Nuevos
materiales
El Dr. Roberto Arce* investiga en materiales porosos estructurados, actividad que lleva a cabo en el Laboratorio de Física de Semiconductores del INTEC/UNL/CONICET** sito en la ciudad de Santa Fe. Parte de su tarea científica se orienta al desarrollo de materiales meso y macroporosos sobre la base de silicio para, eventualmente, utilizarlos en relación con la salud humana. En este tema realiza trabajos en colaboración con la UBA. Asimismo, investiga en celdas fotovoltaicas.
¿Qué es el silicio?
Es el elemento químico semiconductor más utilizado en electrónica.
Su condición de semiconductor implica que tiene resistividad intermedia
entre la de un conductor y un aislante, y que su conductividad aumenta
con la temperatura. La mayor parte de los componentes electrónicos
que conocemos se basan en el desarrollo de los denominados “circuitos
integrados”, los cuales se construyen a partir de un trozo de silicio
(oblea) que se somete a diferentes procesos para generar circuitos de
alta complejidad en muy pequeños volúmenes. El desarrollo
de materiales porosos basados en la propia matriz de silicio posibilita
integrar, a estos circuitos, las diversas funcionalidades que son capaces
de otorgar los sistemas porosos. Una de ellas es el desarrollo de sensores
para materiales específicos.
En este caso, ¿qué es
un poro?
Una pequeña cavidad entre las partículas que forman un
cuerpo sólido.
¿En
qué consiste su actividad de laboratorio?
En el desarrollo de metodologías para la preparación de
materiales meso y macroporosos -con poros de tamaño intermedio
y de diámetro superior- basados en el silicio cristalino, así como
para la posterior caracterización de tales materiales producidos
por métodos físicos y químicos. Es un trabajo
que realizamos en forma grupal.
¿Qué significa “caracterizar” un material poroso?
Cuando se habla de caracterizarlo se lo hace desde diferentes puntos
de vista. Por un lado, el tamaño de los poros que lo conforman
-la dimensión que lo caracteriza-; por el otro, la densidad de
poros, es decir, en un material sólido cuál es la proporción
de poros que contiene -lo que se denomina “porosidad”-. Y, finalmente,
debo mencionar la geometría de los poros, que pueden ser esféricos,
cilíndricos o algo intermedio. En cuanto a la geometría
de estos sistemas también existe como variable la forma en que
estos poros se distribuyen en el material; si lo hacen de manera aleatoria
o siguiendo algún tipo de ordenamiento. Cada una de las numerosas
combinaciones posibles en las características del material poroso
genera un material con diferentes propiedades. A los fines de evaluar
las posibles aplicaciones esta caracterización se complementa
con la determinación de las propiedades ópticas y electrónicas
de los materiales generados.
¿En
qué se
aplican?
Las aplicaciones son múltiples. En general, el aporte de un material
poroso proviene del hecho de poseer una gran superficie en relación
con el volumen. Esta propiedad hace que haya elevada interacción
del material poroso con el medio ambiente, hecho que lo torna altamente
susceptible al entorno y, por lo tanto, óptimo para su utilización
en diversos tipos de sensores (o detectores). Además, por tratarse,
en este caso, de un material semiconductor le confiere características
especiales desde el punto de vista eléctrico, y lo mismo puede
decirse respecto de las propiedades ópticas. La función
de sensado puede extenderse desde la detección de moléculas
simples en el medio que rodea al sensor, sea líquido o gaseoso,
hasta sistemas altamente desarrollados como las proteínas
complejas y hasta cadenas de ADN.
¿Significa
que en estos estudios científicos
se abarca la salud humana?
Sí, porque uno de nuestros objetivos es el desarrollo de un material
poroso a partir del cual sea posible detectar la presencia de lipopolisacáridos.
Estas moléculas están presentes en las paredes celulares
de las bacterias denominadas “gram negativas”, por lo que se las llama
endotoxinas. Son las causantes de un número importante de enfermedades
tales como gonorrea, meningitis y el síndrome urémico-hemolítico.
En su grupo, ¿trabajan
también
en celdas fotovoltaicas?
Nuestro trabajo de investigación en el área de Materiales
Porosos surge a partir del Grupo de Celdas Fotovoltaicas
por iniciativa del Dr. Roberto Koropecki, investigador del CONICET en
el INTEC.
Esta nueva línea de trabajo no ha impedido que continuemos participando
en el desarrollo de materiales de aplicación en este tipo de celdas.
En este caso, el material poroso semiconductor puede ser pensado como
un sistema altamente efectivo en atrapar la luz que llega a la celda
solar para luego ser aprovechada en un dispositivo conversor de la energía
lumínica en energía eléctrica.
¿Qué etapas
comprende el desarrollo de los sensores basados en el silicio?
La primera de ellas es lograr controlar las características del
material. En una segunda etapa se debe elegir y desarrollar la metodología
que combine, de manera adecuada, estos materiales para que alguna propiedad
de la estructura desarrollada pueda ser relevada con una metodología
específica. En nuestro caso, puede ser óptica o electrónica.
En esta secuencia, hay un paso adicional hacia un objetivo aplicado,
el que consiste en darle especificidad al sensor. En otras palabras,
que el sensor se vuelva susceptible a un determinado agente, lo que se
logra confiriéndole a la propia superficie del silicio una determinada
funcionalidad, para lo cual el sensor se trata con agentes químicos
adecuados.
Este trabajo, ¿puede
calificarse de “multidisciplinario”?
Sin dudas. Por un lado, el dispositivo sobre el cual se trabaja basa
su funcionamiento en cuestiones relacionadas con la Física.
Sin embargo, la especificidad del sensor se confiere a través
de acciones que implican un profundo conocimiento de los aspectos químicos.
Y cuando, como en nuestro caso, el sensor se orienta hacia determinaciones
de sustancias ligadas a la biología, también se requieren
conocimientos en bioquímica. Dado que nuestra formación
es específica en Física, con el objeto de complementar
nuestros esfuerzos y conocimientos, hemos establecido una relación
de colaboración con un grupo de la Universidad Nacional de Buenos
Aires dirigido por el Dr. Fernando Battaglini y la Dra. Graciela Priano,
científicos con vasta experiencia en el desarrollo de sensores
electroquímicos orientados a la detección de las endotoxinas.
¿Cuándo se inició este tema de investigación?
El estudio de los materiales porosos basados en silicio comenzó hace
unos cinco años en el INTEC por iniciativa del Dr.
Roberto Koropecki -investigador del Conicet en el citado instituto-,
con quien hemos trabajado muchos años en el área de los
materiales fotovoltaicos -aquellos que permiten generar energía
eléctrica a partir de la luz solar-. De pronto, nos encontramos
con que podíamos desarrollar material con una enorme potencialidad
para un elevado número de aplicaciones, desde las celdas fotovoltaicas
hasta los biosensores. Luego, decidimos focalizar nuestro esfuerzo hacia
diferentes posibilidades que brindaban este tipo de nuevos materiales,
manteniendo un estado de colaboración permanente.
¿Se
trata de un trabajo científico
experimental?
Así es, lo cual implica llevarlo a cabo en una estrecha cooperación
que permite un uso racional de los recursos con los que contamos. Nuestro
grupo de desarrollo de materiales porosos basados en el silicio cristalino
está integrado por dos investigadores, un becario de posdoctorado
y cuatro estudiantes de doctorado. Uno de ellos, la Lic. en Biotecnología
Liliana Lasave, lleva adelante un tema de tesis referido al desarrollo
de sensores ópticos de moléculas biológicas. Su
tesis es dirigida en colaboración con el antes mencionado grupo
de la UBA.
¿Cómo se vincula esta actividad con el ámbito
académico santafesino?
Todos quienes participamos en este proyecto de investigación
somos docentes de la carrera de Ingeniería en Materiales de la
Facultad de Ingeniería Química, y dictamos materias de
posgrado en diferentes doctorados de la Universidad
Nacional del Litoral.
Además, nuestro grupo siempre ha contado con la participación
de alumnos de grado de las Ingenierías en carácter de pasantes,
con el objetivo de perfeccionar su formación en el área
de materiales y participar en su iniciación como posibles científicos.
¿Realizó alguna estadía
en el exterior?
Mi formación ha estado orientada a la caracterización
de los materiales semiconductores en aspectos relacionados con sus propiedades
electro-ópticas. Con este objetivo hice una extensa estadía
como becario de la Fundación Alexander von Humboldt, en el Instituto
Max Planck de Física del Estado Sólido, sito en la ciudad
de Stuttgart (Alemania), y en el Laboratorio de Materiales Fotovoltaicos
de la Universidad de Oldenburg, en ese mismo país.
(*) Nacido en Helvecia
(Santa Fe), es Licenciado y doctor en Física,
títulos que obtuvo en el Instituto Balseiro (UNCu;
S. C. de Bariloche). Es investigador del CONICET y
docente en la FIQ/UNL,
donde se desempeña
como director alterno de las carreras de Ingeniería
y Licenciatura en Materiales.
(**) Instituto de Desarrollo Tecnológico
para
la Industria Química, sito en Güemes 3450 de la ciudad de Santa
Fe.
Entrevistó: Lic. Enrique A. Rabe (ÁCS/CONICET
Santa Fe).
