o magnéticas de un material, no se comportan igual en el mismo material si está a gran escala o a nanoescala. “Las propiedades de los materiales a la nanoescala dependen tanto del tamaño como de la geometría en que han sido confinados a esa escala. Por ejemplo, una nanopartícula de oro o bien un punto cuántico de dos nanómetros de diámetro –para poner en contexto, un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro-- cambia su propiedad óptica si la nanopartícula incrementa su diámetro a unos pocos nanómetros más, por ejemplo a 5 o 10 nm. Solo por citar un ejemplo, si la nanopartícula cambia su geometría, digamos de una figura pentagonal a una forma alargada en forma de nanovarilla o figura traingular, también cambiará sus propiedades físicas”, afirma.

El investigador agrega que en la nanotecnología hay dos caminos para obtener nanomateriales: el bottom-up, que consiste en construir átomo por átomo hasta que se forme la nanoestructura, y el top-down, que consiste en reducir o fragmentar el material de su escala macroscópica hasta un nivel nanométrico. El reto en cualquiera de las dos vías es controlar el tamaño y la forma geométrica de manera homogénea, agrega.

En el trabajo que se ha publicado en la revista de la RSC se utilizó una plantilla de alúmina porosa donde se crecen de forma electroquímica nanovarillas o nanoalambres dentro de las cavidades de la plantilla. Además de crecer de forma vertical los nanoalambres, estos se distribuyen en el área de la planilla de forma ordenada formando arreglos de nanoalambres altamente densos y distribuidos bidimiensionalmente. Para preparar dichas plantillas los investigadores utilizan un proceso de anodización química de una lámina de aluminio, la cual  se oxida y, por los potenciales electroquímicos que tiene el agente con el que se oxida, se forma una especie de panal de abejas, es decir, un arreglo hexagonal donde las cavidades van a servir para, después, con otro método electroquímico, hacer crecer los nanoalambres metálicos.

“De esta forma podemos controlar el tamaño del diámetro del poro, sus distancias intra-poros y su longitud y garantizamos el mismo tamaño y el mismo espesor en los nanoalambres. Este es un método electroquímico que se utiliza desde hace varios años para diversas aplicaciones. La novedad de nuestra contribución radica en depositar ensamblajes de los nanoalambres depositando más de una plantilla, lo cual permite ensamblar un nanoalambre ya sea del mismo o de otro material con la finalidad de fabricar nanoestructuras en tres dimensiones con propiedades híbridas, lo que nos permite tener alambres en dos direcciones y además de diferentes materiales”.

Para esta investigación se utilizaron metales de transición como cobalto, níquel, oro y plata, para combinar propiedades ferromagnéticas (cobalto y níquel) con propiedades ópticas/plasmónicas (oro y plata). Los materiales ópticos responden a la luz que reciben dando lugar a oscilaciones colectivas de electrones en su superficie y teniendo una influencia en las propiedades magnéticas de los materiales a ensamblar. Por otra parte, una de las aplicaciones de los materiales magnéticos es la de almacenar memoria. Con este arreglo se pretende que cada alambre sea un sitio de almacenamiento de memoria. El arreglo bidimensional altamente denso de muchos nanoalambres ordenados de manera periódica en la plantilla está encaminado a la tecnología llamada terabyte per square inch, es decir, almacenar terabytes en una pulgada cuadrada. Nuestra investigación está dirigida a fabricar dispositivos muy pequeños con una capacidad de memoria más grande, apunta el Dr. Ponce.

“En resumen, nuestro interés es depositar una arquitectura tridimensional de autoensamblajes a la nanoescala y fabricar materiales que tengan aplicaciones híbridas, es decir, ópticas y magnéticas, así como controlar los mecanismos de almacenamiento de memoria por medio de la estimulación óptica que sea posible modular el almacenamiento de memoria a través de una respuesta óptica. Hacia allá vamos, hacia hacer materiales híbridos fenómeno denominado acoplamiento magneto-plasmónico”.

Este trabajo científico se realizó en la UTSA y en el INAOE, donde se fabricaron y caracterizaron las plantillas y los nanoalambres. Los análisis del acoplamiento de las multicapas de nanoalambres se realizaron con el microscopio electrónico de doble haz (FIB), electrones-iones, instalado en el laboratorio de Microscopía Electrónica del INAOE. A través de cortes nanométricos en sección transversal de las multicapas se pudieron identificar los crecimientos de los nanoalambres y caracterizarlos químicamente con los detectores acoplados a este instrumento. Finalmente, los investigadores de este proyecto, los doctores Mario Moreno y Arturo Ponce invitan a estudiantes de pregrado y posgrado a formar parte de sus grupos de investigación para la fabricación de nuevas estructuras fascinantes de materiales inteligentes confinados a la nanoescala.