Avanzan en la construcción de nanosistemas eficientes para la conversión de luz en calor

(Artículo publicado originalmente en el sitio web del CONICET Por Bruno Geller)

Un estudio internacional, liderado por especialistas del CONICET e investigadores argentinos radicados en Alemania, aportó información y herramientas que allanan el camino para el desarrollo de materiales nanotecnológicos capaces de convertir eficientemente luz en calor, un paso importante para la utilización de energía solar en diversas aplicaciones. El trabajo se describe en la revista Nature Communications y es el resultado de una colaboración entre laboratorios del Centro de Investigaciones en Bionanociencias (CIBION, CONICET), de la Universidad Nacional de San Martín (UNSAM) y de la Universidad de Múnich en Alemania.

“La mayoría de las disciplinas científicas que se ocupan de la nanoescala presentan algún fenómeno inducido o regulado por temperatura. El control y la medición de la temperatura resulta fundamental para un amplio rango de áreas de conocimiento, que incluyen, pero no se limitan, a la microelectrónica, nano-medicina, generación de energías renovables, biología celular, fotocatálisis y microfluídica, entre otras.”, indica Julián Gargiulo, primer autor del trabajo e investigador del CONICET en el Instituto de Nanosistemas (INS, UNSAM).  Y agrega: “Hace tiempo que entre los equipos de Munich y Buenos Aires venimos estudiando a las nanopartículas de oro para calentar de forma controlada regiones del espacio muy pequeñas, ya que son muy eficientes para convertir luz en calor”.

Equipo empleado para medir la temperatura de los nanosistemas sometidos a luz. Créditos: Fotografia CONICET/Verónica Tello

Diseño del nanomaterial para fotosíntesis artificial y del “nanotermómetro”

El desarrollo de nanomateriales para hacer fotosíntesis artificial es una de las áreas en las que el estudio de la temperatura es de especial importancia. Este fue el tema que abordó Matías Herrán en su tesis de doctorado en el grupo de Nanomateriales para Energía que lidera Emiliano Cortes en la Universidad de Múnich. Ambos investigadores participaron del estudio y son egresados de la Universidad de La Plata (UNLP).

“El objetivo de mi tesis fue desarrollar materiales nanoestructurados y utilizarlos para hacer fotosíntesis artificial, es decir imitar lo que hacen las plantas, que es aprovechar la energía solar para producir otros tipos de energía. En este proceso es importante captar la luz solar y encontrar materiales que permitan su uso para asistir reacciones químicas y aportar soluciones a problemas energéticos, área en el que se especializa el grupo de Emiliano en Alemania. Nuestro estudio sobre la conversión de luz en calor nos permitió lograr una mayor comprensión de cómo estos materiales manipulan dicha energía”, señala Herrán.

En el grupo de Nanomateriales para Energía de la Universidad de Múnich se desarrollaron nanoestructuras formados por dos metales: el oro y el paladio. Lo que hicieron fue combinarlos con diversas geometrías. Por ejemplo, recubrir una esfera de oro con una cáscara homogénea de paladio, o recubrirla con pequeños satélites de paladio. “El objetivo era entender el efecto de la geometría en la generación de calor”, explica Herrán.

Simone Ezendam (izq.), Matías Herrán y Emiliano Cortes en el Laboratorio de Nanomateriales para Energía en la Universidad de Múnich.

Ianina Violi, investigadora del CONICET con lugar de trabajo en INS, UNSAM y también autora del estudio, explica que las nanopartículas de oro constituyen la antena del nanosistema y que miden aproximadamente una mil millonésima parte de un metro. “Estas nanopartículas de oro tienen una propiedad muy única ya que cuando se las ilumina son capaces de concentrar la luz en regiones muy pequeñas del espacio. Después esta energía se transmite al paladio que es el ‘reactor’ o material que acelera las reacciones químicas, también llamado catalizador”, puntualiza.

Del mismo modo que cuando se concentra luz del sol con una lupa y se quema un papel, estos nanomateriales se calientan al iluminarlos. “Saber cuánto se calientan es muy importante, porque la temperatura influye mucho en cuán rápido sucede una reacción química. También te indica cuan intensamente se pueden iluminar los sistemas antes de dañarlos. Sin embargo, es muy difícil medir temperatura de objetos tan pequeños. Lo que hicimos fue desarrollar un nanotermómetro para poder medir esa temperatura y luego estudiar distintas maneras de combinar el oro y el paladio de forma tal de regular cuánto se calienta el sistema”, destaca Gargiulo, doctor en física de la UBA quien para realizar este trabajo obtuvo el financiamiento de una beca de la DAAD alemana llamada “PRIME Fellowship” con lugar de trabajo compartido entre el Centro de Investigaciones en Bionanociencias (CIBION, CONICET) dirigido por Fernando Stefani y el grupo de Emiliano Cortes en la Universidad de Múnich en Alemania.

Para poder medir la temperatura de objetos nanométricos, el equipo construyó un microscopio especializado que permite analizar la luz que emite cada nanopartícula. “Del mismo modo que el color de una brasa de carbón (si es más naranja o blanca) nos indica cuán caliente está, la luz emitida por cada partícula posee información sobre su temperatura”, explica Gargiulo.

“En este trabajo aplicamos métodos de termometría de partículas individuales que ofrecen ventajas únicas para estudiar cuánto y cómo se calientan las nanopartículas en distintas condiciones”, indica Stefani, doctor en Química e ingeniero en Materiales e investigador del CONICET en el CIBION.

Asimismo, Violi agrega que se comprobó que el aumento de temperatura “depende muchísimo de la forma en la que se acomode el paladio alrededor del oro, es decir, si está como una cáscara o como pequeños satélites. En este último caso, el aumento de temperatura es igual a que si no hubiera paladio. En cambio, si se coloca como recubrimiento completo alrededor del oro, no importa de qué espesor, el nanosistema se calienta mucho menos”.

“Nuestros resultados ponen de manifiesto, una vez más, una de las bases fundamentales de la nanotecnología, que indica que un material con exactamente la misma composición (en este caso de oro y de paladio), puede tener propiedades muy diferentes dependiendo de cómo se organiza en el espacio,”, subraya Gargiulo.

Luciana Martínez, también autora del estudio y becaria doctoral del CONICET en el CIBION, explica que “medir la temperatura presenta un desafío muy grande cuando se quiere realizar en la micro y nanoescala” Al ser iluminadas, las nanopartículas actúan como calentadores muy eficientes, que pueden utilizarse para fotocatalizar reacciones químicas en la microfluídica y en la biología.  “Por eso para su aprovechamiento es importante tener un método que mida su temperatura exacta”, señala Martínez. Y agrega: “En los últimos años medimos las propiedades fototérmicas del oro en distintos formatos: a distintos tamaños de nanoesferas e incluso en diversas geometrías, en forma de nanoestrellas, pero nunca habíamos medido a un sistema híbrido de varios materiales y no sabíamos qué rol iba a jugar la interfase del material.”

Para Violi, el estudio “aporta datos importantes para poder desarrollar catalizadores más eficientes para muchos tipos diferentes de reacciones químicas, pero tiene utilidad en un amplio rango de aplicaciones en nanotecnología”.

“Mi grupo en Alemania se encuentra desarrollando nuevos nanomateriales y técnicas para el estudio de procesos de conversión de energía solar, térmica o eléctrica a energía química. Algunos ejemplos que trabajamos son la producción de hidrogeno verde y de otros combustibles renovables, y el almacenamiento de energía en nuevos nanomateriales para baterías, entre otros. Nos enfocamos en la sustentabilidad de los procesos para alcanzar una economía circular. Contamos con la colaboración de diversos grupos alrededor del mundo, incluyendo varios de Argentina, como en este caso por ejemplo” resalta Cortes desde Alemania.

Asimismo, Gargiulo y Violi destacan la reciente inauguración de un laboratorio de óptica en el Instituto de Nanosistemas de UNSAM, donde se instalarán equipos para medir temperatura de nanobjetos. “El Instituto de Nanosistemas es un ambiente muy estimulante para trabajar porque sus integrantes desarrollan nuevos nanosistemas con múltiples propiedades. Los nuevos equipos permitirán seguir investigándolos y optimizándolos, como se ha hecho en este estudio”, concluye Gargiulo.

Referencia bibliográfica: Gargiulo, J., Herran, M., Violi, I. L., Sousa-Castillo, A., Martinez, L. P., Ezendam, S., … & Cortés, E. (2023). Impact of bimetallic interface design on heat generation in plasmonic Au/Pd nanostructures studied by single-particle thermometry. Nature Communications, 14(1), 3813.

https://doi.org/10.1038/s41467-023-38982-9