El descenso al mundo nanométrico

Pietro Gambardella responde personalmente al telefonillo, y la puerta del centro donde trabaja se abre. Se trata de un edificio provisional, compartido por varios departamentos del Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2, organismo mixto del ICN y del CSIC), y situado dentro del campus de la Universidad Autónoma de Barcelona. El científico nos recibe en su pequeño despacho, donde junto al ordenador y entre un montón de papeles en blanco y negro destacan las fotos a color de sus dos hijos.

Desde 2006 Gambardella lidera el grupo Atomic Manipulation and Spectroscopy (AMS), un equipo integrado actualmente por ocho investigadores dedicados a desvelar las propiedades electrónicas y magnéticas de los nanomateriales. Aquel año, y tras su paso por la Escuela Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), en Suiza, el físico italiano tuvo que decidirse entre cuatro ofertas: una de la Universidad de California-San Diego (EE UU), otra del Instituto Max Plack (Alemania), una tercera de la Universidad de Bristol (Reino Unido), y la propuesta de la fundación catalana ICREA para dirigir el AMS dentro del Instituto Catalán de Nanotecnología.

“Me decidí por esta opción por la posibilidad que me ofrecía el ICN de crear un grupo de investigación de manera totalmente independiente en un ambiente ‘virgen’ y con unos recursos financieros competitivos respecto a los de los otros centros”, explica. El investigador también destaca que este proyecto se ha consolidado gracias al apoyo del European Research Council (ERC), “una institución que pone al investigador en el centro, simplificando la burocracia y el papeleo”, y que en 2008 concedió al equipo 1,5 millones de euros para invertir durante cinco años.

Los objetivos del grupo AMS se centran en controlar la interacción a escala nanométrica (1 nanómetro = 10-9 metros) de las propiedades magnéticas, electrónicas y estructurales de los materiales. Una forma habitual de analizar los cambios es depositar sobre un sustrato -generalmente un cristal metálico- algún tipo de sustancia que los científicos hacen crecer en capas delgadas o clusters (agregados de pocos átomos o moléculas).

Modificar propiedades en el nanomundo

Lo que interesa a los investigadores es comprobar cómo se modifican las propiedades de la materia al descender hasta ese mundo nanométrico. “Podemos intercalar dos tipos de materiales distintos, por ejemplo, una capa metálica y otra molecular, y a menudo sus propiedades electrónicas y magnéticas se modifican por la interacción”, comenta Gambardella.

Uno de los últimos trabajos del grupo AMS, publicado a comienzos de 2009 en la portada de la revista Nature Materials, ha permitido desarrollar un material híbrido formado por átomos de hierro y moléculas orgánicas de ácido tereftálico sobre un sustrato de cobre. De forma espontánea el sistema se autoorganiza y genera una red plana, en la que los átomos de hierro quedan situados en el centro de cuatro ácidos tereftálicos. Los científicos han comprobado que en esta estructura las propiedades magnéticas del hierro son muy distintas a las consideradas como normales.

La idea que subyace, explica el físico, es que la combinación de alguna de las muchas moléculas que existen en la naturaleza con los metales (aportan sus propiedades magnéticas) puede ayudar a descubrir nuevas formas de controlar el comportamiento electromagnético de los nanomateriales. El objetivo principal de este tipo de investigaciones es crear una base de conocimiento, pero esta información puede llegar a ser muy útil en el desarrollo de aplicaciones en áreas como la informática.

El investigador recuerda que la información de los discos duros se almacena es una fina capa magnética de unos 20 ó 30 nanómetros, donde se dirige la imantación en un sentido u otro para generar los 0 y 1 de los datos digitales. La creciente necesidad de registrar cada vez más información en el menor espacio y a la mayor velocidad se encuentra con la limitación de que las propiedades magnéticas cambian, e incluso llegan a desaparecer, al descender en la escala nanométrica. Los científicos tratan de descubrir donde está el límite y cuales son los materiales más adecuados para esta función.

Ciencia totalmente interdisciplinar

“Estudios como los nuestros, junto a otros, como los de dinámica de la imanación, tratan de resolver esta serie de cuestiones”, dice Gambardella. Su trabajo también se relaciona con ciertas disciplinas emergentes, como la espintrónica (neologismo a partir de “espin”-propiedad magnética de las partículas subatómicas- y “electrónica”), que podría revolucionar el almacenamiento en los próximos años. El físico insiste, no obstante, en que sus investigaciones son de ciencia básica, aunque considera que la nanotecnología es “una ciencia totalmente interdisciplinar, en la que se unen la Física y la Química, e incluso la Biología y la Medicina”.

Para realizar sus investigaciones el grupo AMS combina varias técnicas, una actividad que caracteriza al equipo, pero especialmente dos: la microscopia de barrido de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés, Scanning tunneling microscopy) y la espectroscopia de absorción en rayos X.

Los microscopios de efecto túnel registran la corriente eléctrica que pasa entre una punta de metal muy fina y la muestra, de tal forma que se pueden observar los átomos y las moléculas. Gambardella muestra en el ordenador cómo se pueden manipular y mover directamente los átomos, y forma las siglas “ICN” de un modo similar a como lo realizaron los ingenieros de IBM hace 15 ó 20 años.

La microscopía STM proporciona mucha información a nivel espacial, pero otras técnicas, como la espectroscopia de absorción en rayos X (XAS), lo hacen a nivel electrónico y magnético. Para trabajar con la metodología XAS, que permite determinar la estructura electrónica de los materiales mediante la excitación de sus partículas con rayos X, los científicos necesitan desplazarse a los laboratorios de luz sincrotón de Europa, donde se encuentran los dispositivos necesarios para emitir ese tipo de radiación electromagnética.

Los sincrotrones son aceleradores de partículas en los que se emiten haces de electrones a velocidades próximas a las de la luz. La radiación emitida, o luz sincrotrón, se dirige hacia las estaciones de trabajo donde los usuarios la pueden utilizar para multitud de investigaciones, entre otras, el estudio de las propiedades de los materiales.

El sincrotrón ALBA

El equipo de Gambardella confía que cuando comience a operar el sincrotrón ALBA, inaugurado en marzo de 2010 en Cerdanyola del Vallés (Barcelona), no solo puedan dirigirse a esta institución como usuarios, sino también poder ofrecer su experiencia en preparación de muestras y sus equipos de STM a otros grupos que accedan al laboratorio.

El físico destaca la importancia de la creación de centros como ALBA en España, “un país donde la ciencia ha evolucionado muy positivamente en los últimos años”, y donde comienzan a llegar de otros países investigadores como él. Gambardella espera que la crisis actual no trunque está tendencia: “La educación y la investigación científica deberían ser las últimas penalizadas por la crisis”.

Salimos de su despacho y recorremos la planta baja del edificio para visitar el laboratorio del AMS. Varios científicos trabajan entre ordenadores y cámaras de ultra alto vacío, equipadas con microscopios STM y otros dispositivos como evaporadores moleculares, cañones de iones y criostatos para mantener baja la temperatura.

No nos entretenemos mucho porque el investigador tiene que terminar algunas pruebas antes de ir a recoger a sus hijos a la guardería. “Lo más difícil de este trabajo es mantenerse al nivel que exige el ERC y compatibilizarlo con la vida familiar, pero es el precio que hay que pagar por hacer lo que te gusta”, confiesa el científico.

Salimos del edificio. Desde la puerta Gambardella señala ilusionado el edificio en construcción situado al otro lado de la calle. Se trata de la nueva sede del CIN2, al que en unos meses se trasladará todo el grupo AMS para continuar desvelando los secretos de la materia.