Mauricio Gómez Martínez05/12/2022
Este año, 2022, el Instituto de Física de la UNAM está conmemorando el 60º aniversario de su Departamento de Estado Sólido, el segundo más antiguo de la institución -después de Física Teórica, fundado en 1939- y cuya importancia se puede dimensionar si consideramos la amplia influencia que ha tenido en la generación de ciencia básica para el conocimiento de las propiedades estructurales, ópticas, eléctricas y magnéticas de los cristales, así como en la investigación experimental enfocada, principalmente en la actualidad, en el desarrollo de materiales para la nanotecnología.
Fundado en 1962 bajo la dirección del doctor Fernando Alba Andrade, el inicio del Departamento de Estado Sólido es el resultado de la incorporación de dos laboratorios hasta entonces independientes: la Sección de Rayos X (surgida en 1948) y la Sección de Electrofísica (surgida en 1958). A partir de entonces, ambas secciones unieron conocimientos, infraestructura y esfuerzos para desarrollar una línea de investigación en común: el estudio, mediante energía electromagnética (muchas veces rayos X, pero no exclusivamente), de las propiedades de los sistemas cristalinos.
En un principio, la Sección de Rayos X fue el primer departamento mexicano con la capacidad de analizar las concentraciones y especies de los diferentes compuestos que conforman a los cristales. Esto mediante un método llamado “difracción de rayos X por polvos”, que consiste en hacer incidir rayos X a cristales pulverizados para después analizar su espectro de difracción, es decir, la intensidad de rayos X que salen del cristal en diferentes direcciones privilegiadas, llamadas “direcciones de difracción”. De modo que la Sección de Rayos X poseía el único laboratorio con la capacidad de determinar con detalle la identidad de los cristales. Por tal razón, tanto entidades públicas como privadas se acercaron al Instituto de Física en busca de ayuda, como fue el caso del Nacional Monte de Piedad, que requería caracterizar perlas cultivadas y artificiales; o la Comisión Nacional de Energía Nuclear, que buscaba determinar en los cristales mexicanos las concentraciones de torio y uranio, dos elementos de importancia económica dado su papel prominente en el desarrollo de energías nucleares.
Por otro lado, la Sección de Electrofísica estaba concentrada en el estudio de las propiedades eléctricas de la materia en estado sólido. Sin embargo, para poder llevar a cabo sus investigaciones, necesitaban de cristales muy específicos. De modo que, encarnando aquella filosofía que reza “hazlo tú mismo”, desarrollaron de manera paralela una línea de investigación consagrada al crecimiento de cristales mediante hornos, los cuales fueron diseñados y manufacturados por la misma sección.
Una vez que ambas secciones se unieron, el nuevo departamento heredó las técnicas para el crecimiento de cristales y las metodologías para el análisis de materiales sólidos mediante difracción de rayos X.
En sus primeros años, el departamento dio continuidad a aquellos trabajos que consistieron en caracterizar cristales de importancia local, como el de los antimicrobianos derivados del petróleo. No obstante, este tipo de trabajos se ha especializado a lo largo del tiempo y ahora también incluyen la caracterización de nanocristales, es decir, cristales de escalas comparables a una millonésima parte de un milímetro y, por lo tanto, increíblemente diminutos.
Sin embargo, en esos primeros años, el departamento también emprendió una nueva línea de investigación que se ha mantenido vigente hasta nuestros días: el estudio y manufacturación de materiales de importancia tecnológica. Un ejemplo del trabajo de aquella primera etapa consiste en la fabricación de los llamados “centros de color”, los cuales son cristales con cavidades vacías resultado de la ausencia de iones que, al ser expuestos a la radiación, “atrapan” un electrón que ocupará el espacio disponible, y que destaca por emitir una coloración vistosa en regiones de los cristales que por naturaleza son transparentes. Estos, más allá que una curiosidad física, pueden ser empleados para el desarrollo de semiconductores, una de las herramientas más importantes en la industria tecnológica moderna si consideramos que con ellos se pueden fabricar, por ejemplo, los microchips de todos nuestros dispositivos inteligentes.
Más de media década después, muchos avances en el campo y decenas de artículos publicados, el departamento ha diversificado de manera sobresaliente las líneas de investigación a las que dedica sus esfuerzos. Así, buscan comprender los componentes de los materiales nanoestructurados para poder manipularlos a diferentes niveles.
A nivel estructural, los investigadores del Departamento de Estado Sólido buscan simular y predecir, mediante la aplicación de métodos numéricos, el comportamiento de los materiales sólidos al interactuar con otras partículas. Un ejemplo, entre las muchas predicciones que hacen, es el efecto que tiene el añadir una capa de átomos de carbono a una superficie de titanio, y como ésta combinación es más susceptible a absorber moléculas contaminantes, lo cual podría ser aprovechado para tratamientos de purificación del agua. Por otro lado, los investigadores también se encargan de caracterizar y justificar teóricamente, los cambios en las características de los nanocristales cuando estos interactúan entre sí para formar “policristales nanoestructurados”. Este trabajo requiere de la formación de nanocristales en los hornos del Laboratorio de Crecimiento de Cristales y su posterior análisis en el Laboratorio de Cristalografía y Rayos X. Asimismo, caracterizan la estructura de los llamados “cristales líquidos”, una entidad peculiar dentro de los cristales, dado que los componentes atómicos no están ordenados regular y periódicamente a lo largo de su superficie, como normalmente sucede en los cristales. Sin embargo, aunque estén desordenados, los componentes químicos de los cristales líquidos pueden apuntar hacia direcciones comunes, y es en esta regularidad que los científicos pueden hacer predicciones respecto a los comportamientos de estas entidades. Además, en el Laboratorio de Cristalografía y Rayos X se investigan las propiedades estructurales y geométricas de un defecto estructural, conocido como “nodo cuádruple de uniones triples de fronteras de grano”, que fue descrito por primera vez en el mundo como resultado de las investigaciones que en este laboratorio se han realizado recientemente. La influencia que este defecto tiene en el comportamiento físico del cristal aumenta conforme el tamaño del cristal decrece, y se convierte en preponderante cuando el cristal es millones de veces más chico que un milímetro, es decir, con un tamaño de unos cuantos nanómetros.
A nivel óptico, los investigadores estudian el efecto de la interacción de los electrones con los fotones. Esta colisión, que ocurre invisible a nuestros ojos, da como resultado la absorción de cierta porción de energía lumínica y a la emisión de otra parte. Sin embargo, los científicos han observado que, bajo ciertas condiciones particulares, los sólidos pueden manifestar un fenómeno natural llamado “conversión a altas energías”, que consiste en la absorción de luz de baja energía para emitir de vuelta luz de mayor energía, como una especie de amplificador electromagnético. Por ejemplo, es posible emitir radiación infrarroja por un lado y por otro obtener luz visible de diferentes colores, los cuales también pueden ser seleccionados si el investigador conoce el método correcto.
A nivel electrónico, los investigadores buscan manipular átomos individuales mediante la operación de una de las máquinas más finas que existen en la actualidad. Ésta consiste en una pequeña punta afilada coronada con un sólo átomo en su ápice, la cual recorre la superficie de interés apenas separada por la distancia correspondiente a un nanómetro y a la que, finalmente, se le aplica un voltaje eléctrico. A nivel macroscópico, lograr algo parecido es imposible dado que es necesario superar la resistencia eléctrica que pueda darse entre los electrones de la superficie y la punta, pero a escala nanométrica, los electrones expresan un particular fenómeno cuántico llamado “efecto túnel”, en el que viajan a través del espacio como ondas sin masa, ignorando la influencia que puedan tener los campos eléctricos. Al trabajar con materia de dimensiones comparables al tamaño de átomos y electrones, operan las leyes cuánticas, con lo que es trabajo de los investigadores entenderlas y manipularlas.
En cuanto al nivel magnético, en el departamento se trabaja con la “magnetización” o “imanación” diferencial de materiales nanoestructurados. La materia imantada a nivel nanométrico presenta comportamientos diferentes a las estructuras imantadas más grandes, con lo que son materiales prometedores en la industria tecnológica dado que pueden portar y procesar información. Esta no es tecnología nueva dado que la capacidad de transmitir datos de los nanoimanes ya es aprovechada en la fabricación de discos duros y otros aparatos.
Con base a la información que genera el mismo departamento y la consulta de la bibliografía de otros colegas alrededor del mundo, los investigadores del Instituto de Física de la UNAM son capaces de diseñar materiales muy refinados, como es el caso de los semiconductores que, como ya mencionamos, es una de las tecnologías más eficientes e importantes en la industria tecnológica moderna. Mediante los semiconductores es posible fabricar transistores, que son pequeños aparatos que permiten regular de forma precisa el voltaje y la corriente eléctrica. Sin la tecnología basada en transistores sería difícil concebir el mundo actual tal como lo conocemos: teléfonos móviles, computadores, luces LED, cualquier dispositivo conectado a internet, todo requiere de estos pequeños aparatos.
Sin embargo, además de la creación de aparatos electrónicos cada vez más pequeños y potentes (basta ver cómo cada año los teléfonos y las computadoras ocupan menos espacio y son más eficientes), el estudio de la materia sólida busca impactar en otros campos de interés común. Al día de hoy, en el Instituto de Física, los investigadores trabajan en tecnologías que permiten resolver problemas diversos, como atenuar los síntomas del mal de Parkinson, realizar la limpieza de colorantes en aguas residuales o llevar a cabo la disminución de gases contaminantes de automóviles, en este caso, mediante la implementación de materiales conocidos como “geles fotónicos”. Por ejemplo, para el caso del Parkinson, una de los principales causantes de la enfermedad es la carencia del neurotransmisor dopamina que, aunque es posible sintetizarlo fuera del cerebro humano, es una molécula que se degrada rápidamente, de modo que introducirla de manera directa al cuerpo resulta inviable. Por esta razón, en el Departamento de Estado Sólido han experimentado con la fabricación de un gel con la capacidad de contener a la dopamina a la vez que evita su degradación. Métodos similares a éste son aplicados con el fin de resolver problemas diversos.
A pesar de la larga historia del estudio de la materia sólida, y de los logros que han alcanzado los investigadores tanto en México como en otros países, aún existen muchos proyectos que están en ciernes y que, de lograr desarrollarlos con éxito, se postulan como posibles futuros que podrían revolucionar la vida cotidiana.
Las perspectivas en la experimentación son amplias y las características variables de la materia sólida son gigantescas. De modo que podemos asegurar que en los próximos sesenta años seguiremos escuchando más noticias y avances importantes dentro de este campo, especialmente como quehacer científico por parte del Departamento de Estado Sólido del Instituto de Física de la UNAM.
