Construcción de nanoestructuras átomo a átomo. David Abbasi Pérez/ Silico Studio, Author provided
Diseñar materiales a la carta está cada día más cerca de ser una realidad. Aunque todavía quede camino por recorrer, la capacidad de manipular átomos a nuestro antojo para construir estructuras nanoscópicas y perceptibles con nuestros sentidos empieza a cobrar forma. Utilizando la punta de un microscopio de fuerza atómica a modo de grúa, se podrían trasladar átomos individuales de manera vertical de un sitio a otro sobre una superficie, como si de ladrillos en la construcción de un edificio se tratara. Una investigación reciente ha mostrado de forma computacional cómo se llevaria a cabo este proceso.
Pero, ¿de qué serviría poder hacer materiales a la carta?
Este tipo de manipulación atómica, una vez se consiga realizar experimentalmente de manera rutinaria, introducirá una nueva estrategia para la fabricación átomo a átomo de nanoestructuras. Esto permitiría ajustar las propiedades de dichas nanoestructuras con precisión atómica, con un enorme potencial para la creación de nanosensores, nanoantenas, plantillas atómicas para la síntesis de metamateriales, nuevos catalizadores, construir circuitos de unos pocos átomos regidos por las leyes de la mecánica cuántica y un largo etcétera difícil ahora de vislumbrar.
Hasta ahora los átomos individuales pueden ser empujados o atraídos sobre la superficie donde residen con la ayuda de la punta del microscopio, o ser intercambiados entre la punta y la superficie. Estas operaciones, o se realizan únicamente por deslizamiento de los átomos, o implican la modificación de la punta original impidiendo su repetición cíclica. Además, suelen estar restringidas a un único tipo de átomos.
La nueva propuesta de manipulación vertical permitiría coger y soltar átomos de distinta naturaleza de manera reversible, sin modificar la punta original, haciendo uso únicamente de las interacciones que existen de manera natural entre los átomos.
Cómo hacer pinza en un mundo sin pinzas
Si pensamos en términos macroscópicos, coger y soltar objetos es un problema que se resuelve fácilmente haciendo pinza. Esto no es posible cuando queremos manipular átomos individuales, porque hacer pinza a esta escala no es posible. Hay que ingeniárselas para poder realizar estas operaciones fundamentales a escala atómica.
La fuerza atractiva o repulsiva total que siente un átomo es la suma de todas las fuerzas debidas a las interacciones con el resto de átomos del sistema. Esto es importante para entender lo que sucede cuando la punta del microscopio de fuerza atómica va acercándose a un átomo que reposa sobre una superficie. Cuando la punta está lejos de la superficie el átomo no siente las fuerzas de la punta y solo interacciona atractivamente con la superficie.
A medida que la punta se acerca al átomo, este empieza a sentir también las fuerzas de la punta. Las fuerzas dependen directamente de la distancia entre los átomos, de manera que si a una distancia concreta las fuerzas atractivas entre la punta y el átomo son más fuertes que entre el átomo y la superficie, ese átomo pasará a la punta. Al retirar la punta el átomo permanecerá sobre la punta en vez de sobre la superficie. ¡Zap! ¡Hemos cogido un átomo sin hacer pinza!
Pero ¿cómo lo soltamos si el átomo siente una interacción más fuerte con la punta que con la superficie?
Esto se conoce como el problema de los dedos pegajosos.
Proceso de manipulación: el átomo sobre una superficie es recogido por una punta de microscopio de fuerza atómica, ésta se traslada y deposita el átomo de nuevo en la superficie y queda preparada para volver a repetir la operación con un nuevo átomo. David Abbasi Pérez de http://silicostudio.com
El problema de los dedos pegajosos
Para poder soltar el átomo que hemos cogido tenemos que encontrar un sitio particular en la superficie donde el balance de fuerzas entre la superficie y el átomo sea ahora más atractivo que entre el átomo y la punta.
Los microscopios de fuerza atómica tienen una increíble precisión y pueden mover la punta distancias muy pequeñas hasta encontrar esas posiciones particulares. Es posible hacer un ligero desplazamiento lateral de la punta de manera que no coincida con la posición inicial. En esta nueva posición lateral podemos volver a aproximar la punta con el átomo adherido hacia la superficie alcanzando distancias entre los átomos ligeramente diferentes.
Como las fuerzas dependen de la distancia, jugando con estas distancias podremos encontrar posiciones laterales donde el átomo salte de la punta a la superficie. De esta manera conseguiremos soltar el átomo. Hemos usado la misma punta y esta no se ha modificado en el proceso. ¡Wow!
De esta manera podremos repetir las mismas operaciones tantas veces como deseemos. Es más, como en las superficies donde actuamos hay una repetición de posiciones equivalentes, podremos cargar un átomo en una posición, movernos a otra posición equivalente diferente y realizar la operación de descarga.
Una grúa atómica en funcionamiento
En la investigación citada mas arriba este proceso ha sido simulado sobre una superficie de arseniuro de galio y se ha visto que con una sola punta, también de arseniuro de galio, es posible manipular átomos de distinta naturaleza como oro, galio, arsénico y aluminio.
Si tenemos un conjunto de estos átomos distribuidos al azar sobre la superficie, podríamos primero escanearla para determinar las posiciones iniciales de los átomos. Una vez sabiendo donde están, podríamos ir recolocándolos a nuestro antojo y construir así nanopartículas átomo a átomo, siempre que las estructuras que formemos sean químicamente estables. Se trata de llevar a cabo un proceso mecanoquímico.
Ilustración del proceso de preparación de la punta de AFM y manipulación atómica vertical reversible para una posible construcción de nanoestructuras átomo a átomo, como si de una grúa atómica se tratase. David Abbasi Pérez de http://silicostudio.com
Aunque pueda parecer sencillo dicho así, es extremadamente complejo de realizar experimentalmente y son muchas las dificultades técnicas a superar. Sin embargo, los avances técnicos van superando poco a poco estas dificultades. Una buena sinergia entre grupos teóricos y experimentales es sin duda el camino por el que hay que transitar. Los resultados de las investigaciones que hemos mostrado son fruto de este tipo de colaboraciones.
Es así como se pueden generar protocolos realistas para llevar procesos de tuneo que permitiría el anhelado diseño a la carta de materiales.
Fuente: 
David Abbasi Pérez, Marie Skłodowska-Curie Action Fellow, Universidad Complutense de Madrid y · José Manuel Recio Muñiz, Profesor de Química Física, Universidad de Oviedo
