Universitarios investigan nanocúmulos de oro

En el Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), existe un grupo de científicos que busca definir las propiedades y geometrías de nanopartículas o cúmulos atómicos.

Liderados por la doctora Marcela Regina Beltrán Sánchez, han logrado establecer colaboraciones internacionales sobre todo con grupos en Estados Unidos y Alemania. En entrevista con la científica, platicó sobre las técnicas y métodos para encontrar las peculiares propiedades cuando la materia es llevada a escala nanométrica.

Pequeños mundos

“Los cúmulos atómicos se forman a partir de cualquier elemento de la tabla periódica. Pueden darse como partículas monometálicas, bimetálicas, de semiconductores o incluso en aleaciones que forman geometrías no observadas en macroescala”, explicó la doctora.

Un nanomaterial, nanopartícula o cúmulo atómico es un material conformado por pocos átomos y que forman geometrías en escala nanométrica, es decir, en tamaños de millonésimas partes de un milímetro.

Cualquier nanomaterial formado de elementos de la tabla periódica tiene un comportamiento muy diferente en la escala nanométrica que en la macroscópica.

En la escala nanométrica es imposible conocer sus propiedades de manera general, ya que, por ejemplo, los metales dejan de comportarse como metales; los materiales magnéticos se comportan de manera diferente, y los materiales nobles, como el oro, dejan de tener esa característica en estas escalas.

Para entender este fenómeno, primeramente debe analizarse el comportamiento electrónico, magnético, físico, químico. Este es determinado fundamentalmente por la geometría intrínseca de los átomos que conforman los materiales.

Cuando se estudia la materia a una nanoescala, las geometrías cambian totalmente convirtiéndose en otras, inclusive sintetizando en geometrías que poseen simetrías que están prohibidas en el estado sólido macroscópico. “Por ejemplo, la simetría 5 que no existe en los materiales cristalinos en bulto; sin embargo, en las nanopartículas es una simetría común”, agregó.

Otra peculiaridad geométrica que se presenta es, por ejemplo, en el caso del oro en cúmulos de tamaños entre tres y 11 átomos, en donde se sintetizan de forma plana o bidimensional. “En cúmulos de oro más grandes, de 28, 38 o 75 átomos, se forman geometrías amorfas. Todo esto les imprime propiedades nuevas dignas de estudio”.

Dentro del mundo nanométrico, existen zonas de tamaños de partículas como la llamada “región no escalable”, en donde cada nanopartícula posee propiedades únicas que dependen del tamaño de la misma. “En la región no escalable, cada átomo cuenta, y añadir o remover uno, cambia por ejemplo sus propiedades magnéticas. Esto nos obliga a estudiar uno por uno los tamaños y las diferentes formas geométricas”, comentó.

En esta área de conocimiento se pueden encontrar fenómenos magnéticos en materiales que en la macroescala no lo son. “Tenemos muy pocos elementos de la tabla periódica que nos dan magnetismo a la macroescala. Sin embargo, en la nanoescala, el níquel, el rodio, el manganeso, entre otros, son magnéticos, e inclusive poseen momentos electrónicos más altos que el hierro, material utilizado en los imanes”, agregó la doctora.

En busca de geometrías

Para poder sacar provecho desde el punto de vista tecnológico a un nanomaterial, se tiene que conocer previamente su tamaño y geometría con precisión ya que esto determina sus propiedades de manera única. Esto resulta complicado ya que en esta rama de la ciencia, experimentos únicamente arrojan datos indirectos, situación por la cual la asociación de científicos teóricos, como la doctora Beltrán con aquellos que realizan experimentos, es muy importante.

Existen muchos retos y problemas que resolver para conocer a detalle la geometría, pues a dicha escala es necesario tomar en cuenta que el aumento en el número de átomos que forman el cúmulo, mayor es el número de posiciones que  pueden tomar  en el espacio de las coordenadas x, y, z. No obstante, es importante destacar que no cualquier forma es posible, pues se deben de respetar los valores de la superficie de potencia mínima que permitan la formación de figuras reales en la naturaleza.

Para encontrar la solución a este problema, la doctora Marcela Beltrán y sus estudiantes desarrollaron hace dos años un programa de cómputo en lenguaje Fortran y Phyton llamado Mexican Enhance Genetical Algorithm (MEGA), que se corre en la supercomputadora Mixtli de la UNAM y en un clúster computacional en el IIM. Este programa funciona con técnicas de algoritmos basados en la evolución genética y permite experimentar con cúmulos de materiales tanto en forma gaseosa como en la forma más utilizable tecnológicamente: incrustados en superficies.

Para entender esto, se hace una analogía a la evolución genética que se da de generación en generación en los humanos. “En este algoritmo los ‘padres’ serían los cúmulos o nanopartículas inicialmente definidas al azar dentro de una esfera de radio un poco más grande a la nanopartícula final. El código genético son las posiciones atómicas y los genes son subestructuras geométricas en los cúmulos. El más eficaz sería aquel cúmulo que minimice la energía. Una mutación es un cambio al azar de las posiciones atómicas y la selección natural equivale a reglas de población de los diferentes isómeros o formas geométricas que puede poseer una nanoestructura. Para resolver esto, se aplican conceptos de la mecánica cuántica que calculan todas las fuerzas atómicas del cúmulo preestablecido. A partir de ello, el algoritmo genético deberá encontrar la mejores configuraciones que minimizan la energía y son más estables”, explicó.

Después de completado el primer proceso, se vuelve a realizar el procedimiento con los mejores resultados, es decir, con los cúmulos que estén más cerca del estado base, que se mezclan entre sí y producen nuevas formas geométricas de nanopartículas. Estas son mutadas para cambiar sus posiciones atómicas y así crear una mayor variedad de estructuras.

MEGA se corre con un número fijo de iteraciones para obtener nuevos resultados con más geometrías con diferentes mutaciones y así cubrir toda la posible superficie de energía potencial.

En este tipo de programas o estudios es importante mantener gran diversidad de geometrías con baja energía para así facilitar encontrar la mejor, que generalmente es la arrojada de manera indirecta cuando es comparada por datos experimentales de alto nivel de sofisticación. “En nuestro caso, la mejor geometría es la que tiene menor energía. Nuestros resultados siempre concuerdan con los que producen los grupos experimentales en cúmulos en fases gaseosas”, destacó.

Ciencia universitaria

El grupo de Beltrán Sánchez ha logado reproducir teóricamente con toda precisión los resultados físicos en cúmulos de oro, pues hay gran cantidad de experimentos donde se han demostrado las geometrías haciendo uso de técnicas complejas, por lo que los universitarios además utilizaron esta información previa como prueba de funcionalidad del algoritmo MEGA.

Actualmente científicos del IIM están comenzado a estudiar tamaños que nadie había explorado anteriormente, por lo que no están determinados aún de forma experimental. Con esto podrán descifrar su información, como la forma geométrica, magnetismo, catálisis, propiedades térmicas, mecánicas y reactividad de forma teórica y haciendo uso de menos recursos económicos para posteriormente compartirla con los científicos experimentales.

También se han hecho pruebas con el algoritmo MEGA con elementos en diferentes zonas de la tabla periódica, reproduciendo los fulerenos y estructuras conocidas formadas por boro y óxido de zinc. “Realizamos pruebas en aquellos sistemas que el resultado experimental es muy claro, haciendo comparaciones de comportamiento predictivo al observado experimentalmente”, añadió.

Con tan buenos resultados ya se han aventurado a realizar colaboración en el área de cúmulos en fase gaseosa, depositados sobre superficies, y de semiconductores con grupos en Alemania, cuyos resultados tienen potenciales aplicaciones para mejorar catalizadores de sustancias como CO o NOx que producen los automóviles. Además de esto, también existen grandes lazos de colaboración entre el grupo universitario y otros científicos mexicanos.

“Aunque este programa comenzó hace un par de años luego de múltiples pruebas de su funcionamiento, existen grandes planes a futuro para hacer más cosas interesantes con el programa, dada su gran versatilidad en su uso que nos permite, por ejemplo, encontrar magnetos moleculares”, concluyó.

Investigaciones como la de la doctora Beltrán abren las puertas a nuevas aplicaciones de ciencia básica, en particular de la nanociencia en la medicina, por ejemplo para la detección y lucha contra el cáncer, enfermedad a la que ya se ha aplicado este tipo de desarrollos en Inglaterra, encontrándose la investigación ya en la fase de pruebas clínicas de detección de cáncer en humanos, así como en otros desarrollos en la Universidad de Cornell en Estados Unidos para tratamientos de cáncer usando nanopartículas de vidrio recubiertas con oro.

Fuente: CONACYT.