En este articulo pretendemos poner en valor la labor que realizan los centros y unidades españoles que reciben la prestigiosa acreditación Centro de Excelencia Severo Ochoa y dar a conocer algunos de sus proyectos más destacados y de repercusión social. En este caso, presentamos el INSTITUTO MADRILEÑO DE ESTUDIOS AVANZADOS - IMDEA NANOCIENCIA.

El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro interdisciplinar de investigación dedicado a la exploración de la nanociencia y al desarrollo de aplicaciones de nanotecnología en conexión con otras instituciones de investigación e industrias innovadoras. El instituto está dotado de 44 laboratorios donde expertos en Física, Química y Biología realizan experimentos punteros en la frontera del conocimiento. El instituto está situado en el Campus de Cantoblanco de la Universidad Autónoma de Madrid y forma parte de una de las líneas estratégicas del Campus de Excelencia Internacional UAM+CSIC. IMDEA Nanociencia ha sido galardonado dos veces con el sello de Excelencia Severo Ochoa, en 2017 y en 2021, máximo reconocimiento a la excelencia a nivel nacional, otorgado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades.

Proyectos destacados

La escala de tiempo definitiva en la optoelectrónica orgánica molecular: el attosegundo

Foto 1. Laboratorio IMDEA

El proyecto de investigación ‘TomATTO’ tiene como objetivo capturar la dinámica electrónica ultrarrápida para mejorar la eficiencia de conversión de energía solar. La generación de corrientes eléctricas que alimenten las actividades humanas de manera limpia y sostenible es una prioridad para la humanidad. En este sentido, comprender las complejidades de los procesos de transferencia de electrones inducidos por luz —es decir, los procesos fotovoltaicos— en materiales orgánicos es fundamental para mejorar la eficiencia de la conversión de energía en los dispositivos de captura de energía solar. Dado que las primeras etapas de estos procesos ocurren en escalas de tiempo ultrarrápidas, en la escala de attosegundos, su acceso es todo un desafío técnico.

El proyecto ‘TomATTO’ tiene previsto profundizar en este problema mediante los avances en la ciencia de los attosegundos y la síntesis orgánica, así como el apoyo a la modelización computacional, y se lleva a cabo a través de la colaboración de tres grupos punteros de investigación, liderados por el Prof. Mauro Nisoli (Instituto Politécnico de Milán), el Prof. Nazario Martín (Universidad Complutense de Madrid), y el Prof. Fernando Martín (IMDEA Nanociencia/UAM).

El proyecto ‘TomATTO’, coordinado desde IMDEA Nanociencia, recibe financiación de la Unión Europea a través del Consejo Europeo de Investigación (acuerdo de subvención nº 951224), en total cerca de 12 millones de euros para 6 años.

Un velcro molecular para la próxima generación de heteroestructuras 2D-2D covalentes

Foto 2. Investigadores de IMDEA en el laboratorio.

Las estructuras 2D son materiales en capas atómicamente delgadas, de unos pocos átomos de espesor, que se pueden apilar para construir heteroestructuras funcionales. En tales estructuras construidas por deposición atómica, las capas 2D están débilmente unidas por las interacciones de ‘van der Waals’ y se pueden desmontar al someterse a algunos disolventes o procesos térmicos. Un equipo de investigadores liderado por Emilio M. Pérez y Enrique Burzurí en IMDEA Nanociencia y la Universidad Autónoma de Madrid, respectivamente, han conectado por primera covalentemente vez capas de materiales 2D: MoS2 y grafeno. El equipo ha utilizado las herramientas de la química sintética para “coser” varios copos de MoS2 a dispositivos de grafeno de una sola capa, utilizando un “velcro molecular”: una molécula bifuncional con dos puntos de anclaje covalente.

El grupo construyó transistores de efecto de campo (FET) para probar las propiedades eléctricas de la estructura. Encontraron una modificación en la característica de voltaje de puerta, con un cambio del cono de Dirac hacia voltajes positivos y una reducción de la corriente al mínimo. Esta supresión de corriente en el grafeno se asocia inequívocamente a la interrupción de la hibridación sp2 en sp3 debido a la formación de enlaces covalentes. Un experimento de control con MoS2 prístino suspendido sobre grafeno no mostró cambios significativos en la intensidad de la banda D. Curiosamente, la movilidad del portador de carga se conserva después de la funcionalización y la formación de enlaces covalentes entre MoS2 y el grafeno, siendo el grado de dopaje de grafeno controlable a través del grado de funcionalización.

Los resultados muestran el poder del enfoque químico para construir heteroestructuras de grafeno MoS2 más allá de van der Waals, preservando la movilidad portadora del grafeno con miras hacia dispositivos FET de alto rendimiento. La conexión covalente vertical aporta un impulso adicional a las propiedades finales de los nanodispositivos más allá de las propiedades intrínsecas de los materiales.

Mezclando rayos-X: el futuro de la ciencia ultrarrápida.

Foto 3. Parte del equipo de IMDEA en su sede.

IMDEA Nanociencia ampliará los límites del conocimiento del campo de la ciencia de los rayos X con una nueva colaboración con la instalación europea XFEL (EuXFEL) en el proyecto a largo plazo "Dinámica de fenómenos a nanoescala en sólidos y líquidos estudiados con rejillas transitorias de rayos X" liderado por el Dr. Svetina. Este proyecto realizará hasta 8 experimentos en las instalaciones de EuXFEL durante 3 años en un consorcio, compuesto por 44 científicos de 7 países (Italia, Alemania, Suiza, Suecia, Polonia, Estados Unidos y España).

Básicamente, los pulsos de rayos X (con alta energía de fotones, por lo tanto, longitudes de onda muy cortas), generados en los láseres de electrones libres, se mezclan en una muestra y, como consecuencia, se genera un nuevo pulso: la señal. Al igual que en una buena receta, el resultado es mucho más que la suma de los ingredientes individuales, por lo que la señal lleva toda la información necesaria para comprender cómo se comporta el material. La extensión de esta clase de experimentos no lineales, aplicados rutinariamente con láseres ópticos, en el dominio de los rayos X significaría poder acceder a información sobre los procesos de transporte, la propagación de electrones entre diferentes sitios atómicos y la interacción de los grados de libertad con resolución subnanométrica y ultrarrápida con la especificidad química y de los elementos.

Todavía hay muchas preguntas fundamentales sin respuesta que instan a la comprensión para desarrollar la próxima generación de nanotecnologías verdes. Un ejemplo que afecta al día a día es la gestión térmica a escala micro-nanométrica: a gran escala el calor se propaga en ondas, pero a nanoescala rebota como bolas de billar sobre una mesa (el llamado régimen balístico) y la predicción de cómo se disipará no es baladí. Ser capaces de entender y controlar el transporte de calor en semiconductores a estas escalas nos permitiría reducir sustancialmente las pérdidas de energía de los dispositivos electrónicos, aliviando así el problema de la disipación de calor e impulsando la realización de elementos electrónicos más compactos y eficientes.

El futuro de los imanes permanentes libres de tierras raras, en colaboración con Bosch

En 2022, el Grupo de Imanes Permanentes de IMDEA Nanociencia ha puesto en marcha un nuevo proyecto de 3 años financiado por Bosch Research (Alemania - Robert Bosch GmbH), centrado en el desarrollo sostenible de nuevos imanes permanentes producidos en Europa, para satisfacer las necesidades futuras del sector del vehículo eléctrico. La transición a la electrificación ya está en marcha y Bosch es líder en el campo. Los accionamientos eléctricos están en el corazón de muchas de sus categorías de productos, que van desde máquinas eléctricas para e-vehículos y bicicletas eléctricas hasta herramientas domésticas. Este proyecto les está ayudando a abordar uno de los retos importantes en la optimización de los accionamientos eléctricos: hacerlos más eficientes y sostenibles.

Esta iniciativa se enmarca en uno de los nuevos programas de investigación del proyecto Excelencia Severo Ochoa "Nanotecnología para Materias Primas Críticas y Sostenibilidad. Esta iniciativa se suma a muchas otras en las que IMDEA Nanociencia, a través de su Programa de Nanotecnología para Materias Primas Críticas y Sostenibilidad, trabaja conjuntamente con más de una veintena de empresas europeas en el marco de proyectos nacionales e internacionales. Estas acciones abarcan, desde el procesamiento de óxidos de tierras raras procedentes de yacimientos mineros, hasta la fabricación de imanes permanentes a partir de estos materiales procesados y de imanes permanentes reciclados.