Tubos de escala atómica disponibles por encargo y de diseño

a vida moderna sería imposible sin materiales dotados de pequeños capilares y cavidades, ampliamente utilizados en la filtración, la decantación y muchas otras tecnologías. Esos materiales se encuentran generalmente por suerte o casualidad en vez de por diseño. Ha sido imposible crear capilares artificiales con precisión a escala atómica.

Ahora, un grupo de Manchester dirigido por el investigador postdoctoral Radha Boya y el premio Nobel Andre Geim han mostrado cómo hacer posible lo imposible, según se informó en la revista Nature.

La nueva tecnología es elegante, adaptable y sorprendentemente sencilla. De hecho, es una especie de antípoda de un famoso material: el grafeno. Al confeccionar grafeno, la gente a menudo toma un pedazo de grafito y utiliza cinta adhesiva para extraer un único “plano atómico” de átomos de carbono, el grafeno. El grafito restante se desecha.

En esta nueva investigación, los científicos extrajeron de forma similar en Manchester una tira de grafeno a partir del grafito, pero descartaron el grafeno y se centraron en lo que quedaba: una cavidad ultra-delgada dentro del cristal de grafito.

Objetos capilares hechos de grafeno. a. El esquema principal. La flecha indica la dirección del flujo usado en todos los experimentos. b. Imagen SEM (microscopio electrónico de barrido) del artefacto de tres capas (desde arriba). Los espaciadores no cubiertos por el grafito superior se pueden ver claramente y se pueden discernir corriendo bajo él hasta el agujero situado bajo el grafito. Se han indicado tres espaciadores con líneas con puntos y el borde del agujero por la línea discontinua. c. Micrógrafo SEM de una sección cruzada de otro artefacto que muestra una serie de capilares de unos 15 nanómetros. d. Imagen de campo claro de una sección cruzada de un capilar de doble capa en un Microscopio electrónico de barrido por transmisión. e. Imagen de campo oscuro anular del borde de uno de los canales. Membrana para la sección cruzada hecha con técnica FIB.

Estas cavidades a escala atómica se pueden hacer de diferentes materiales para lograr no sólo el tamaño deseado, sino también para elegir las propiedades de las paredes capilares. Pueden ser atómicamente lisas o rugosas, hidrófilas o hidrófobas, aislantes o conductoras, eléctricamente cargadas o neutrales; y la lista continúa.

Los huecos se pueden hacer como cavidades (para confinar diversas sustancias) o como túneles abiertos (para transportar diferentes gases y líquidos), algo que es de gran interés para la investigación fundamental y tiene muchas aplicaciones. Solo la imaginación limita lo que dichos túneles tan estrechos con diseños individualizados pueden hacer potencialmente por nosotros.

Se espera que las propiedades de los materiales en esta escala atómica sean realmente muy diferentes a las que estamos familiarizados en nuestro mundo macroscópico. Para demostrar que este es en verdad el caso en estas oquedades de escala atómica, el grupo de Manchester realizó una prueba para estudiar el comportamiento del flujo de agua a través de estos tubos ultra-estrechos.

Para sorpresa de todos, hallaron que el agua fluía con poca fricción y a gran velocidad, como si los canales fuesen muchos miles de veces más anchos de lo que realmente eran.

Radha Boya comentó «Este es un tipo de sistemas a escala nanométrica totalmente nuevo. Semejantes capilares nunca fueron imaginados, ni siquiera en teoría. Nadie pensó que este grado de precisión en el diseño pudiera ser posible. Nuevas tecnologías de filtración, desalinización, separación de gases son direcciones relativamente obvias, pero existen tantas otras que explorar”.

Sir Andre añadió: “Hacer algo útil de un espacio vacío es ciertamente bello. Comprobar que este espacio ofrece tanta ciencia nueva nos deja atónitos. Incluso en retrospectiva, no esperaba que la idea funcionase tan bien. Hay infinidad de posibilidades para la investigación y el desarrollo, que ahora necesitan ser miradas. Estamos impresionados por la elección”.