Cuando este blog nació, mi amiga Nuria me sugirió hacer una galería de imágenes con las cosas extraordinarias que descubrimos en el laboratorio y me pareció tan buena idea que creé la sección ArtInLab. En este tiempo he colgado imágenes de nuestras curiosas muestras, de nuestra vida en el laboratorio, y hasta de nuestros espectros. Y muchas de ellas han sido momentos de «wallaaa» en el microscopio electrónico de barrido (SEM), porque trabajar en el nanomundo te permite ver paisajes increíbles.

Hace unos meses obtuvimos uno de esos ArtInLab haciendo SEM de una muestra. La imagen era tan espectacular que lo tuve claro nada más verla y le dije a mi compañero: «vamos a ser portada con esta foto«. Escribimos el artículo y finalmente fue aceptado y publicado. Unas semanas después pasé a recoger mi correo y tenía un paquete del Institute of Physics. Lo abrí y me encontré con esto:

Y acompañando la nota estaba el próximo ejemplar de la revista con nuestra imagen en portada. Como podéis imaginar hay pocas cosas que hagan más ilusión a un científico que aparecer en la portada de una revista con tu artículo, así que he decidido hablaros de lo que nos llevó hasta allí, que fueron nuestras hermosas nanoislas de silicio.

Un ArtInLab de portada

Hace tiempo que os vengo hablando de cómo producir patrones por medio del bombardeo iónico, y ya os he mostrado algunas de nuestras nanodunas en silicio. La idea es reproducir a pequeña escala los patrones que se forman en la naturaleza de manera espontánea, patrones que tienen dimensiones tan grandes como para ser vistos desde la Estación Espacial Internacional (ISS).

Patrones de islas (izquierda) y dunas (derecha) en el desierto vistos desde la ISS. (Imágenes de los astronautas Luca Parmitano y Scott Kelly.

Sabemos que estos patrones en los desiertos o en las nubes se producen gracias al equilibrio dinámico entre la erosión y el transporte; es decir, en unas zonas se elimina material, pero a costa de depositarlo en otras. De esta manera aunque los congelemos en una foto, la realidad es que estos patrones no son fijos, sino que se van desplazando y evolucionando con el tiempo. Pueden modificar su longitud de onda (el espacio entre las colinas) y su amplitud (la altura de las colinas). Pero no sólo eso: ¿alguna vez habéis pensado qué hace que haya dunas onduladas en unos casos e islas aisladas en otros?

Resulta que cuando sólo existe una dirección del viento, la erosión (y el transporte) se produce sólo en esa dirección privilegiada, de manera que lo que se obtiene es un patrón de ondas. Sin embargo, cuando hay varias direcciones, o el viento cambia muy a menudo, lo que aparece en el patrón son islas aisladas porque hay una erosión (y transporte) isótropa, igual para todas las direcciones. Aquí os dejo un par de simulaciones de nuestro compañero Javi en ambos casos:

En el laboratorio nosotros modificamos las superficies de nuestros materiales de una forma similar, pero las escalas son totalmente diferentes porque en vez de mover granos de arena (cuyo tamaño varía entre 0.063 y 2 mm según la Wikipedia =), nosotros movemos átomos (cuyo tamaño es de unos 0.1 nm) bombardeándolos con iones. Así que nuestros patrones no son de unos cuantas centenas de metros como en el desierto, sino de centenas de nanómetros.

Geometrías para la producción de patrones por bombardeo iónico

Además, tenemos la ventaja de que podemos controlar la dirección de erosión muy fácilmente, con solo inclinar la muestra en una u otra dirección. Cuando se incide con un ángulo rasante se fomenta la aparición de ondas, mientras que cuando se incide con un ángulo perpendicular se formenta la aparición de islas. Nuestro objetivo es poder controlar el patrón, de manera que podamos elegir el orden de las islas, su espaciado y su altura en cada caso.

Granos de arena ampliados (Fuente: Gary Greenberg, http://sandgrains.com/)

La pregunta que nos hemos hecho en estos últimos años es: ¿qué pasa con el patrón si el suelo no es homogéneo? O dicho de otra forma, ¿qué pasaría si tuviéramos dos tipos de granos de arena, que se movieran y actuaran de forma distinta? Por ejemplo, ¿qué pasaría si mientras bombardeamos silicio incluimos impurezas metálicas?

Hasta ahora sabíamos que cuando hay dos especies compitiendo en la superficie, el distinto ritmo de erosión entre ellas es clave para producir el patrón, pero seguíamos sin saber cómo se producía esto exactamente porque los patrones son tan pequeños que resulta muy difícil distinguir las dos especies (Si y Fe en nuestro caso). Así que decidimos ir a por más (al estilo del Sr. Smith en Matrix), y más para nosotros significaba más energía.

Patrón de islas producido a media energía. Además de las islas se observan colinas y valles que modulan su tamaño y espaciado.

El tamaño de los patrones escala con la energía hasta un cierto límite así que en vez de producir los patrones a la energía típica de 1 keV, nos fuimos al implantador y pusimos 20, 40, 80 y hasta 160 keV. Y funcionó. Salieron patrones con islas muy marcadas en áreas mayores. Descubrimos que, no sólo se formaban islas, sino que esas islas se colocaban encima de colinas o de valles. Y lo más sorprendente de todo: las colinas tenían islas más grandes y separadas, mientras que los valles tenías islas más pequeñas y juntas. Es decir: en realidad ¡había dos patrones! Uno, el patrón de islas, y otro, el patrón de colinas y valles subyacente.

¿Qué provocaba eso? ¿Qué hacía que se ordenaran de esa manera? Decidimos hacer un mapa de composición de la muestra y ahí hallamos nuestra respuesta. Para conseguir eso, al mismo tiempo que tomábamos la imagen de la superficie en el microscopio electrónico, detectamos los electrones retrodispersados por ella. Esos electrones rebotan y cambian su energía, y la energía que pierden dependen del átomo con el que chocan (esto os sonará de alguna otra entrada), de manera que nos puede decir qué elementos tenemos. Y así llegamos a la imagen que ha provocado esta entrada:

Nanomundo

Las zonas rojas son zonas de mucho metal, las verdes indican zonas ricas en metal pero menos concentrado, y las azules zonas pobres en metal. Acabábamos de demostrar, en una sola imagen, que el patrón de colinas subyacente se forma por medio de «ríos de metal«, y que son estos ríos los que modulan la distancia y el tamaño de las islas. Creemos que esta es la primera vez que se ha visto esto de una manera tan clara, pero honestamente me parece que el editor no eligió el artículo por eso.

Creo que lo eligió por la misma razón que yo supe inmediatamente que estaría en portada: porque es hermoso. Y es que «lo bueno necesita aportar pruebas; lo bello, no».

@DayInLab

P.D.: Esta última cita parece tener autorías diversas. He encontrado a Bernard le Bovier de Fontenelle y a la Condesa de Blessington. Si alguien encuentra la fuente original, por favor, que me saque de dudas.