Científicos desarrollan una nuevo tipo de material en forma de nanotubos

La estructuración de hidróxidos dobles laminares a cargo de grupos de Brasil y de Bélgica permitió expandir el área superficial y mejorar la capacidad de adsorción de distintos elementos y estructuras químicas

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – En los últimos años, una categoría de materiales ha empezado a suscitar el interés de los científicos debido a su flexibilidad y a su diversidad de aplicaciones como catalizadores, como sensores y como transportadores de fármacos. Son éstos los hidróxidos dobles laminares (HDL), materiales que se forman mediante la superposición de capas metálicas con cationes divalentes y trivalentes (iones con carga positiva, capaces de donar dos y tres electrones respectivamente cuando se unen a otros átomos), alternadas con capas de iones con carga negativa (aniones).

Un grupo de investigadores de los institutos de Física y de Química de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, en colaboración con pares de la KU Leuven, universidad con sede en Lovaina, Bélgica, estructuró ese material en forma de nanotubos, hojas del material enrolladas de manera tal de formar una pieza cilíndrica, como una pajilla de refresco de un diámetro equivalente a la milmillonésima parte de un metro.

De este modo, lograron expandir el área superficial del material, al dotarlo de pequeños poros cilíndricos y huecos. Dichos poros son capaces de albergar diversos elementos y estructuras químicas y, por consiguiente, puede empleárselos para dotar al material de propiedades extras.

Este estudio, producto de un proyecto que contó con el apoyo de la FAPESP en la modalidad de Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes, salió publicado en una edición especial de la revista Chemical Communications, perteneciente a la Royal Society of Chemistry.

En el artículo, intitulado “Emerging investigators issue 2017”, se presentan investigaciones realizadas por científicos internacionales en estadios iniciales de sus carreras que han hecho aportes significativos en sus respectivos campos de estudios. Entre ellos se encuentran Danilo Mustafa, docente del Departamento de Física de Materiales y Mecánica del IF-USP, responsable de la investigación y director del primer autor de la publicación, el estudiante de doctorado Alysson Ferreira de Morais.

“La invitación para difundir los resultados de mi investigación en esa publicación representa el reconocimiento internacional del trabajo que he venido desarrollando durante mi carrera científica, y especialmente de este estudio que empecé en 2013, durante mi posdoctorado, cuando realicé una pasantía de investigación en la KU Leuven gracias a una beca que me concedió la FAPESP”, declaró Mustafa a Agência FAPESP.

Materiales luminiscentes

Durante su posdoctorado, y en colaboración con sus colegas de Bélgica, el investigador desarrolló estructuras de HDL a escala nanométrica dopadas con iones de tierras raras, materiales que conforman un grupo de 17 minerales que poseen propiedades fisicoquímicas con diversas aplicaciones, como catalizadores y como materiales luminiscentes, por ejemplo. El objetivo era obtener un nuevo material luminiscente capaz de captar energía solar con una mayor eficiencia para su utilización en sistemas fotoquímicos y fotovoltaicos.

Para desarrollar estos materiales, se reemplazan parcialmente los cationes divalentes y trivalentes de las capas metálicas de los HDLs por iones de tierras raras, mientras que un fotosensibilizador es adsorbido (retenido) entre las capas. El fotosensibilizador es capaz de absorber la energía incidente sobre el material y transferirla de manera eficiente a los iones de tierras raras.

Debido a los resultados exitosos de este proyecto, los investigadores decidieron entonces desarrollar el HDL en una forma distinta a la tradicional –copos micrométricos– con el objetivo de expandir su área superficial.

“Pese a ser versátiles y a que permiten acomodar moléculas intercaladas entre sus capas metálicas, los HDLs tienen una limitación de espacio. Esto impide que carguen moléculas o complejos muy grandes, tales como quantum dots o puntos cuánticos [ nanopartículas o nanocristales de un material semiconductor con diversas propiedades e innumerables aplicaciones, en tecnologías de emisión de luz, por ejemplo ]”, explicó Mustafa.

Con el objetivo de superar esa limitación de espacio, los investigadores pensaron en estructurar el material en forma de nanotubos con la cavidad principal hueca, a los efectos de permitir acomodar de esa forma estructuras mayores en su interior.

Mediante una nueva estrategia, en la cual utilizaron un polímero como molde para que el HDL asuma la forma de nanotubos, y que es removido al final del proceso, lograron alcanzar ese objetivo y obtener nanotubos cilíndricos de una mezcla de aluminio, zinc y europio.

“Fue la primera vez que se estructuró HDL en forma de nanotubos autosostenidos”, afirmó Mustafa.

Con el fin de explotar y mejorar las propiedades luminiscentes (de emisión de luz) del material, los investigadores pusieron a los nanotubos en contacto con puntos cuánticos de telururo de cadmio (CdTe), un compuesto químico formado por telurio y cadmio que, en su forma cristalina, presenta propiedades semiconductoras y fotovoltaicas.

Los resultados de los análisis indicaron que los nanotubos interactuaron con los puntos cuánticos de telururo de cadmio produciendo un nuevo tipo de material luminiscente.

“Esta morfología única de los nanotubos de HDL y la posibilidad de interactuar con diferentes compuestos expanden la gama de aplicaciones posibles de los HDLs, y brindan oportunidades en las áreas de catálisis, de dispositivos y de materiales biológicos activos como transportadores de fármacos”, sostuvo Mustafa.

Los investigadores pretenden ahora dilucidar los mecanismos de formación del material con este tipo de estructura y explorar sus diversas aplicaciones.

Suscriptores de la revista Chemical Communications pueden leer el artículo intitulado “ Hierachical self-supported ZnAlEu LHD nanotubes hosting luminescent CdTe quantum dots ”, (doi: 10.1039/C7CC02097J), de Mustafa y otros, en el siguiente enlace: pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cc/c7cc02097j#!divAbstract.