Investigadores de ETH Zurich han desarrollado una técnica innovadora para estudiar superficies, un área crucial pero compleja en la ciencia de los materiales. Este método, basado en el uso de una membrana de oro ultrafina, promete revolucionar la caracterización de superficies en muchos campos tecnológicos.
Un equipo interdisciplinario de científicos de materiales e ingenieros eléctricos, dirigido por el profesor Lukas Novotny de ETH Zurich, junto con colegas de la Universidad Humboldt de Berlín, ha desarrollado un método que simplifica significativamente la caracterización de superficies. Los resultados de su investigación, basada en el uso de una membrana de oro extremadamente delgada, se publicaron en la revista científica Nature Communications.
Roman Wyss, antiguo estudiante de doctorado en ciencias de los materiales y primer autor del artículo, destaca la importancia de las superficies: “Ya sean catalizadores, células solares o baterías, las superficies siempre son muy relevantes por su funcionalidad.».
De hecho, los procesos importantes generalmente tienen lugar en las interfaces. Para los catalizadores, se trata de reacciones químicas aceleradas en su superficie. En las baterías, las propiedades superficiales de los electrodos son cruciales para su eficiencia y comportamiento de degradación.
Durante muchos años, el espectroscopia raman Se utiliza para examinar las propiedades de los materiales de forma no destructiva. Sin embargo, su aplicación a superficies presenta limitaciones importantes. Sebastian Heeg, que contribuyó a los experimentos como becario postdoctoral en el grupo de Lukas Novotny, explica: “La luz láser penetra el material a lo largo de varios micrómetros, por lo que el espectro de frecuencias se ve afectado principalmente por el volumen del material y sólo en muy pequeña medida por su superficie, que incluye sólo unas pocas capas atómicas.».
Para aprovechar la espectroscopia Raman también en superficies, los investigadores de ETH desarrollaron una membrana de oro especial con un espesor de sólo 20 nanómetros y que contiene poros alargados de unos 100 nanómetros. Cuando esta membrana se transfiere a una superficie a estudiar se producen dos fenómenos: primero, la membrana impide que el rayo láser penetre en el volumen del material. En segundo lugar, en las ubicaciones de los poros, la luz láser se enfoca y se reemite sólo unos pocos nanómetros en la superficie.
Sebastián Heeg añade: «Los poros actúan como antenas plasmónicas, similares a la antena de un teléfono móvil.“. La antena amplifica la señal Raman de la superficie hasta mil veces en comparación con la señal de la espectroscopia Raman convencional sin membrana. Esta amplificación se ha demostrado en varios materiales, incluido el silicio deformado y el óxido de lantano y níquel (LaNiO3), un cristal de perovskita.
El silicio deformado, importante para aplicaciones en tecnologías cuánticas, hasta ahora no ha podido ser analizado mediante espectroscopía Raman debido al ruido de fondo de la medición. Después de aplicar la membrana de oro, la señal de deformación fue amplificado selectivamente hasta el punto en que se puede distinguir claramente de otras señales Raman en el material.
Mads Weber, ex becario postdoctoral en ETH Zurich y ahora profesor asistente en la Universidad de Le Mans, enfatiza la importancia de este método para el estudio de perovskitas metálicas como el óxido de lantano y níquel. Con el nuevo método de la membrana de oro, los investigadores pudieron acceder por primera vez a la estructura superficial de este material.
Sebastian Heeg destaca el aspecto sostenible de este enfoque: “Nuestro enfoque también es interesante desde el punto de vista de la sostenibilidad, porque los equipos Raman existentes pueden adquirir capacidades completamente nuevas sin mucho esfuerzo.».
En el futuro, los investigadores esperan mejorar aún más su método y adaptarlo a las peticiones de los usuarios. Por ejemplo, al producir una membrana de oro con poros alineados en paralelo del mismo tamaño, el método podría optimizarse para materiales específicos, mejorando aún más la intensidad de la señal Raman en un factor de cien.
Leyenda de la ilustración: Los poros de la membrana de oro desarrollada por investigadores de ETH amplifican el rayo láser en espectroscopia Raman, permitiéndole penetrar solo la superficie (gris claro), pero no la mayor parte del material (gris oscuro). (Ilustración: Scixel)
Wyss RM, Kewes G, Marabotti P et al. Dispersión Raman sensible a la superficie y suprimida en masa mediante membranas plasmónicas transferibles con nanoporos con forma de ranura irregular. Nature Communications 15, 5236 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49130-2
