Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS), dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y el Departamento de Física Aplicada I de la Universidad de Sevilla ha desarrollado un método que permite encapsular gases nobles como el helio a escala nanoscópica y analizar sus propiedades con precisión.

Este avance se centra en estructuras extremadamente pequeñas, los nanoporos, espacios vacíos en materiales sólidos que, en este caso, se llenan con helio, un gas conocido por su estabilidad. Su estudio es crucial porque sus propiedades podrían aprovecharse para mejorar tecnologías aplicadas a la experimentación nuclear, catálisis o la fabricación de dispositivos ópticos.

Los investigadores andaluces en la sala del microscopio electrónico utilizado para hacer las medidas experimentales del artículo.

Otra novedad del estudio ha sido utilizar silicio amorfo para encapsular el helio, un material que ofrece un equilibrio entre facilidad de fabricación, flexibilidad y compatibilidad con tecnologías avanzadas. Hasta ahora para crear estas estructuras se recurre principalmente al argón, otro gas noble pero que apenas se acumula en la lámina. En contraste, los nanoporos de helio ofrecen alta densidad y presión interna del gas atrapado. 

Así aspiran a soluciones más compactas y eficientes que la criogenia, que requiere mantener el gas a temperaturas extremadamente bajas para almacenarlo en estado líquido, o a dispositivos de alta presión, que lo comprime a presiones muy altas. “Comprobamos que estas estructuras a escala nanoscópica presentan características similares a las observadas en materiales fabricados mediante tecnologías de implantación más costosas, por lo que podría facilitar la aplicabilidad de manera más versátil y económica”, señala a la Fundación Descubre la investigadora del ICMS Asunción Fernández, coautora del estudio.

Un avance clave en la caracterización de materiales

Como reflejan en el artículo ‘On the characteristics of helium filled nano-pores in amorphous silicon thin films’, publicado en la revista Applied Surface Science, el primer paso de la investigación fue conseguir láminas nanoporosas mediante pulverización catódica. Esta técnica transforma un material sólido en vapor, lo condensa y lo deposita sobre una superficie. Al aplicar este método con helio en lugar de argón obtuvieron una modificación significativa: poros de tamaño nanométrico rellenos de átomos del gas pulverizado distribuidos por toda la capa.

Para explorar las propiedades internas de los nanoporos utilizaron microscopía electrónica de transmisión, obteniendo imágenes detalladas de la morfología y distribución de los poros, y espectroscopía de pérdida de energía de electrones para medir con precisión la densidad y presión del helio atrapado.

Observación del nanoporo al microscopio. (a) El ancho del poro medido en su parte central es de 7,0 nanómetros. Los cuadrados de colores en (b) indican los píxeles seleccionados para el análisis en cada región del poro («superior», «central» e «inferior»).

La combinación de estas herramientas y cálculos teóricos avanzados permitió validar modelos predictivos sobre el comportamiento del gas confinado. Para ello contaron con la colaboración de investigadores de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y la Old Dominion (Estados Unidos). “La aportación de los expertos teóricos ayudó a predecir cómo cambia el desplazamiento de la señal del helio, observado en las medidas espectroscópicas, en función de la densidad del gas dentro de los poros, comparándolo con los valores conocidos para helio en fases condensadas o encapsulado en burbujas en otros materiales. Así se obtuvieron valores cuantitativos fiables de su densidad y presión, logro que no era posible con métodos experimentales aislados”, subraya la investigadora del ICMSE.

Aplicaciones industriales y científicas

Aunque el trabajo se centra en entender las características del material, se avanza también en la aplicabilidad a nivel científico e industrial. Por ejemplo, en campos como la fabricación de dispositivos ópticos. “Al introducir porosidad en materiales se puede modificar y ajustar su índice de refracción, lo que es útil para diseñar lentes y filtros ópticos con propiedades específicas”, destaca Bertrand Lacroix, coautor del estudio.

Además, han comprobado que las láminas desarrolladas pueden actuar como revestimientos antirreflectantes más eficientes, mejorando la transmisión de luz en dispositivos como paneles solares.

En el estudio fue fundamental la aportación de investigadores internacionales de la Universidad de Cambridge (izq. y centro) y la Universidad Old Dominion (dcha.)

También destaca la aplicación en catálisis, pues gracias a la nanoporosidad conseguida aumenta la superficie activa y mejora la eficiencia catalítica de las láminas. Este punto es clave para aplicaciones en tecnologías del hidrógeno. 

Igualmente se está empleando como patrones de gases nobles en estudios de reacciones nucleares, de interés en astrofísica y estructura nuclear. “En comparación con las cámaras o sistemas criogenizados más complejos, nuestras láminas facilitan las medidas y el análisis de datos. Permiten almacenar helio en cantidades extremadamente altas, del orden de decenas de átomos por nanómetro cúbico en el interior de un nanoporo”, indica Fernández.

Esta utilidad se ha puesto a prueba con éxito en experimentos realizados en el centro canadiense de aceleración de partículas TRIUMF y en el Laboratorio Nacional de Legnaro (LNL), dependiente del Instituto Nacional de Física Nuclear en Italia.

El trabajo ha recibido financiación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y del programa EMERGIA de la Junta de Andalucía. Además, las mediciones de los nanoporos se realizaron en el microscopio electrónico de transmisión de alta resolución del Instituto de Ciencias Materiales de Sevilla, instrumento que se incorporó al laboratorio con cargo al programa europeo REGPOT, para cuya consecución contaron con el soporte de la administración andaluza.

Reportaje: Nanoporos rellenos de helio: pequeños espacios, grandes oportunidades tecnológicas

Referencias

Bertrand Lacroix, Asunción Fernández, N.C. Pyper, Alex J.W. Thom, Colm T. Whelan. ‘On the characteristics of helium filled nano-pores in amorphous silicon thin films‘. Applied Surface Science. Noviembre 2024.

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