17.08.2021 - Technische Universität Wien

Cómo recuperan los iones sus electrones

¿Qué ocurre cuando los iones atraviesan materiales sólidos? Es casi imposible observarlo directamente, pero los científicos de la Universidad Técnica de Viena han encontrado una forma de superar este problema

En la TU Wien se producen estados atómicos muy inusuales: los iones se crean eliminando no sólo uno, sino entre 20 y 40 electrones de cada átomo. Estos "iones altamente cargados" desempeñan un papel importante en la investigación actual.

Durante mucho tiempo se ha investigado lo que ocurre cuando estos iones altamente cargados chocan con materiales sólidos. Esto es importante para muchas áreas de aplicación en la investigación de materiales. Por lo tanto, es crucial saber cómo cambia el estado de carga de los iones cuando penetran en un material, pero esto es exactamente lo que ha sido imposible de observar directamente hasta ahora. Las nuevas mediciones realizadas en la Universidad Técnica de Viena demuestran que los iones obedecen a leyes extraordinariamente sencillas.

Exploración de materiales capa por capa

Cuando los iones altamente cargados penetran en un material sólido, pueden recuperar los electrones que les faltan y convertirse así en eléctricamente neutros. Pero cómo y dónde ocurre esto exactamente es difícil de investigar, porque ocurre dentro del material.

"Sabíamos que este proceso debía ser muy rápido, porque incluso una capa bastante fina de material es suficiente para neutralizar completamente los iones", afirma Anna Niggas, primera autora del presente estudio. Actualmente trabaja en su tesis doctoral en el grupo del profesor Richard Wilhelm en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Viena.

Observar visualmente los procesos en el interior del material puede ser casi imposible, pero los nuevos materiales 2D como el grafeno, que consta de una sola capa de átomos de carbono, ofrecen ahora a los científicos la posibilidad de llegar al fondo de estos fenómenos por primera vez: "Las capas de grafeno pueden apilarse unas sobre otras, de modo que se crean muestras cada vez más gruesas: se puede ensamblar un cuerpo sólido capa a capa", dice Richard Wilhelm. "Hemos estudiado capas de grafeno simples, dobles y triples. Así podemos ver paso a paso, capa atómica a capa atómica, cómo cambian los iones altamente cargados".

De este modo, se puede estudiar una transición, desde una sola capa atómica hasta un material tridimensional ordinario. El grafito, el material del que están hechas las minas de los lápices, no es más que un gran número de capas de grafeno apiladas unas sobre otras.

Lo importante es el tiempo

Los iones atraviesan las distintas capas de carbono a diferentes velocidades. Resulta que el factor decisivo es el tiempo que el proyectil pasa en las inmediaciones de las capas atómicas. "Si tenemos en cuenta que los iones pasan dos o tres veces más tiempo en contacto con los átomos de carbono en su camino a través de dos o tres capas de grafeno que en una sola capa de grafeno, entonces se puede explicar con una fórmula sencilla la rapidez con la que los iones capturan electrones y cambian su estado de carga", explica Anna Niggas. "Con nuestros resultados, ahora podemos calcular por primera vez cuántas capas atómicas se necesitan hasta que los iones sean eléctricamente neutros".

Dinámica con gran significado

Para estudiar la dinámica de la captura de electrones, primero hay que preparar las muestras con mucho cuidado. El Dr. Bernhard C. Bayer, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena, consiguió caracterizar con precisión las capas atómicas mediante microscopía de alta resolución, lo que supone un gran reto cuando se dispone de muy poco material para la investigación en las capas atómicamente finas.

Los nuevos hallazgos son importantes para muchas áreas de investigación: Por un lado, se pueden estudiar de este modo fenómenos muy fundamentales a los que es difícil acceder con otros métodos. Por otro lado, la interacción entre los iones y los materiales sólidos también es importante para aplicaciones muy prácticas: por ejemplo, en el análisis de materiales, donde los iones se utilizan para estudiar en detalle las propiedades de nuevos tipos de materiales, o en la tecnología de semiconductores, donde los haces de iones se utilizan para estructurar circuitos.

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