La técnica del bombardeo iónico se ha desvelado como una nueva alternativa para el proceso de transformación de unos materiales en otros.
Cuando hace muchos años los alquimistas buscaban la transmutación de los materiales, sus muchos estudios tenían tradicionalmente como objetivo final encontrar la forma de convertir los materiales comunes, como el hierro o el plomo, en algo mucho más valioso: el oro.
Hoy en día sabemos que la transformación de un elemento en otro solo se puede lograr mediante reacciones nucleares, pero la alquimia encontró una heredera mucho más versátil en la química. En esta disciplina, transformando unas sustancias compuestas en otras, se logra convertir unos materiales en otros que, aunque tengan con ellos átomos en común, pueden llegar a tener aspecto y propiedades muy distintos.
Si bien normalmente nos imaginamos una reacción química como algo que ocurre en un matraz o en un reactor, estos procesos pueden ocurrir de muy diversas formas. Una de ellas fue descubierta hace unos años, como muchas veces ocurre en las ciencias experimentales, sin estar buscando una respuesta a este problema: se trata del bombardeo iónico.
Esta técnica, como su nombre indica, se utiliza para modificar la superficie de un material, disparando sobre él un haz de iones (que puede tener un diámetro de tan solo unos micrómetros), cuyo impacto sobre la superficie depende de su energía y de las características del haz. En física de superficies, el bombardeo se emplea habitualmente para generar defectos en un material inicialmente “perfecto”, estudiando cómo varían ciertas propiedades (mecánicas, eléctricas…) del material en función de la cantidad de defectos creados.
Normalmente esta modificación crea simplemente desorden en el material, por lo que resultó una gran sorpresa descubrir, mediante técnicas de difracción, que las muestras de TiO2 (dióxido de titanio en su estructura rutilo) bombardeadas presentaban un nuevo orden en su disposición, distinto del orden del material original.
Posteriores experimentos (utilizando difracción mediante luz de sincrotrón, obteniendo imágenes mediante distintos microscopios, analizando la proporción entre los distintos elementos y realizando simulaciones computacionales) apuntaron en esta misma dirección. Se había formado un nuevo material, el TiO (monóxido de titanio), que se encontraba en forma cristalina, aunque con un mayor desorden que la estructura original, y con cierta inclinación con respecto a ella.
El hecho de que se produzca este fenómeno particularmente en estos óxidos se debe, entre otras cosas, a la relación entre sus parámetros de red cristalina (la distancia entre átomos en las distintas dimensiones del plano), de forma que existe un acoplamiento razonablemente bueno entre ambas. Además, la estructura ordenada forma “túneles” que ayudan a que los iones incidentes penetren más en el material, logrando que la profundidad de la capa modificada sea mayor que la habitual en esta técnica.
La importancia de esta transformación radica en que, si bien ambos están formados por los dos mismos elementos – titanio y oxígeno-, y aunque su nomenclatura puede no mostrar una gran diferencia, la realidad es que el dióxido de titanio y el monóxido de titanio son materiales muy distintos. El dióxido de titanio es un material mucho más frecuente en la naturaleza, pudiendo presentarse en distintas estructuras, mientras que el monóxido de titanio es un material escaso. Sin embargo, la mayor diferencia se presenta en sus características eléctricas, ya que el dióxido de titanio es un material considerablemente aislante, mientras que el monóxido de titanio tiene propiedades conductoras.
Esta diferencia en las propiedades hace que el bombardeo iónico resulte, en base a este descubrimiento, una técnica apropiada para crear, por ejemplo, hilos conductores en un entorno aislantes, como si se tratara de un circuito eléctrico esculpido en el material.
En años posteriores a este descubrimiento, se ha confirmado que se pueden obtener resultados similares mediante bombardeo iónico en otros óxidos, como los óxidos de hierro, demostrando con ello que esta puede ser una técnica empleada en distintos casos, abriéndose nuevas posibilidades de investigación y aplicaciones. Dichas aplicaciones pueden estar por descubrir, para lo cual se deberá seguir avanzando en posibles materiales candidatos a esta transformación y en las propiedades que pueden verse afectadas por ella.
Por Beatriz Martínez Pabón: profesora de álgebra, matemáticas y física en el Doble Grado de Ingeniería de Software y Matemática Computacional de U-tad. Ha sido profesora de educación secundaria y bachillerato en las áreas de matemáticas y física. Doctora en Física. Ha colaborado con laboratorios internacionales de prestigio, como Sandia National Laboratories y Universidad de Berkeley.
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Referencia del artículo:
Pabón, B. M. et al. Formation of titanium monoxide (001) single-crystalline thin film induced by ion bombardment of titanium dioxide (110). Nat. Commun. 6:6147 doi: 10.1038/ncomms7147 (2015).
