INVESTIGADORES DEL INSTITUTO DE MATERIALES Y LA HISPALENSE EMPLEAN PLASMAS DE NITRÓGENO PARA CREAR MATERIALES INTELIGENTES

Fuente: Santi Folch / Programa para la Formación de Monitores en Materia de Divulgación del Conocimiento. 

El estado plasmático se consigue aportando la suficiente energía a un gas inerte. Mediante este aporte, que puede ser eléctrico, en forma de microondas, etc. los átomos del gas aumentan la velocidad de su movimiento, hasta el punto de que las colisiones entre ellos desprenden electrones. Aparecen entonces muchas partículas cargadas eléctricamente, y con ello el gas entra en estado de plasma. Este fenómeno natural es, tal y como explica el catedrático y miembro del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (CSIC–USE)José Cotrino, más frecuente en la vida cotidiana de lo que puede parecer, pues objetos como las lámparas fluorescentes, las bombillas de bajo consumo o las propias televisiones de plasma están basados en él.

El equipo que dirige este científico está aprovechando ciertas posibilidades que, de forma exclusiva, ofrece el cuarto estado de la materia. “Frente a la química tradicional, los plasmas presentan la ventaja de darnos acceso a muchas especies (iones, átomos, moléculas, etc…) que no podríamos usar de otra forma, nos abre una química nueva”, señala Cotrino en este sentido. “De esta forma, en el plasma aparecen radicales sueltos, que podremos combinar químicamente con otras sustancias en ese entorno, como por ejemplo nuestros materiales de partida», explica.

En el caso del nitrógeno -elemento que está siendo empleado en esta investigación, junto a algunos gases nobles como el argón-, en estado gaseoso está formado por moléculas de dos átomos (N2). Según explica el equipo, al darle estado plasmático se obtienen átomos sueltos (N + N), que pueden combinarse así con otras sustancias para dar lugar al material inteligente. Con esta técnica, el grupo está desarrollando unos vidrios que repelen –o atraen, según se prefiera- el agua y los líquidos en general. Por otro lado, una segunda línea de experimentación trabaja con polietilenos, a los que se dota de la capacidad de alejar o atraer a determinadas células vivas, o de conformar implantes que no produzcan problemas de rechazo en los pacientes. En ambos casos los nuevos materiales utilizan plasmas de nitrógeno en su fabricación.

En el trabajo con vidrios, que a su vez es un amplio proyecto que posee múltiples aplicaciones, se está combinando el nitrógeno monoatómico (N) presente en el plasma con un pigmento blanco, el dióxido de titanio (TiO2). El material resultante presenta nuevas cualidades. “Por un lado, conseguimos que el dióxido de titanio reaccione ante la luz visible”, señala José Cotrino, refiriéndose a la capacidad de esta sustancia ampliamente utilizada en la industria para absorber los rayos UV (luz ultravioleta). “Mediante el nitrógeno monoatómico conseguimos ampliar el espectro de luz al que el material es sensible, de luz ultravioleta a todo el espectro visible”, destaca el equipo.

Paralelamente, con este dióxido de titanio se puede obtener un vidrio que repele el agua, como, por ejemplo, la procedente de la lluvia o el rocío matinal. Pensado para cristales de ventanas o celdas de paneles solares, este material “podría limpiarse prácticamente por sí mismo, pues la propia humedad ambiental arrastraría el polvo y la suciedad que se depositase en su superficie, altamente deslizante para todos los líquidos”, indica el grupo investigador.

La segunda vía de experimentación, totalmente diferente a la anterior, incide principalmente sobre polietilenos (plásticos muy comunes con los que se fabrican envases de agua, botellas de refrescos, etc…). El objetivo es crear, gracias a este material, implantes que no produzcan rechazo en los pacientes, y que cumplan además determinadas funciones biológicas. “Trabajamos en un polietileno que, al combinarlo con nitrógeno monoatómico y otros grupos químicos presentes en el plasma, adquiera cualidades favorables para determinadas células, así como lo contrario. Es decir, un material que sea amigo o enemigo de unas células concretas”, señala José Cotrino.

Esta línea de experimentación se relaciona directamente con las ciencias de la salud, y cuenta con la participación de un equipo más amplio e interdisciplinar. “Médicos y bioquímicos pueden señalarnos las sustancias que, por su participación en un determinado proceso fisiológico, hemos de tener como objetivo a la hora de crear nuestros materiales, ya sea de cara a favorecer su presencia o justo lo contrario”, explica el responsable de la investigación.

Nuevos usos para los gases inertes

Para obtener los materiales inteligentes que se proyecta conseguir, el equipo emplea gases inertes, principalmente el nitrógeno (aunque también otros como el argón). Estos gases se caracterizan por su nula reactividad en condiciones normales: el nitrógeno difícilmente reaccionará a temperatura ambiente en un entorno natural, y en el caso de los gases nobles (como el argón) se trata de elementos aún más inertes todavía. Contrastan todos ellos con otros gases como el oxígeno, que interactuará fácilmente con una gran variedad de sustancias de forma natural.

Por este motivo, para utilizar estos gases de cara a combinarlos con otras sustancias se han de alterar las condiciones naturales. Si además se quiere cambiar su estado de gaseoso a plasmático, como es el caso de las experiencias que están llevando a cabo los científicos que dirige José Cotrino, es necesario incrementar su temperatura mediante aparatos especializados.

Para esta tarea el equipo hispalense está usando unos dispositivos denominados reactores de plasma. Estos aparatos aportan energía a los gases inertes, de forma que la temperatura de éstos empieza a aumentar, y con ella la velocidad de movimiento de sus átomos. En los choques que se producen, llega un momento en que se desprenden electrones, apareciendo el estado plasmático, lleno de partículas cargadas eléctricamente.
El grupo cuenta con dos tipos de reactores de plasma: uno que aporta energía mediante microondas y otro denominado “de descarga de barrera dieléctrica”, que suministra electricidad y “apaga y enciende el plasma de forma continúa”, en palabras del responsable de la investigación José Cotrino. Este último dispositivo se emplea para obtener el plasma a la presión normal de la atmósfera, y requiere de este pulso o “encendido y apagado” para evitar su sobrecarga.

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Plasma de nitrógeno actuando en un reactor

Equipo investigador dirigido por el catedrático de la Universidad de Sevilla José Cotrino

Más información:

José Cotrino Bautista
Catedrático de la Universidad de Sevilla

Miembro del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (centro mixto del CSIC)
Telefono: 954 55 09 43 (US) – 954 48 95 77 (lab. ext. 9205) (ICMS)
Email: cotrino@us.es