FAPESP Investigación para la Innovación * – Científicos vinculados al Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF) –uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) apoyados por la FAPESP– proyectaron y construyeron un aparato innovador para la irradiación de haces de electrones. Esta máquina permite realizar estudios sobre las modificaciones de los materiales semiconductores, con lo cual se abren nuevas líneas de investigación en catálisis, fotocatálisis, sensores, agentes antimicrobianos, materiales magnéticos y antitumorales, entre otras áreas.
El aparato tiene un costo significativamente bajo –de alrededor de 80 mil dólares– en comparación con las tecnologías de haces de electrones convencionales, cuyos precios puede nvariar entre los 500 mil dólares y los 3 millones de dólares.
“Creamos una máquina semiindustrial de mediana escala reaprovechando partes de otros aparatos, a ejemplo de un microscopio electrónico de barrido [MEB] que estaba fuera de servicio en el laboratorio. Es un aparato de bajo costo que en la práctica altera la visión de la obtención de nuevos semiconductores mediante la irradiación de electrones. Ya hemos registrado la patente de un método destinado a la obtención de semiconductores y ahora vamos a registrar la patente internacional de esta innovación”, dice Elson Longo, director del CDMF.
De acuerdo con el investigador, en los últimos años se ha registrado un aumento significativo de la demanda de nuevos materiales cuyas propiedades y funciones pueden manipularse mediante nuevas rutas de síntesis, o modificarse a través de métodos físicos y/o químicos. Particularmente, las modificaciones de materiales utilizando haces de electrones mediante microscopía electrónica de barrido y trasmisión han sido extensivamente utilizadas no solamente como plataformas de caracterización morfológica, sino también como una técnica de procesamiento y fabricación de nuevos materiales.
Mediante el empleo de esta técnica, es posible obtener una alta precisión en la modificación de materiales a través del control de la energía utilizada, del ángulo de incidencia y del tiempo de exposición. La utilización correcta de estos parámetros provoca defectos en la estructura del material, lo que permite el perfeccionamiento o la inducción de propiedades que no se pueden obtener mediante la aplicación de métodos químicos o físicos convencionales.
Los investigadores del CDMF, con sede en la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), han venido actuando desde hace tiempo en esta área de modificación de materiales mediante haces de electrones con técnicas de microscopía. Merced al estrecho contacto con los grupos teóricos y de simulación, ha sido posible predecir las propiedades de los materiales de acuerdo con la dosis de energía aplicada, acortando el tiempo de desarrollo de nuevos materiales de alto valor tecnológico e innovadores.
Uno de los retos en el área de procesamiento de materiales consiste en escalar y volver factible la producción, con una relación costo-beneficio acorde y con un procedimiento fácil de fabricación. Esta necesidad llevó a la elaboración y al desarrollo del aparato de irradiación por haz de electrones, que pasa a marcar la diferencia para la producción y la modificación de esos materiales. De este modo, las reacciones dejan de realizarse únicamente en los microscopios electrónicos y pueden comenzar a aplicarse en diversos campos de investigación.
El sistema de irradiación por haz de electrones desarrollado en el CDMF se proyectó para operar con alta tensión de aceleración de electrones para la rápida modificación de los materiales (en algunos minutos), y posee una mayor área de irradiación, a los efectos de que sea viable la producción a gran escala.
“Este aparato acorta el tiempo de procesamiento y distribución uniforme de la energía mediante haces de electrones, lo cual hace posible la reproducibilidad de los materiales irradiados mediante el control de parámetros que resulta imposible con los métodos actuales: la atmósfera de irradiación [inyección y mezcla de gases] y la tensión en los ánodos de aceleración, por ejemplo, como así también la posibilidad de realizar mediciones eléctricas in situ del material durante el proceso de irradiación”, explica el investigador João Paulo de Campos da Costa, doctorando en el CDMF, bajo la supervisión de Longo y de João Paulo Pereira do Carmo, docente del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Escuela de Ingeniería de São Carlos, de la Universidad de São Paulo (EESC-USP).
El proyecto de doctorado de De Campos da Costa cuenta con la colaboración de los profesores Adenilson Chiquito y Leonélio Cichetto Júnior, del Departamento de Física de la UFSCar, y de Juan Andrés, docente de la Universitat Jaume I (UJI), de España, vinculados al CDMF.
Distintas interacciones
Este aparato se proyectó meticulosamente para diferentes tipos de interacciones de la radiación con la materia, lo que hizo posible la modificación de innumerables tipos de materiales.
Aparte de la irradiación por haz de electrones, esta máquina puede acoplarse al excimer laser (la forma de láser ultravioleta) de un aparato perteneciente al CDMF conocido como PLD (las siglas en inglés de depósito por láser pulsado) para la irradiación y la modificación de muestras utilizando un láser de nanosegundos en simultáneo con el haz de electrones.
Diversos trabajos publicados por los investigadores del CDMF abordan el tema relacionado con la modificación de las propiedades fisicoquímicas de materiales cuando se los irradia con un haz de láser de femtosegundos (un femtosegundo equivale a una milbillonésima de segundo). Para impulsar tales investigaciones, el aparato también se encuentra listo para el acoplado de un láser de femtosegundos como fuente exterior, lo que permite la irradiación de materiales con este tipo de láseres en ambiente de ultraalto vacío y con atmósfera controlada.
Como resultados prometedores, los materiales irradiados con el nuevo equipo han sido aplicados al revestimiento de superficies contra la replicación de virus como el SARS-CoV-2, el perfeccionamiento de biosensores para el diagnóstico médico, mediante el aumento de la sensibilidad en la detección promovida por la interacción del haz de electrones con el material, y el aumento de la eficiencia de materiales utilizados para la degradación de colorantes y contaminantes. Asimismo, es posible crear nuevos materiales y estructuras que aún no figuran en la literatura.
CDMF
El CDMF es uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepids) apoyados por la Fundación de Apoyo a la Investigación del Estado de São Paulo (Fapesp), y también recibe inversión del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), del Instituto Nacional de Materiales. Ciencia y Tecnología en Nanotecnología (INCTMN). Trabaja en colaboración con varios laboratorios del mundo en los que se agrupan el INTEMA (de Argentina) y la Universidad Jaume I de España.
Publicado originalmente en Agência Fapesp
