El Laboratorio Nacional Argonne, perteneciente al Departamento de Energía de los Estados Unidos, se ha convertido en un centro de referencia internacional en el ámbito del desarrollo de la nanociencia contemporánea y de la ingeniería de los materiales de nueva generación. Los científicos de la institución están desarrollando componentes fabricados de manera personalizada, los cuales pueden realizar importantes descubrimientos en los campos de la electrónica, el almacenamiento de la energía, la catálisis y la medicina de vanguardia. Al analizar la materia a las dimensiones de un micrómetro, mucho menor que una décima de pulgada, las propiedades físicas y químicas cambian de forma extraordinaria.
Infraestructura de última tecnología para llevar a cabo la manipulación atómica
La habilidad del laboratorio para obtener estructuras átomo a átomo depende de una infraestructura de tecnología única en su género, centrada sobre todo en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) y en la Fuente Avanzada de Fotones (APS). La APS, inaugurada a mediados de los años noventa y que fue sometida a una renovación completa que acabó en 2006 (y que se alza en la actualidad como la fuente de rayos X de sincrotrón más brillante del mundo), ha aumentado la luminosidad de sus haces en quinientas veces.
Este enorme progreso técnico permite conseguir imágenes muy precisas de las estructuras atómicas y seguir la formación de defectos en tiempo real mientras los compuestos son sometidos a diversos tipos de estrés ambiental. El CNM, lanzado en el 2007, es el motor de precisión del laboratorio y está dotado de microscopios electrónicos de última generación, sondas y herramientas de fabricación sofisticadas. Ambas plantas funcionan como un circuito científico: las salas protegidas del CNM proveen un entorno libre de contaminantes para poder ensamblar los componentes de precisión a medida, que son analizados utilizando la Nanosonda de Rayos X Duros y el APS.
Nuevos materiales bidimensionales y tecnologías cuánticas
En la frontera de los componentes electrónicos del futuro, los expertos de Argonne están creando semiconductores ultradelgados y materiales bidimensionales que únicamente consisten en unas pocas capas de átomos. Uno de los hitos fundacionales del laboratorio fue la primera síntesis exitosa de borofeno, tal como se denomina a una forma metálica del boro que tiene un grosor de un único átomo y que tiene características físicas fuera del rendimiento que se puede conseguir en forma de elementos masivos.
Estos compuestos, al igual que el grafeno, superan fácilmente la resistencia del acero convencional y son capaces de conducir con una eficacia extraordinaria, siendo una de las consecuencias de estos tipos de materiales los sensores ultrasensibles y los transistores de altísima velocidad. La tendencia analítica se capta de igual manera en el ámbito muy prometedor de los sistemas cuánticos en los que los ingenieros están perfeccionando materiales que sean lo suficientemente sensibles como para poder detectar campos magnéticos de átomos individuales.
Avances en almacenamiento de energía y análisis en tiempo real
El impacto de la manipulación atómica resulta especialmente crítico para abordar el aumento de la demanda de sistemas de almacenamiento energético de alta densidad y rendimiento. Los investigadores están elucidando el comportamiento microscópico de los componentes avanzados de las baterías, dirigiendo su atención al desarrollo de óxidos en capas con muy alto contenido de níquel para los cátodos y ánodos basados en silicio.
Estas ambiciosas innovaciones estructurales están configuradas para maximizar drásticamente la capacidad de retención de energía y, al mismo tiempo, elevar sustancialmente los estándares de seguridad de las celdas eléctricas. Para comprender exactamente cómo aparecen y evolucionan las fallas ocultas que contienen estos materiales en capas, el laboratorio hace uso de su potente set de 72 líneas de luz en el APS.
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