Un nanoporo es, esencialmente, un hueco microscópico en un material sólido. Aunque invisible al ojo humano, su estudio es crucial porque sus propiedades podrían ser aprovechadas para mejorar tecnologías que usamos a diario, como baterías más duraderas o dispositivos electrónicos más eficientes. Con este fin trabaja un equipo de investigación experimental del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS), dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y el Departamento de Física Aplicada I de la Universidad de Sevilla, que ha logrado encapsular helio en estas estructuras diminutas, comprobando cómo se modifican sus propiedades físicas y químicas para permitir el diseño de materiales con características únicas.

Los investigadores andaluces en la sala del microscopio electrónico utilizado para hacer las medidas experimentales del artículo.

En el estudio, cuyos resultados se publicaron en la revista Applied Surface Science, los científicos confinaron helio en láminas de silicio amorfo, un material que combina facilidad de fabricación, flexibilidad estructural y compatibilidad con tecnologías avanzadas. Además, el uso de este gas representa un avance significativo respecto a métodos anteriores que empleaban argón. Aunque también se trata de un gas noble, el argón apenas se acumula en la lámina, mientras que los nanoporos de helio ofrecen alta densidad y presión interna del gas atrapado.

El control de estas microestructuras no solo abre nuevas líneas de investigación, sino que también plantea un gran potencial para aplicaciones industriales y científicas en el ámbito de la energía nuclear, la catálisis o la fabricación de dispositivos ópticos. “Comprobamos que estas estructuras a escala nanoscópica presentan características similares a las observadas en materiales fabricados mediante tecnologías de implantación más costosas, por lo que podría facilitar la aplicabilidad de manera más versátil y económica”, señala a la Fundación Descubre la investigadora del ICMS Asunción Fernández, coautora del estudio.

Ciencia colaborativa: la clave del éxito

El primer paso de la investigación fue el desarrollo de las láminas ultrafinas de silicio amorfo en el laboratorio. Para ello, recurrieron a la pulverización catódica, una técnica que consiste en transformar un material sólido en vapor y luego depositarlo sobre una superficie. De esta forma, se crean poros diminutos que llenaron con helio, garantizando que el gas se distribuya de manera uniforme y controlada por toda la estructura.

A continuación, utilizando herramientas avanzadas como la microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopía de pérdida de energía de electrones, obtuvieron imágenes detalladas de los nanoporos y consiguieron determinar con precisión parámetros como la densidad y la presión del helio confinado. Pero este trabajo no se quedó en la experimentación.

De hecho, destaca por el enfoque multidisciplinar, gracias a la colaboración con investigadores teóricos internacionales de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y la Old Dominion (Estados Unidos).

En el estudio fue fundamental la aportación de investigadores internacionales de la Universidad de Cambridge (izq. y centro) y la Universidad Old Dominion (dcha.)

Su aportación fue fundamental para predecir cómo cambia el desplazamiento de la señal del helio, observado en las medidas espectroscópicas, en función de la densidad del gas dentro de los poros, comparándolo con los valores conocidos para helio en fases condensadas o encapsulado en burbujas en otros materiales. “Así se obtuvieron valores cuantitativos fiables de su densidad y presión, logro que no era posible con métodos experimentales aislados”, destaca Bertrand Lacroix, coautor del estudio.

Del laboratorio a la industria

Aunque el estudio tiene un enfoque científico, su impacto potencial va mucho más allá del laboratorio.
Estas son algunas de las aplicaciones más prometedoras:

• Óptica avanzada: Modificar la porosidad de los materiales permite ajustar propiedades como el índice de refracción, algo esencial para diseñar lentes y filtros ópticos más eficientes. Además, las láminas desarrolladas podrían usarse como revestimientos antirreflectantes, mejorando la transmisión de luz en dispositivos como paneles solares.
• Catálisis química: Las estructuras nanoporosas mejoran los procesos de combustión catalítica de hidrógeno, maximizando la eficiencia, la estabilidad y la seguridad. Esto no solo permite incrementar su potencial como fuente de energía limpia, sino que también facilita el desarrollo de nuevas tecnologías sostenibles basadas en su aplicación como medio de transporte y almacenamiento de energía.
• Energía nuclear y astrofísica: El novedoso material ya se ha puesto a prueba en el centro canadiense de aceleración de partículas TRIUMF y en el Laboratorio Nacional de Legnaro (LNL), dependiente del Instituto Nacional de Física Nuclear en Italia. “En comparación con las cámaras o sistemas criogenizados más complejos, nuestras láminas facilitan las medidas y el análisis de datos. Permiten almacenar helio en cantidades extremadamente altas, del orden de decenas de átomos por nanómetro cúbico”, indica la investigadora del ICMSE.

Una solución eficiente y accesible

Precisamente ese es uno de los mayores logros del estudio, eliminar la necesidad de tecnologías complejas y costosas como la criogenia o los dispositivos de alta presión. Tradicionalmente, confinar gases como el helio requiere mantenerlos a temperaturas extremadamente bajas o someterlos a presiones elevadas, lo que implica gran gasto energético y un equipamiento sofisticado.

Los nanoporos llenos de helio podrían mejorar la precisión y eficiencia de sensores ópticos en dispositivos tan cotidianos como el ratón de un ordenador.

Por contra, encapsularlo en nanoporos simplifica radicalmente el proceso. “En estas estructuras hemos conseguido estabilizar y manejar el gas a temperatura ambiente, lo que abre el camino para crear materiales y usarlos en aplicaciones prácticas, sin necesidad de dispositivos complejos”, destaca Fernández.

El camino por recorrer aún es largo, pero estas diminutas cavidades repletas de helio son un recordatorio de que, en la ciencia de materiales, lo más pequeño puede ser también lo más transformador.

Más información en #CienciaDirecta: Descubren el potencial de confinar helio a escala nanoscópica para mejorar aplicaciones tecnológicas