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Al estar en contacto con el medio ambiente, todos los materiales sufren modificaciones, especialmente en la superficie: la plata se opaca, el hierro se oxida y el acero se corroe.
Saber qué ocurre a nivel físico y químico en ese proceso ha sido de interés desde la época de los griegos, pero fue hasta la década de 1960 cuando fue posible experimentar en esa área, al discriminar de un material los átomos de su capa exterior dentro de equipos sofisticados de ultra-alto vacío, en los que las condiciones ambientales están controladas, explicó Leonel Cota Araiza, investigador y fundador del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM.
En el grupo de Físico-Química de Nanomateriales de esa entidad académica, con sede en Ensenada, Baja California, el científico se especializa en los métodos fundamentales de la física de superficies, así como en sus posibles aplicaciones, entre ellas, el desarrollo de recubrimientos y nuevos materiales contra la corrosión y la oxidación, que afectan instalaciones y equipos que, por ello, requieren mantenimiento constante.
“Entender lo que ocurre en la superficie de los materiales ayuda a desarrollar películas delgadas para recubrir y endurecer diversos productos y detener esos procesos”, destacó el doctor en física.
Retos experimentales
La física de superficies enfrenta varios retos para su estudio experimental. “El primero es cómo aislar los átomos de la superficie, para analizar sus interacciones sin el material que está debajo”, detalló.
Expuesto al medio ambiente, un material se recubre de gases, oxígeno, vapor de agua e incluso grasa de los dedos al tocarlo, en apenas unos microsegundos. “La superficie no se puede mantener estable a temperatura ambiente ni a la presión atmosférica más de un microsegundo, pues cambia continuamente”, explicó.
La única forma de mantener estable la superficie es al colocar los materiales dentro de una cámara de ultra-alto vacío, a presión atmosférica similar a la que se encuentran los astronautas en el espacio exterior.
“La idea es que la superficie interaccione con pocos átomos en su ambiente, para que no cambie, sin embargo, trabajar a esas presiones tan bajas implica grandes inversiones, manipular las cosas desde afuera con aparatos mecánicos. Es complicado y caro”, reconoció.
Además de controlar las variaciones de temperatura, los científicos utilizan sistemas de bombeo que permanecen encendidos el tiempo que dura el experimento.
Para aislar la superficie, a ésta se le lanzan electrones que, con una energía baja, chocan y provocan una reacción en los átomos de la superficie. “Al rebotar de ahí, nos traen información de lo que ocurre”.
Otra forma de estudio es lanzar rayos X, que al penetrar generan electrones emitidos que salen de las capas superficiales. “Los captamos con la misma energía que fueron emitidos. No les damos oportunidad de que provengan de capas más profundas. Es un proceso llamado fotoemisión, que se descubrió en el siglo XIX pero que explicó Albert Einstein en 1905 como efecto fotoeléctrico”, rememoró.
“Queremos saber cómo es la química de la superficie: qué elementos, compuestos y reacciones químicas convergen y cómo cambian si quitamos y ponemos cosas. Así estudiamos cómo estaba antes, qué reacción hubo y cómo quedó después, si hubo reacciones de corrosión o de oxidación, formación de capas o películas delgadas”, detalló.
Para limpiar la superficie, los científicos lanzan un haz de iones de argón. “Es como una escoba iónica, que no interfiere químicamente con la superficie, pero por fuerza bruta impacta a los átomos que están ahí y los desplaza”, expuso.
Películas delgadas
El interés por las películas delgadas dio origen a la experimentación en 1960, pues la microelectrónica dependía de entender cómo una película se forma sobre otra o cómo crece sobre un cristal; era parte del desarrollo tecnológico requerido para desarrollar circuitos integrados para la electrónica y por ello se le dio gran impulso. Gracias al interés de la industria en esta área tuvieron gran desarrollo en las décadas de 1980 y 1990.
La física de superficies pudo proveer información importante de cómo cambiaban las propiedades electrónicas de los materiales, en la medida en que la dimensión se hace más pequeña. Un gran resultado es que las propiedades de la superficie no se parecen a las del resto del material.
Cota Araiza y sus colaboradores han trabajado en el desarrollo de recubrimientos ultra-duros; comenzó con la idea de hacer películas delgadas de nitruro de silicio, un material duro con propiedades ópticas que funciona como reflector de rayos X.
“La idea es que, con el uso de sólo una película delgada, podamos hacer del acero convencional un material extremadamente duro y resistente para la construcción. Requiere una inversión mínima y cambia las condiciones, pues lo hace más resistente al exterior o al contacto con desgaste mecánico o máquinas que lo golpean. Es una forma de extender su vida útil”, remarcó.
Con estas capas también se pueden recubrir brocas con nitruro de titanio, “pero en el país no hay la iniciativa empresarial para apoyar este tipo de tecnologías y se adquieren ya desarrolladas”, dijo.
Otra línea de investigación estudia los cambios en la superficie por interacción con radiación, en particular con electrones de alta energía.
“La catálisis es un fenómeno de superficies, ocurre en los átomos que están en la superficie de los catalizadores; es complejo, pues todavía no se entiende bien. Lo ideal sería diseñar un catalizador para un proceso químico específico, por ejemplo para convertir petróleo en gasolina”, finalizó.
