Nanociencia molecular

Fundamentos

Desde la reunión del Patronato de IMDEA-Nanociencia el pasado mes de diciembre, el Instituto ha realizado múltiples actividades todas ellas encaminadas a situar el Instituto en el futuro mapa de centros pioneros en Nanociencia a nivel internacional.

IMDEA-Nanociencia ha iniciado su actividad en 6 Programas de Investigación y un Programa Horizontal, todos elegidos tanto en base a su potencial interés como a las condiciones y limitaciones existentes.

Programa 1. Nanociencia molecular

Diseño y Síntesis de Nanoestructuras Moleculares y Nanomateriales. IMDEA Nanociencia enfatiza su investigación en la funcionalización de nanoformas de carbono, de compuestos organometálicos y de asociaciones supramoleculares con el objetivo de explorar tanto sus intrigantes propiedades físicas, electroquímicas y fotofísicas, como sus aplicaciones. Esta funcionalización determina la capacidad para formar sistemas complejos mediante enlaces covalentes o por interacciones supramoleculare y determina la nanomorfología del material y sus propiedades.

Auto-organización atómica y molecular en superficies y Espectroscopia en sistemas moleculares. IMDEA-Nanociencia ha focalizado esta línea de investigación en el estudio del comportamiento de moléculas individuales para así poder entender las fuerzas y los mecanismos atómicos de auto-asociación implicados en la formación de monocapas, y de materiales orgánicos porosos. Las espectroscopias visible-ultravioleta e infrarroja, incluyendo estudios de resolución en tiempo, resultan esenciales para caracterizar los sistemas moleculares. La espectroscopia de moléculas individuales facilita el estudio del entorno atómico de la molécula.

Programa 2. Microscopías de proximidad y superficies

Microscopias Avanzadas y Espectroscopias Locales. Si en algún momento se prepara un dispositivo nanoelectrónico basado en moléculas, sin duda se hará sobre una superficie. Cabe esperar que el carácter del sustrato tenga una fuerte influencia sobre las propiedades electrónicas de las moléculas depositadas. Se puede desplazar la punta del microscopio STM sobre diferentes zonas de la molécula y de esta forma medir la distribución espacial y de energía de los estados electrónicos tanto ocupados como desocupados.

Espectroscopía Inelástica en Superficies. En ciencia de superficies tradicional, las vibraciones moleculares han sido usadas como huellas digitales químicas para la identificación de las moléculas. Sin embargo, si se trata de construir sistemas complejos mediante manipulación de moléculas individuales, se hace necesario desarrollar un método de identificación de moléculas individuales. Esto es lo que hace la espectroscopía vibracional de moléculas individuales usando STM, uno de los avances experimentales más reciente. Sin embargo, para la identificación de las moléculas se necesita la combinación de datos experimentales y simulaciones teóricas. La espectroscopía vibracional de moléculas individuales resulta ser un instrumento muy adecuado para manipularlas activando vibraciones específicas. De esta forma pueden estudiarse diferentes estados de excitación tales como fonones, magnones o plasmones. Esta línea será puesta en marcha con un nuevo laboratorio dotado con un nuevo equipo 4K STM.

Programa 3. Nanomagnetismo

Nanomateriales magnéticos. El trabajo en el Instituto IMDEA-Nanociencia se centra en la preparación de nanomateriales magnéticos avanzados con nuevas propiedades, en el conocimiento de la naturaleza de la estructura de dominio en los nanosistemas magnéticos o en la interacción de corrientes de spin con las estructuras y las paredes de dominio. Se dispone de Técnicas de Spin- Polarizado STM y diferentes magnetometrías.

Aplicaciones biomédicas. La preparación de nanoparticulas magnéticas con actividad biológica resulta del máximo interés para el desarrollo de biosensores que van a permitir disponer de dispositivos ultrasensibles y más rápidos de diagnóstico por imagen de RMN, de transportadores magnéticos in vivo para dirigir los fármacos hacia dianas específicas dentro del organismo para el tratamiento del cáncer con calor (hipertermia).

Programa 4. Nanobiosistemas: biomáquinas y manipulación de macromoléculas

Análisis de Moléculas Individuales en Agregados Moleculares. Una gran parte de las proteínas involucradas en el procesamiento y empaquetamiento de DNA (esto último in bacteriófagos) son en realidad máquinas moleculares que realizan un trabajo mecánico mediante un gasto de energía química. Resulta de interés abordar el estudio de moléculas individuales de estos complejos macromoleculares bajo diferentes condiciones ambientales empleando microscopía de fuerzas atómicas (con tratamiento estático y dinámico de la imagen), el análisis de espectroscopia de fuerzas y la manipulación de las macromoléculas y sus agregados, el estudio de las propiedades nanomecánicas de dichos agregados biológicos, así como el estudio de las propiedades mecano-químicas de las biomoléculas mediante aproximaciones basadas en pinzas ópticas.

Organización de Agregados Moleculares en Sustratos Definidos. Las membranas biológicas, el proceso de plegamiento de proteínas, y de ensamblaje de virus, el citoesqueleto bacteriano, o la estructura de ADN son ejemplos de autoorganización de sistemas biológicos, con funciones y propiedades altamente especializadas. Resulta de interés estudiar las superficies orgánicas como sustratos potenciales para la incorporación orden nada de macromoléculas, analizar las membranas lipídicas como estructuras nanoscópicas, o las membranas biológicas como sustratos potenciales para la incorporación ordenada de macromoléculas y la incorporación de macromoléculas y asociaciones biológicas a sustratos definidos.

Programa 5. Nanoelectrónica y superconductividad

Transporte Eléctrico en Nanosistemas. La multidisciplinaridad fomentada en el Instituto IMDEA-Nanociencia queda reflejada en esta línea de trabajo centrada en la investigación de dispositivos semiconductores basados en nanoestructuras de grafeno como alternativa a los tradicionales de silicio y el transporte a través de moléculas individuales. Se aúnan la síntesis química para ajustar estructura molecular y funcionalidad, la variación sistemática de condiciones experimentales de temperatura y vacío y los cálculos teóricos.

Nanoestructuras Superconductoras. Los superconductores mesoscópicos fabricados como superredes, nanohilos y nanopuntos resultan de gran interés para el Instituto IMDEANanociencia. El confinamiento y los fenómenos de proximidad entre superconductores y conductores, materiales magnéticos, o semiconductores afectan de modo importante la superconductividad de los sistemas nanoscópicos y, por tanto, resultan ser poderoso instrumento para cambiar y diseñar nuevas propiedades de los materiales.

Programa 6. Nanoestructuras semiconductoras y nanofotónica

Nanoestructuras. Semiconductoras para Información Cuántica. Los materiales semiconductores presentan muchas ventajas para ser empleados para el almacenamiento y manipulación de la información cuántica. Frente a otras alternativas las ventajas de las estructuras semiconductoras son: la capacidad para trabajar en la escala de tiempo de los subnanosegundos que permite realizar repeticiones ultra-rápidas, las tecnologías de fabricación actuales ya permiten empaquetar un gran número de componentes y por último la inyección electrónica que permite la interconexión con dispositivos basados en las propiedades de transporte.

Nanofotónica. La nanofotónica tiene que ver con fenómenos de la radiación o la materia confinados en las dimensione submicrometrícas. Este es un campo de investigación de ciencia básica que puede llegar a deparar un premio Nobel y, al mismo tiempo, permitir el desarrollo de una industria multimillonaria de aplicaciones para telecomunicaciones, de sistemas de almacenamiento de datos, o para el tratamiento de materiales. Los materiales nanoestructurados presentan fascinantes respuestas ópticas y la nano-óptica ya ha dado muchas sorpresas, como la transmisión óptica extraordinaria (EOT), superlensing, la magnetorresistencia gigante, el atrapamiento óptico, o la formación de imágenes con resolución superior al límite de difracción.

Programa horizontal de nanofabrication e instrumentacion avanzada.

Algunas de las líneas de investigación mencionadas requieren el desarrollo de instrumentación específica y avanzada, e implican trabajar a muy bajas temperaturas y campo magnético muy alto. Es fundamental para las actividades de Instituto disponer de técnicas de preparación y caracterización de muestras, así como de técnicas de fabricación, moldeado y procesado a nanoescala: epitaxia por haces moleculares (MBE), deposición química de vapor (CVD), deposición con pulsos láser (PLD), y nanolitografía mediante haz de iones focalizados (FIB) y por haz de electrones (EBL).

http://www.nanociencia.imdea.org/Investigacion/Fundamentos/tabid/1217/Default.aspx
Hécto A. Chacón C.