Las insospechadas posibilidades tecnológicas del aluminio para efectos de mecánica cuántica y plasmónicos

Las propiedades plasmónicas del humilde aluminio pueden hacer que sea mucho más valioso que el oro y la plata para ciertas aplicaciones, según dos nuevas investigaciones.

Debido a que el aluminio, como sucede con las nanopartículas o las nanoestructuras, muestra resonancias ópticas en una región mucho más amplia del espectro que el oro o la plata, podría ser un buen candidato para paneles solares y otras estructuras y dispositivos ópticos de gran superficie que resultarían demasiado caros de producir con otros metales.

Hasta hace poco, no se sabía de la utilidad del aluminio para aplicaciones plasmónicas, y parecía poco probable que pudiera ser de alguna utilidad en este campo por varias razones: Se oxida de modo natural, y algunos estudios han mostrado drásticas discrepancias entre el "color" resonante de las piezas nanoestructuradas de aluminio y las predicciones teóricas.

El trabajo combinado de dos laboratorios de la Universidad Rice en Houston, Texas, Estados Unidos, ha abordado cada uno de esos obstáculos en un par de investigaciones cuyos resultados se han hecho públicos recientemente.

El estudio realizado por los laboratorios de Naomi Halas y Peter Nordlander demuestra que el color de las nanopartículas de aluminio no sólo depende de su tamaño y forma, sino también, y de manera decisiva, de su contenido de óxido. Los autores de este estudio han mostrado que, de hecho, el color de una nanopartícula de aluminio proporciona evidencias directas de la cantidad de oxidación del propio material.


Cuando una onda electromagnética, representada a la izquierda, incide sobre una nanomatrioska, que es un núcleo sólido dentro de una cáscara hueca, y que aquí aparece representada en el gráfico central y en el de la derecha, el tamaño del espacio intermedio entre cáscara y núcleo determina la fuerza de la respuesta plasmónica. Si la separación es lo bastante pequeña, el efecto de túnel cuántico a través de la separación permite a los plasmones resonar como si el núcleo y la cáscara fueran una sola partícula, cambiando drásticamente su respuesta. (Imagen: Vikram Kulkarni / Universidad Rice)

La fabricación de nanopartículas de aluminio puro ha sido un obstáculo en su desarrollo para la plasmónica, pero el laboratorio de Halas ha creado una gama de partículas en forma de disco de 70 a 180 nanómetros de diámetro para evaluar sus propiedades. Los investigadores encontraron que mientras que los plasmones de nanopartículas de oro resuenan en longitudes de onda visibles, de 550 a 700 nanómetros, y los de nanopartículas de plata en longitudes de onda entre los 350 y los 700, los del aluminio pueden alcanzar la banda ultravioleta, llegando a la franja de los 200 nanómetros.

Los laboratorios también analizaron a fondo el efecto debilitante de la oxidación que de manera natural sufren las superficies de aluminio pero que no llega a dañar de manera grave al material porque la propia capa de óxido sirve de aislante e impide que el proceso progrese. El hierro, por ejemplo, no cuenta con esta protección a cargo del propio óxido. En el caso del aluminio puro, el óxido es tan duro e impermeable que una vez que se forma una lámina de óxido de tres nanómetros, el proceso se detiene. Para demostrarlo, los investigadores dejaron sus discos expuestos a la intemperie durante tres semanas antes de examinarlos de nuevo y encontraron que su respuesta no había variado.


La segunda investigación, realizada por Nordlander y su grupo, predice efectos cuánticos en el aluminio plasmónico que son más fuertes que los de una estructura de oro análoga cuando está en forma de lo que se describe como una nanomatrioska. Una matrioska o muñeca rusa consiste en un conjunto de muñecas huecas y de tamaños distintos, contenidas una dentro de otra en una sucesión que puede ser fácilmente de cinco pero que en algunos casos es más numerosa. Al abrir la muñeca más grande, se extrae la siguiente, de cuyo interior se saca otra, y así hasta llegar a la más pequeña de todas. El concepto de la nanomatrioska es similar, solo que en vez de muñecas se trata simplemente de nanopartículas multicapa. Nordlander descubrió que los efectos de tipo mecánico cuántico en estos materiales están muy relacionados con el tamaño del espacio vacío entre la cáscara y el núcleo.

Además de ser un material barato y adaptable, el aluminio exhibe efectos mecánicos cuánticos en regiones del espectro más amplias, más accesibles y más precisas, en comparación con lo que ofrecen el oro o la plata.


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