El estudio de los materiales a nivel atómico, útil para conocer sus propiedades

La única diferencia entre un material tan blando como el grafito de un lápiz y otro tan duro como un diamante, está en la forma en que se encuentran arreglado sus átomos, pues ambos están conformados por carbono; de ahí la importancia de estudiar estas estructuras a escala atómica, señaló el doctor Federico González García, responsable del Laboratorio divisional de Rayos X de la Unidad Iztapalapa de la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM).

El investigador del Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica explicó que el Laboratorio de Análisis Cuantitativo mediante difracción de rayos X ubicado en la Unidad Iztapalapa, cuenta con un difractómetro de polvos para rayos X –adquirido con financiamiento de la UAM y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología– que “nos permite indagar la naturaleza de materiales en estado sólido ordenados a escala atómica”.

Este ordenamiento es relevante porque tiene efecto en la propiedad de los materiales “y eso es en realidad lo que nos importa”, pues a través del estudio de este arreglo de los materiales a nivel atómico podemos conocer sus propiedades y por tanto su idoneidad para diversas aplicaciones, indicó.

En el laboratorio se trabaja, por ejemplo, en materiales que puedan absorber  mejor la energía del sol y transformarla en calor o convertirla directamente en energía eléctrica, lo que resulta de fundamental importancia en el campo de calentadores solares y para la tecnología fotovoltaica en general.

El doctor González García comentó que en la UAM, investigadores de distintas disciplinas, recurren a este laboratorio para realizar investigaciones con diversos materiales. Procesos industriales como los vinculados a la industria petroquímica, el estudio de biomateriales para la degradación de contaminantes, son algunos de ellos.

En el ámbito de la odontología, otros investigadores estudian el efecto del ordenamiento de la materia a escalas pequeñas en un diente sano y en otro enfermo.

Otros trabajos de investigación están relacionados con materiales para pilas ion litio o recargables que se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos como teléfonos celulares, cámaras fotográficas, tabletas, entre muchos otros.

El doctor González García sostuvo que si en el futuro “queremos usar fuentes intermitentes de aprovechamiento de energía o de recursos energéticos”, como la energía eólica o la mareomotriz, es necesario almacenarla y, por tanto, contar con un medio de almacenamiento; para ello se estudian también diferentes materiales para baterías de ion litio a través del difractómetro.

En realidad, dijo el académico de la Unidad Iztapalapa, “aquí estaría la base de muchos desarrollos ulteriores, a partir de saber qué material tengo” y aplicarlo con un determinado propósito.

“Este equipo me permite saber con qué material cuento, identificarlo, saber cómo se encuentran ordenados sus diferentes iones”. Entre el grafito y en un diamante, por ejemplo, la única diferencia que hay es la forma como están acomodados los átomos de carbono; en el grafito son una especie de laminitas y en el diamante toman un ordenamiento totalmente distinto, que lo hacen el material más duro que conocemos los humanos.

El funcionamiento de este difractómetro consiste en bañar con luz de longitud de onda muy pequeña a un material “hecho de muchos cristalitos”, que al interactuar con los átomos de los que están constituidos dichos cristales, y que forman arreglos regulares, dan lugar a un fenómeno que recuerda los torniquetes del Metro, donde la gente se tiene que formar para pasar.

Aquí es igual: esos planos ordenados de iones y átomos hacen que al interactuar los rayos X con esa retícula de átomos ordenados, se produzca un fenómeno de interferencia: “es decir, que esa luz actúa con otras haces de esa luz y se refuerza para dar señales maximizadas”.

Una vez que se mide la respuesta eléctrica u óptica del material en su interacción con la luz, se establece la particularidad o características; es decir, “qué es lo particular que tendría un material desde el punto de vista del arreglo geométrico de los iones o los átomos” que lo conforman.

El equipo permite también ver cómo se modifica la estructura y entonces intentar relacionar las propiedades del arreglo geométrico con su respuesta eléctrica, magnética, óptica y catalítica, información a partir de la cual pueden diseñarse nuevos materiales.

“Esta sería la cereza del pastel”, comentó el doctor González García, porque “yo podría diseñar, con este tipo de instrumentos y otras técnicas, materiales con propiedades hechas a la medida, para que tengan una función específica y optimizada”.

Áreas como la medicina, el aprovechamiento de energías convencionales y renovables, el diseño de materiales para procesos catalíticos en la industria petroquímica o fotocatalíticos para la degradación de contaminantes, la industria del cemento, de los pigmentos y en general todo lo que tenga que ver con materiales en estado sólido, pueden beneficiarse mediante el uso de este tipo de instrumental.

El doctor Federico González expuso, por otra parte, que comparado con un sincrotrón y para tener ideas de las diferencias, “el difractómetro con que cuenta la UAM sería un auto de lujo, mientras que un sincrotrón sería el equivalente a un transbordador espacial o algo similar”; aun así, este equipo nos permite indagar la naturaleza, a escala muy pequeña de materiales en estado sólido que están ordenados a nivel de escala atómica.

Señaló que desde hace algunas décadas las comunidades científicas de los países más desarrollados se plantearon la posibilidad de estudiar con mayor detalle lo que ocurre en los materiales en diferentes momentos, tanto de su preparación como de su funcionamiento, en alguna aplicación específica, y se encontró que una posibilidad la ofrecía un sincrotrón.

Explicó que un sincrotrón es un gran anillo, una cavidad circular en donde se aceleran electrones a muy altas velocidades, cercanas a las de la luz. Esta aceleración hace que los electrones empiecen a emitir radiación de distintas longitudes de onda.

El propósito es cómo aprovechar y cómo aplicar esta radiación. “Mucha de la investigación que se desarrolla con estos aparatos es justamente de rayos X, lo que permite hacer algo similar a lo que realiza el difractómetro, e indagar con mayor profundidad lo que ocurre en los materiales.

Enfatizó finalmente que en América sólo Brasil cuenta con un sincrotrón, hecho que se asocia con la robustez del desarrollo científico, tecnológico y económico de un país, pues “está documentado que crear infraestructura de esta naturaleza detona el desarrollo a nivel científico y tecnológico y, por tanto, el de la industria de un país”.

(UAM)