Hace poco estuve en Dubái visitando a mi matemática preferida: mi amiga Sylvia. El viaje fue muy divertido y pudimos ver muchas cosas interesantes, de las que no os puedo hablar en esta entrada porque sería demasiado largo, pero que podréis leer con todo lujo de detalles en Patritravel.

Hoy vuelvo a recordar este viaje por el Burj Khalifa, que como sabéis es una impresionante aguja espiral de 828 m, icono de Dubái además de ser el edificio más alto del mundo. Os quiero hablar de él porque nos lo hemos encontrado en el laboratorio… en forma de nanohilo, eso sí. Pero vayamos por partes: ¿qué son los nanohilos y para qué los queremos?

Nanohilos de Ge sobre silicio (Fuente: HETERNA Group)

Los nanohilos son estructuras alargadas que tienen por lo general un diámetro de algunos nanómetros y una altura de varias micras. Pueden tener formas muy variadas dependiendo del material y del método de crecimiento, pero normalmente se buscan estructuras organizadas que se puedan integrar en dispositivos para mejorar su eficiencia. Eso se debe a que en un nanohilo la relación entre la superficie y el volumen que ocupa es mucho mayor que en una lámina delgada. Es decir, hay muchos más átomos accesibles que pueden participar en los fenómenos físicos como por ejemplo la absorción de luz (lo que les hace muy deseables para células solares).

¿Cómo se consigue crecer esas estructuras? Hay varios métodos pero el que nosotros usamos (que es uno de los más extendidos) se conoce como transporte químico en fase vapor (CVT). La idea es producir una reacción química gaseosa y transportar los productos a un sustrato próximo. El esquema viene a ser algo así:

Transporte químico en fase vapor

Introducimos los reactivos en un tubo a alta temperatura, y los hacemos reaccionar con el gas que circula por él. De esa reacción se obtiene un precipitado sólido que se transporta hasta nuestro sustrato. Por ejemplo, en nuestro caso solemos crecer hilos de óxido de zinc (ZnO), así que partimos de Zn sólido como reactivo y lo calentamos hasta producir su evaporación. En ese momento introducimos un gas de oxígeno que produce la reacción química Zn(g)+O(g) → ZnO (s). El óxido de zinc sólido se transporta así cerca de la zona de reacción, y podemos recogerlo sobre nuestro sustrato. El aporte continuo de material hace que los hilos crezcan hasta que se agote el reactivo, y como la temperatura suele ser muy alta, los nanohilos tienden a formar cristales. Suena simple, ¿verdad?

Espectro visible

Pues bueno, resulta que no siempre los hilos crecen como les mandamos, así que conviene asegurarse de que todo ha ido bien y echar un ojo a las muestras cuando salen. Pero claro, para echar un ojo no nos sirve cualquier microscopio; necesitamos un microscopio electrónico de barrido (SEM). Y es que nosotros estamos acostumbrados a ver con los ojos, pero nuestros ojos son unos sensores muy limitados que sólo entienden bien la luz (fotones) que está en una reducida parte del espectro electromagnético (la que llamamos visible, y que va de los 400 a los 700 nm de longitud de onda). Eso nos limita a la hora de ver cosas más pequeñas que esa longitud, y por eso incluso con microscopio ópticos no se puede lograr mucho más de 1000 aumentos.

Esquema de un microscopio electrónico de barrido

Cuando queremos ver cosas por debajo de unos 200 nm los microscopios convencionales ya no nos sirven y en esos casos tenemos que buscar otro tipo de partículas, como los electrones. Los electrones, al igual que los fotones, tienen una cierta longitud de onda asociada gracias al principio de dualidad onda-corpúsculo de De Broglie, pero su longitud de onda puede ser mucho más pequeña que la de la luz visible. Por ejemplo, un electrón a 10 keV de energía tiene una longitud de onda de ¡sólo 0.0000162 nm! A estas alturas no necesito explicaros lo pequeño que es eso porque ya habréis leído nuestra entrada sobre Nanotecnología.

El caso es que gracias a esos electrones acelerados del SEM podemos llegar a ver los objetos con una resolución final muy alta (cercana a los 2 nm), y por eso es nuestra herramienta preferida para ver nanohilos. Al igual que pasa con la luz en el microscopio óptico, lo que se detecta en el SEM son los electrones dispersados o reflejados por la muestra, pero como los electrones no tienen niguna característica de color las imágenes sólo reflejan intensidad. Vamos, que es como ver la tele en blanco y negro, pero al menos la programación es interesante…

Comparación de escalas entre el Burj Khalifa y nuestro nanohilo.

Resulta que hace tiempo teníamos una sesión de SEM y estábamos en busca de nuestros nanohilos de óxido de Zn, y de repente descubrimos un maravilloso ejemplo de ArtInLab. Teníamos ante nosotros un nanohilo que habría crecido en forma de aguja escalonada, ¡un aténtico Burj Khalifa en miniatura! Os dejo la comparación entre los dos para que juzguéis vosotros mismos. Alucinante, ¿no?

Estructura wurzita (Fuente: Wikipedia)

Me gustaría poder contaros cómo creció así, pero la realidad (y esto pasa muchas veces en la ciencia) es que no lo sabemos exactamente.  Lo que sí os puedo contar es que nuestro nanohilo tiene esa forma porque los cristales de ZnO crecen en una red hexagonal, llamada wurzita. De hecho, si recorréis el nanohilo desde su base, veréis que tiene caras hexagonales. También os puedo contar que el cristal crece cada vez más afilado porque hay una dirección privilegiada de crecimiento. Para los que sepan eso de los índices de Miller la dirección es la [001], y para los que no, bueno, básicamente el cristal crece más rápido hacia arriba que hacia los lados.

Sin embargo, si os fijáis detenidamente lo que hace realmente bonito al nanohilo no son sus caras perfectas, sino sus defectos, que son los que crean las terrazas a distintas alturas. Esas interrupciones bruscas del crecimiento son las que le dan esa forma de aguja que tanto recuerda al Burj Khalifa. Eso sí, el Burj Khalifa tardó en construírse 6 años y para hacerlo se necesitaron 500000 toneladas de material. Nosotros tardamos 2 horas en crecer los nanohilos, usando sólo 0.1 g de material. ¿Con cuál os quedáis?

Mi voto, ya os lo cuento, va para el orginal, porque la ciencia es muy bonita pero los amigos como Sylvia son un tesoro. Así que puestos a elegir, antes que crecer un nanohilo como ése prefiero volver a tomarme un cóctel con ella a los pies del verdadero Burj Khalifa… =)