Autora: Eva María Fernández Sánchez.
Los nanoagregados, agregados atómicos o clusters son nanopartículas formadas por entre 3 y unas pocas decenas de millones de unidades que pueden ser átomos o moléculas. Pueden estar formados por un solo elemento o por varios, y prácticamente pueden formarse con cualquier elemento de la tabla periódica. Además, pueden encontrarse en fase gaseosa libre, soportados, en disolución… Como veremos más adelante, el número de aplicaciones de estos sistemas es muy amplio y variado.
Fig. 1: Representación de agregados con diferentes tamaños (número de átomos = 4, 4, 5, 13, 20, 55, 190).
¿Qué hace a estos sistemas tan especiales? Que sus propiedades, especialmente para aquellos agregados que tienen un tamaño muy pequeño, son muy diferentes de las propiedades del átomo aislado o las de la fase extensa. Esto se debe a que la relación entre el número de átomos en la superficie y en el interior, es mucho mayor en los agregados que en la fase extensa, como puede verse en la Fig. 1.
Por ejemplo, si consideramos nanoagregados con estructura icosaédrica, tenemos que en el agregado de 13 átomos el 92 por 100 de los átomos están en la superficie mientras que solo un átomo se encuentra en el interior. En el nanoagregado de 147 átomos, el 63 % de los átomos están en la superficie. Según aumentamos el tamaño del agregado, el porcentaje de átomos en la superficie disminuye, pero incluso para el agregado de 561 átomos el 45 por 100 de los átomos están en la superficie.
Pero no sólo eso, sino que sus propiedades, tanto electrónicas, estructurales, ópticas, e incluso la reactividad, dependen mucho del tamaño del agregado, es decir, del número exacto de átomos que lo forman. Las propiedades de un agregado con cuatro átomos pueden ser muy diferentes de las de un agregado con cinco átomos.
Además, otra característica muy importante de los nanoagregados es que sus propiedades dependen de su composición química, es decir, de los elementos que lo forman. No va a ser lo mismo tener un agregado que esté compuesto por un solo tipo de átomo que de varios. De esta forma, vamos a tener agregados bimetálicos o dopados, es decir, formados por varios elementos, cuyas propiedades van a depender de la posición relativa de los átomos que lo forman.
Imaginemos que tenemos un agregado de 55 átomos de oro, Au55, quitamos uno de los átomos de oro y lo sustituimos por un átomo de cobre. Este nuevo nanoagregado puede presentar propiedades muy diferentes a las del anterior. También podemos cambiar dos átomos, cinco, o los que queramos. Además, no va a ser tampoco igual tener los dos átomos alejados que tenerlos cerca, que estén en la superficie o que estén en el interior.
Fig. 2: Agregado de Au55 dopado con diferentes números de átomos.
Como podemos imaginarnos, esta dependencia de las propiedades de los nanoagregados tanto del tamaño como de la composición nos va a permitir, jugando con el número de átomos y los elementos que lo forman, diseñar el nanoagregado más adecuado para cada una de las propiedades en la que lo queremos aplicar. Además, al ser su tamaño tan reducido, vamos a poder utilizar elementos de precio elevado reduciendo el coste. Esto va a hacer que las aplicaciones de los nanoagregados sean numerosas. Por ejemplo, en medicina regenerativa, como en injertos óseos o en la administración dirigida de medicamentos; como biosensores para controlar la calidad de los alimentos o del aire ya que permiten detectar cantidades de contaminantes mucho más pequeñas que otros tipos de sistemas; en el campo de la catálisis para almacenamiento de hidrógeno o reducir la emisión de elementos contaminantes a la atmósfera…
Autora: Eva María Fernández Sánchez
Eva María Fernández Sánchez es profesora del Departamento de Física Fundamental de la UNED.