El Grupo Nanoimaging de nanoGUNE, dirigido por José Ignacio Pascual, estudia la materia a escala atómica. Para ello cuenta con tres microscopios singulares, uno en cada laboratorio, capaces de ‘ver’ y mover átomos y moléculas.

Cuando se trabaja a escala atómica, la materia se comporta de forma diferente y la física presenta situaciones interesantes. Todo ello exige, sin embargo, unos requerimientos técnicos muy importantes. El Grupo Nanoimaging de nanoGUNE cuenta con los medios técnicos —tres grandes microscopios— y humanos para poner todo eso en práctica.

“Las propiedades que tienen los materiales dependen de las de los átomos que los forman y de cómo éstos se ordenan. Nuestro objetivo esinvestigar las propiedades de los átomos individuales o en nanoestructuras, y diseñar estrategias para ensamblarlos en nuevos materiales que optimicen su comportamiento en funciones tan dispares como la electrónica, el magnetismo o la catálisis”, explica José Ignacio Pascual, director del Grupo Nanoimaging de nanoGUNE. Algunas de las aplicaciones que podrían ser fruto de la investigación de este grupo son los dispositivos electrónicos delfuturo desarrollados a partir de nuevos materiales.

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Tres en uno

El grupo de investigación de José Ignacio Pascual ha diseñado y construido uno de sus tres microscopios, único en el mundo. Se trata

Grafeno, un imán para múltiples sectores

El grafeno es un material diamagnético, esto significa que no le gusta el magnetismo, y se muestra reacio a magnetizarse. Y a pesar de esto, hay cálculos teóricas predicen que una estructura triangular de este material podría llegar a ser magnética. Esta aparente contradicción es consecuencia de que para ciertas formas “mágicas” del grafeno los electrones parecen “girar” más fácilmente en una dirección determinada, forma coloquial para decir que tienen un mismo espín, y con ello lo vuelven magnético. Un trianguleno es una estructura triangular de grafeno donde las predicciones afirmaban que se puede conseguir un estado magnético puro. En otras palabras, es como un imán de dimensiones nanométricas. Dotar al grafeno de magnetismo abre perspectivas fascinantes en su aplicación en tecnologías cuánticas, por ejemplo.

Sin embargo, a pesar de la rotundidad de las predicciones sobre el magnetismo del trianguleno hasta la fecha no había pruebas experimentales claras del mismo. Por un lado, la producción de trianguleno por métodos de síntesis orgánica en solución es muy difícil, porque el carácter bi-radical de esta molécula hace que sea muy reactiva. Además, parece que su magnetismo es extremadamente esquivo en los pocos casos en los que se han estudiado con éxito.

Ahora, este nuevo estudio vasco-gallego, publicado en la revista científica Physical Review Letters [1], ha retomado este reto utilizando un microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés). Después de fabricar con precisión atómica una pieza de grafeno triangular de un par de nanómetros de tamaño sobre una superficie de oro limpia, medidas de espectroscopía de efecto túnel revelaron que este compuesto posee un estado magnético neto caracterizado por un espín S=1 y que, por lo tanto, esta molécula es un pequeño “paraimán” de carbono puro. Estos resultados constituyen la primera manifestación experimental de una estructura de grafeno de espín alto.

Un paso más

Estos descubrimientos han sido complementados con un experimento de manipulación atómica de productos residuales de trianguleno: algunas estructuras se formaban con más átomos de hidrógeno de los debidos, los cuales pasivaban su magnetismo. Mediante la extracción controlada de estos átomos de hidrógeno uno a uno con el STM, los investigadores observaron como el magnetismo de trianguleno se iba recuperando paso a paso.

La prueba experimental del magnetismo del trianguleno pasaba por una dificultad adicional. Al contrario que un imán macroscópico, un “paraimán” no tiene polos bien definidos debido a su pequeño tamaño. Por ello, la detección de su estado magnético no podía realizarse con técnicas más convencionales de espectroscopía, donde la orientación del magnetismo del imán pudiera facilitar su detección. En este trabajo, la prueba experimental de su estado magnético fue obtenida mediante la detección del efecto Kondo multicanal – una versión “exótica” del efecto Kondo tradicional descrito en los años 60 – y que puede surgir en sistemas magnéticos complejos. Su observación en una estructura triangular de grafeno, de apenas 40 átomos de carbono, es un hito que puede abrir todo un horizonte en nuestra comprensión del origen de este magnetismo, y de su posible integración en estructuras magnéticas mas complejas.

Este trabajo se ha desarrollado en el marco del proyecto europeo SPRING FET Open, Spin Research in Graphene (Investigación del espín en grafeno), liderado por el investigador Ikerbasque en nanoGUNE, Jose Ignacio Pascual. El objetivo del proyecto a largo plazo es el desarrollo de una plataforma hecha totalmente de grafeno, respetuosa con el medio ambiente, en la cual los espines se puedan usar para transportar, almacenar y procesar la información.

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CIC nanoGUNE ha lanzado la convocatoria del Programa de Prácticas de Verano que organiza anualmente; ofrece a estudiantes de la universidad la oportunidad de conocer de primera mano la actividad de un centro de investigación de referencia a nivel mundial.

Las becas serán de 3.000€ para todo el periodo del máster y no serán compatibles con otras ayudas o fondos que cubran el mismo fin. Los interesados deberán estar pre-inscritos y aceptados en los másteres mencionados para poder optar a estas ayudas. Los candidatos encontrarán toda la información sobre la oferta de proyectos de máster y el proceso para solicitar la beca siguiendo este enlace.

Además de las becas, nanoGUNE ofrece a los estudiantes de máster, de cualquier titulación de máster oficial, la posibilidad de desarrollar la tesis de máster dentro de uno de sus grupos de investigación.

Las prestigiosas ayudas ERC Advanced Grants son el máximo reconocimiento a la excelencia científica en Europa. Proporcionan financiación a largo plazo para apoyar a los investigadores e investigadoras más brillantes y a sus equipos, persiguiendo innovaciones de alto riesgo y de alto beneficio en cualquier campo de investigación. El Consejo Europeo de Investigación exige la excelencia científica del proyecto y del personal investigador como único criterio de evaluación, lo que coloca a Nacho Pascual en la vanguardia de la investigación científica europea.

El grafeno, una lámina de un átomo de espesor formado por átomos de carbono, posee una inmensa cantidad de cualidades, pero carece de propiedades magnéticas. Sin embargo, el átomo de hidrógeno posee el momento magnético más pequeño. El momento magnético es la magnitud que determina cuánta y en qué dirección ejercerá fuerza un imán. “Dicho de otro modo, todos recordamos haber tenido un imán en nuestras manos y ver cómo este era capaz de atraer o repeler a otro imán a una cierta distancia, que era mayor o menor en función de su potencia. Pues bien, lo que definía realmente este comportamiento era el momento magnético de nuestro par de imanes. La distancia a la cual empezábamos a sentir la aparición de una fuerza venía dada por la extensión espacial de sus momentos magnéticos, y el hecho de que esta fuerza fuese atractiva o repulsiva de la orientación relativa entre los mismos, por eso al girar uno de los imanes pasaban de atraerse a repelerse o viceversa” explica Miguel Moreno Ugeda, Ikerbasque Fellow en nanoGUNE.

“Nuestro trabajo revela cómo cuando un átomo de hidrógeno toca una capa de grafeno le transfiere su momento magnético” señala Moreno. “En contraposición a los materiales magnéticos más comunes como el hierro, el níquel o el cobalto, donde el momento magnético que genera cada átomo está localizado en unas pocas décimas de nanómetro, el momento magnético inducido en el grafeno por cada átomo de hidrógeno se extiende varios nanómetros presentado a su vez una modulación a la escala atómica”, añade. Los experimentos han sido realizados con la ayuda del microscopio de efecto túnel. Este microscopio permite visualizar y manipular la materia a la escala atómica. Asimismo, los resultados muestran que dichos momentos magnéticos inducidos interaccionan fuertemente entre ellos a grandes distancias (en comparación con la escala atómica) siguiendo además una regla particular: los momentos magnéticos se suman o neutralizan dependiendo críticamente de la posición relativa entre los átomos absorbidos de hidrógeno. Además, e igualmente importante, “hemos conseguido manipular de forma controlada los átomos individuales de hidrógeno, lo que nos ha permitido establecer a voluntad las propiedades magnéticas de regiones seleccionadas de grafeno” subraya Moreno.

En busca del magnetismo

Desde que fue posible obtener grafeno por primera vez en el año 2004, laboratorios de todo el mundo han intentado incorporar el magnetismo a la larga lista de propiedades de este material puramente bidimensional. Este interés proviene fundamentalmente del hecho de que el grafeno es, a priori, un material ideal para su uso en la tecnología espintrónica. Esta prometedora tecnología pretende sustituir a la tradicional electrónica transmitiendo al mismo tiempo información magnética y electrónica, lo que podría dar lugar a una nueva generación de computadores más potentes. Por tanto, “los resultados obtenidos en este trabajo, que muestran la posibilidad de generar momentos magnéticos a voluntad en el grafeno y cómo esos se pueden comunicar a grandes distancias, anticipan un brillante futuro para este material en el emergente campo de la espintrónica” concluye Moreno.

Video que ilustra de forma didáctica los resultados de la invetigación:

La espintrónica molecular es una tecnología que persigue utilizar el espín electrónico de moléculas orgánicas como unidad básica de información.

Uno de los objetivos que durante muchísimo tiempo han perseguido los químicos ha sido ser capaces de poder seguir y visualizar directamente cómo cambian las estructuras de las moléculas cuando experimentan complejas transformaciones químicas. Los intermedios de reacción —sustancias muy inestables que se forman en las diferentes etapas de una reacción, antes de obtener los productos— son extremadamente difíciles de identificar y caracterizar, debido a su corta vida. Conocer la estructura de estas especies intermedias puede ser de gran ayuda para entender los mecanismos de la reacción, y eso, además, puede generar un gran impacto en la industria química, la ciencia de materiales, la nanotecnología, la biología y la medicina.

En el marco de esta colaboracion internacional se ha captado la imagen y se ha resuelto la configuración de los enlaces de los reactivos, de los intermedios y de los productos finales de una compleja reacción orgánica, a nivel de una sola molécula. La prestigiosa revista Nature Chemistry ha publicado la investigación en su último número.

El equipo ha conseguido las imágenes de las estructuras químicas asociadas a diferentes etapas de la reacción en cascada, de múltiples etapas, de moléculas de enediina sobre una superficie de plata, utilizando un microscopio de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM, por sus siglas en inglés) con una sonda especialmente sensible: utiliza una aguja muy fina que puede detectar las más pequeñas protuberancias a escala atómica (de una manera similar a la lectura en Braille), ya que se adsorbe una molécula de monóxido de carbono que actúa como "dedo" en la lectura, para aumentar su resolución.

Estabilización de intermedios

Mediante la combinación de los últimos avances en cálculo numérico y los modelos analíticos clásicos que describen la cinética de reacciones químicas secuenciales —área que estudia la rapidez de las reacciones y los eventos moleculares que suceden en ella—, ha quedado probado que, para explicar la estabilización de las sustancias intermedias, no es suficiente considerar la energía potencial de las mismas, sino que es fundamental tener en cuenta la disipación de energía y los cambios de entropía molecular —la entropía mide el grado de organización de un sistema—. La superficie, y en particular la interacción de las sustancias intermedias extremadamente inestables con la superficie, juega un papel fundamental tanto en la entropía como en la disipación de energía, que marca una gran diferencia entre las reacciones soportadas en una superficie y las reacciones en fase gaseosa o en disolución.

Información complementaria

La investigación ha sido llevada a cabo por varios grupos de investigación liderados por Felix R. Fischer, Michael F. Crommie y Angel Rubio (Universidad de California en Berkeley, Lawrence Berkeley National Laboratory, UPV/EHU y Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter de Hamburgo), y por los investigadores Ikerbasque Dimas Oteyza (CSIC-UPV/EHU) y Miguel Moreno Ugeda (CIC nanoGUNE).

NanoGUNE acaba de lanzar su convocatoria del Programa de Prácticas de Verano que organiza cada año.

Este año, ofrecemos 13 proyectos para estudiantes universitarios de 3º y 4º de Física, Química, Biología, Ingeniería y Matemáticas. Los estudiantes tendrá la oportunidad de conocer de cerca la actividad que se lleva a cabo en un centro de investigación puntero durante un mes y medio o dos meses en verano. Esta experiencia hace posible que que los jóvenes colaboren con investigadores de nanoGUNE en sus proyectos de investigación, en campos tan diversos como el nanomagnetismo, el autoensamblado, la nanobiomecánica, los nanodispositivos, los nanomateriales, la nanoimagen y la nanoingeniería.

Puede consultarse toda la información sobre estos proyectos, horarios, remuneración, etc., en la siguiente dirección: https://www.nanogune.eu/es/practicas-de-verano

Los interesados en participar en el proceso de selección deben enviar un correo electrónico a la dirección que figura en la página web antes del 5 de febrero, con su expediente académico y su curriculum vitae. Los alumnos seleccionados serán entrevistados el 17 o el 24 de febrero.

Ugeda ve un futuro prometedor a este tipo de materiales en espintrónica, una rama incipiente de la electrónica cuyo objetivo es la manipulación y control del espín del electrón como portador de información. La ventaja de aprovechar el espín del electrón, que es una propiedad intrínseca del mismo, se refleja en el aumento de la información transmitida ya que, a diferencia de su carga electrónica, el espín puede tomar dos valores opuestos, “up” y “down”. Los dispositivos espintrónicos podrían transportar mayor cantidad de datos de manera mucho más fluida, con una menor demanda de potencia y menor acumulación de calor.

El material investigado está compuesto de wolframio y telurio. El wolframio es un elemento químico descubierto en 1783 por los hermanos Elhuyar en Bergara (Gipuzkoa); un metal utilizado para muchísimas aplicaciones, desde los filamentos de las lámparas eléctricas a las puntas de bolígrafos. Combinando átomos de este metal con átomos de telurio en tan solo tres capas atómicas, han encontrado el primer material aislado bidimensional con propiedades topológicas, es decir, aislante eléctrico en el interior y conductor en sus bordes. “El flujo de electrones en los bordes en este tipo de material resulta estar ligado al espín (“up” y “down”) de cada electrón; sorprendentemente los electrones de espín opuesto se mueven en sentido contrario a lo largo de los bordes. Por tanto, se pueden generar corrientes con un spin definido en una dirección o en otra. Los canales o carriles del borde del material se pueden imaginar como una carretera de doble sentido en la que los electrones “up” van en una dirección y los “down” en la otra. Y no puede ser de otra manera”, explica Miguel M. Ugeda.

Por otra parte, cabe destacar que debido a las propiedades topológicas de este material la corriente eléctrica debería ser insensible a la contaminación e impurezas que pueda haber en el material, algo que distingue a los aislantes topológicos de materiales conductores convencionales. Otra ventaja añadida es que el material en cuestión “es estable químicamente y realmente sencillo de sintetizar. Además se puede combinar con otros materiales bidimensionales a modo sándwich para diseñar materiales artificiales con propiedades “a la carta” para cualquier aplicación específica”, añade el investigador.

Una molécula puede comportarse como el componente más pequeño de un sistema electrónico. Con esa premisa, la investigación en el campo de la electrónica molecular se ha afanado en desarrollar en los últimos años nuevas aproximaciones que acerquen el ansiado objetivo de conseguir que las moléculas puedan ser usadas como componentes electrónicos dotados de lógica.

«La idea es fascinante: almacenar y leer información en una sola molécula», explica Nacho Pascual, Profesor Ikerbasque y líder del grupo de Nanoimagen de nanoGUNE. «Hace mucho que sabemos cómo sintetizar las moléculas, pero hasta ahora nunca habíamos podido conectarlas a un circuito», confiesa. Para lograrlo, los científicos crearon ‘tiras de grafeno’ con el propósito de utilizarlas como cables eléctricos, desarrollando también un método a medida que permitiera establecer contacto con la molécula de forma precisa y en lugares predefinidos.

«Descubrimos que el contacto con la molécula influye de manera crucial en cómo se comporta el dispositivo molecular», afirma Jingcheng Li, primer autor del artículo. «Por ello, hemos tenido que recurrir al uso de tecnologías de precisión atómica a la hora de dar el paso de la conexión».

En lo que respecta al proceso de creación de la molécula, los investigadores han empleado en esta ocasión un método químico basado en reacciones guiadas sobre una superficie metálica. «La creación del dispositivo molecular en sí es simple», explica el líder del equipo del CiQUS, Diego Peña: «diseñamos y sintetizamos los componentes moleculares por separado, dotándolos de extremos ‘de tipo adhesivo’ en los puntos donde estaba previsto realizar las conexiones; a partir de ahí, la naturaleza hace el resto del trabajo por nosotros», bromea.

Para ilustrar el proceso, los científicos han recurrido a la metáfora de un «LEGO molecular». En palabras del propio Pascual, «estamos consiguiendo usar las leyes de la naturaleza para ensamblar moléculas en nanoestructuras más complejas», asegura.

Los autores demostraron el funcionamiento del nuevo dispositivo molecular utilizando la Microscopía de Efecto Túnel (STM), un método muy avanzado para la visualización de átomos y moléculas que permite medir su comportamiento. Con esta herramienta, los autores del trabajo pudieron comprobar en qué condiciones la información magnética almacenada en la molécula sobrevivía a la conexión, lo que abre una nueva vía en el desarrollo de nuevos materiales para una electrónica más eficiente.

El trabajo se ha realizado en el marco del consorcio español de investigación colaborativa FunMolDev (Functional Molecular Devices), financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad de España, el Gobierno de la Comunidad Autónoma Vasca, la Xunta de Galicia y la Unión Europea.

El martes, 19 de junio, recibimos a 11 estudiantes que van a realizar las prácticas en nanoGUNE este verano. El director del centro, Jose M. Pitarke les dio la bienvenida con una breve charla sobre el recorrido de nanoGUNE, a la que también acudieron las investigadoras e investigadores que dirigirán sus proyectos.

Los 11 estudiantes vienen de diferentes universidades, entre las que están la Universidad Pública del País Vasco (UPV/EHU), Tecnun, la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). El programa de prácticas de verano de NanoGUNE les ofrece una experiencia real para que puedan conocer en qué consiste el trabajo de investigación y poder así decidir mejor sobre su futuro profesional.

El grupo de estudiantes colaborará y aprenderá en los diferentes grupos de investigación de nanoGUNE, como por ejemplo el de nanoóptica, nanodispositivos o nanomagnetismo. Durante dos meses, llevarán a cabo un proyecto siguiendo las técnicas y anotaciones de los investigadores de sus grupos.

Algunos de ellos comenzaron las prácticas a principios de mes y cuentan que, desde el principio, han estado muy involucrados en el trabajo de grupo. “La verdad es que hemos empezado muy de golpe, el primer día me llevaron ya al laboratorio”, comenta Amaia Ochandorena, estudiante de Bioquímica y Biología Molecular de la UPV/EHU.

Todos los estudiantes conocían CIC nanoGUNE de antemano y destacaron que, “es un centro de investigación importante” que “ofrece o trabaja con temas de mucho interés”.

Tanto a estos como a estudiantes de grado en general, nanoGUNE les ofrece la posibilidad de entrar en contacto con el centro para la realización de Trabajos Fin de Grado (TFG) o Trabajo Fin de Máster (TFM), para los que además publica una convocatoria de ayudas todos los años.

El encuentro supone el punto de partida de un proyecto de investigación de 4 años coordinado por CIC nanoGUNE e integrado por IBM Research, Donostia International Physics Center, la Universidad de Santiago de Compostela, la Universidad Técnica de Delft y la Universidad de Oxford. El consorcio formado por estas seis instituciones de investigación europeas líderes ha recibido un total de 3,5 millones de euros de la Comisión Europea en el marco de la altamente competitiva convocatoria FET-Open Horizon 2020, que financia proyectos de investigación interdisciplinarios de vanguardia de alto riesgo y gran impacto, que deben sentar las bases de las radicalmente nuevas tecnologías del futuro.

El proyecto SPRING combina los últimos avances científicos de los miembros del consorcio para fabricar nanoestructuras de grafeno magnéticas hechas a medida y probar su potencial como elementos básicos en dispositivos cuánticos espintrónicos. El objetivo a largo plazo es el desarrollo de una plataforma hecha totalmente de grafeno, respetuosa con el medio ambiente, en la cual los espines se puedan usar para transportar, almacenar y procesar la información.

El espín es una propiedad intrínseca de los electrones que hace que se comporten como pequeños imanes. Por ejemplo, cada electrón en cualquier material lleva una carga y un espín, siendo éste último clave para el magnetismo.

La comunidad científica coincide en que el espín es la propiedad de la materia ideal para hacer avanzar el rendimiento de la nanoelectrónica actual basada en la carga, a una clase de componentes más rápidos y de mayor eficiencia energética, siendo ésta la base de la tecnología emergente llamada espintrónica cuántica. El proyecto SPRING investigará las leyes fundamentales para crear y detectar espines en grafeno, es decir, leer y escribir espines, y utilizarlos posteriormente para transmitir información.

José Ignacio Pascual, profesor de investigación Ikerbasque en el CIC nanoGUNE y coordinador científico del proyecto, explica que "el grafeno es ideal para las tecnologías de la información del futuro porque podemos fabricar fragmentos de forma definida con precisión atómica. En este proyecto vamos a estudiar sus propiedades magnéticas y su potencial para ser integrado en dispositivos cuánticos”.

A través de este programa, el centro vasco de investicación en nanociencia acogerá este verano en torno a diez nuevos estudiantes de 3º y 4º curso de Física, Química, Biología e Ingeniería. Durante un periodo de mes y medio o dos meses, los jóvenes colaborarán con investigadores de nanoGUNE en sus proyectos de investigación, en temas como los fenómenos de electrón/espín y magnetismo, óptica en la nanoescala, materiales en la nanoescala y nanobioingeniería, entre otros.

Los estudiantes interesados deben presentar su solicitud online para participar en el programa de prácticas de verano en la página web de nanoGUNE, y la fecha límite para hacerlo es el 16 de febrero. Toda la información relativa a la convocatoria está disponible en la página web de nanoGUNE (www.nanogune.eu)