De izda. a dcha, abajo: Marine Dael, Belén Sotillo, Paloma Almodóvar, Ruth Martínez, Rocío Ariza, Javier Piqueras; 1er escalón: Miguel Castro, Pedro Hidalgo, Bianchi Méndez, Marina García, Carlos Díaz-Guerra; 2º escalón: Ana Urbieta, Javier Bartolomé, Emilio Nogales, María Taeño, Emanuel Velarde, Paloma Fernández; última fila: Jaime Dolado, David Maestre, Manuel Alonso, Antonio Vázquez y Ana Cremades.

“La investigación básica en nanomateriales es necesaria para la sostenibilidad del planeta”

Bianchi Méndez

Directora del Grupo de Física de Nanomateriales Electrónicos de la UCM

El Grupo de Física de Nanomateriales Electrónicos de la Universidad Complutense de Madrid lleva más de 30 años trabajando en la investigación de semiconductores con microscopios electrónicos. Para conocer con más detalle en qué consiste su labor, hablamos con su directora, Bianchi Méndez.

¿Cuáles fueron los orígenes del grupo?

El grupo lo puso en marcha Javier Piqueras en los años 90, siendo uno de los primeros grupos en España dedicados a la microscopía electrónica de barrido (SEM, en inglés). Desde entonces, hemos ido incorporando otras técnicas complementarias, como la microscopia óptica confocal, microscopia túnel y de fuerzas atómicas, lo que ha permitido el desarrollo y la madurez del grupo, que ahora cuenta con 12 doctores. Actualmente, Javier Piqueras es profesor emérito y Paloma Fernández es codirectora del grupo.

¿Cuál es la actividad del equipo que dirige?

Nuestro grupo está especializado en la caracterización a nivel de la micro y nanoescala de semiconductores, materiales que resultan interesantes por sus propiedades ópticas y electrónicas y que forman parte de muchísimos dispositivos, tanto de alta tecnología como de uso cotidiano. Para ello usamos la microscopia, que nos permite visualizar objetos de tamaños de la millonésima parte de un milímetro. Nuestros objetos son los semiconductores y, con los modos de operación del SEM, podemos obtener imágenes no solo de la forma exterior, sino también de muchas características físicas y químicas de ellos, como los defectos o las impurezas. Esto es así porque en el SEM la fuente de iluminación es un haz de electrones que provoca varios tipos de respuesta en los semiconductores. Además, en los últimos años, también estamos fabricando materiales nanométricos, y tenemos que conocer sus propiedades, ya que éstas pueden cambiar respecto a las que presentan los materiales de mayor tamaño.

De ahí el nombre del grupo…

Sí, de ahí viene el incorporar los términos “nano” y “electrónico” al nombre del grupo, además de la física, por supuesto. Nos interesa conocer el movimiento de los electrones en los nanomateriales, saber cómo interaccionan con lo que encuentran dentro del material y en su entorno (luz o campos eléctricos, por ejemplo) y también cómo son los procesos de transferencia de energía. Y para estudiar estos fenómenos usamos técnicas de microscopia y espectroscopia.

¿Cuáles son sus principales líneas de investigación?

La línea de investigación que tenemos ahora en marcha se centra en el estudio de nanomateriales funcionales basados en la familia de óxidos que son capaces de conducir la electricidad y también son transparentes. El interés de estos nano-óxidos es la gran versatilidad que ofrecen, ya que adoptan estructuras cristalinas muy variadas que condicionan su comportamiento. Conviene recordar que las propiedades físicas de los sólidos están íntimamente relacionadas con el modo en que se colocan los átomos en el espacio y de cómo se enlazan entre ellos, de modo que cualquier pequeño cambio a nivel atómico puede traducirse en grandes cambios en las propiedades ópticas y electrónicas de los mismos. Y esto lo queremos controlar. Por eso es muy importante la caracterización de estos materiales.

Y por eso fabrican sus nanomateriales…

Si, el grupo desarrolla líneas de investigación dirigidas a la fabricación y caracterización de nanoestructuras de varios óxidos semiconductores que incluyen la ruta de síntesis, basada en la evaporación térmica, y el estudio de las propiedades físicas con alta resolución espacial por medio de técnicas de microscopia electrónica, entre otras. Nuestro grupo es líder en la obtención controlada de nanoestructuras sencillas (como nanohilos) y de otras más complejas, como estructuras jerárquicas o ramificadas, siguiendo ciertas estrategias en la ruta de síntesis. En cierto sentido, hacemos ingeniería de la morfología a la vez que modificamos las propiedades físicas de los nanomateriales.

Los estudios de microscopia electrónica nos han permitido esclarecer los mecanismos de crecimiento de determinadas nanoestructuras más complejas, como la formación de hilos en zig-zag, nanotubos o estructuras mixtas con nanopartículas o láminas ultradelgadas alrededor de los nanohilos. Esto es muy interesante porque la combinación de nanomateriales de diferente dimensión (puntos, líneas o planos) y propiedades es algo novedoso, que sin duda aporta un valor añadido a nuestros nanomateriales.

¿Dónde puede aplicarse el resultado de esas investigaciones?

Los trabajos de investigación del grupo se orientan a determinar la aplicabilidad de estas nanoestructuras de óxidos conductores transparentes en dispositivos de diversos tipos, como pueden ser células solares, baterías, sensores químicos, fotodetectores o emisores de luz, entre otros. Una de las ventajas de nuestros nanomateriales es que pueden interaccionar con la luz desde el ultravioleta hasta el infrarrojo. Esto ofrece un gran abanico de aplicaciones, desde que se puedan fabricar dispositivos transparentes, a disponer de fuentes de luz blanca o monocromática. Pasando por supuesto por el aprovechamiento de la radiación solar con diferentes fines, como la energía o la purificación de aguas. En el ámbito de la energía, tenemos algunos ejemplos recientes, tanto para generarla (células solares) como para almacenarla (baterías), en los que hemos añadido nanopartículas de óxidos para mejorar las prestaciones de estos sistemas. Esta investigación forma parte de un proyecto europeo en marcha en colaboración con el Instituto de Energía de Oslo y la empresa Enwair (Turquía) y que dirige Ana Cremades dentro del grupo.

¿Hablamos de investigación básica?

La investigación de las propiedades físicas de los materiales sólidos es importantísima, ya que es lo que nos permitirá posteriormente lograr que sean funcionales. La investigación básica la necesitamos para establecer las relaciones entre la microestructura a nivel atómico con las propiedades que presenta un material. En este sentido, nuestros materiales dan mucho juego, porque como ya he mencionado, hay una gran variedad de formas de combinar cationes metálicos con el oxígeno. Una vez conocidas sus propiedades, hay que dotarlos de una o varias funciones, para ello tenemos que saber cómo va a comportarse nuestro nano-óxido ante un estímulo concreto, como el calor, la luz, una sustancia química, un campo eléctrico, etc. En el caso de las propiedades ópticas, estudiamos la generación, propagación y confinamiento de luz en las nanoestructuras que fabricamos. En esta línea estudiamos como se pueden controlar estos procesos mediante la incorporación de impurezas o con la microestructuración. Por ejemplo, hemos demostrado que muchos de nuestros microhilos se comportan como microcavidades ópticas, es decir, que pueden almacenar luz en cierta medida, y lo hemos estudiado tanto teórica como experimentalmente.

Uno de los trabajos del grupo tiene que ver con la llamada economía circular. ¿En qué consiste?

Es una línea de más reciente creación, dirigida por Paloma Fernández, dedicada a los materiales para la economía circular. En este caso, además de trabajar con precursores comerciales para fabricar las micro y nanoestructuras, estamos desarrollando una línea de trabajo para recuperar óxidos de procesos de reciclado y reintroducirlos en el ciclo de producción como materiales de alto valor tecnológico, para aplicaciones en fotocatálisis, sensores de gases, etc.

¿Cuáles son los retos de futuro del grupo?

La intención es trabajar en temas que nos permitan avanzar en las aplicaciones más novedosas y aportar algún punto innovador a nuestra investigación. Me refiero, por ejemplo, a potenciar las aplicaciones de los nano-óxidos en la electrónica flexible, electrónica transparente, y en dispositivos de bajo consumo. Ello, sin duda, contribuirá a la sostenibilidad del planeta, aprovechando las materias primas más allá del silicio de manera eficiente, y produciendo energía limpia y segura. Pero para eso y más, es necesario saber bien cómo se comportan estos nanomateriales tan prometedores.

www.finegroup.es

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