¿Cuándo y dónde los iones ceden electrones a la materia?

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Los círculos blancos representan los átomos en una red cristalina. Los círculos negros son iones moleculares, que una vez ceden sus sendos electrones, experimentan la Explosión de Coulomb y se distancian rápidamente.

Las técnicas de Haces de Iones, conocidas por sus siglas en inglés IBA (“Ion Beam Analysis”), se emplean rutinariamente en muchas ramas del saber tales como Física, Nanotecnología, Bellas Artes, Medioambiente, Geología o Biomedicina y Biología. En éstas técnicas, iones acelerados son utilizados como sonda para obtener información de una muestra objeto de estudio, al igual que la luz visible constituye la sonda en un microscopio óptico. Los haces de iones también se utilizan como elemento modificador de las propiedades de muchos materiales, tales como semiconductores, fibras ópticas o sistemas multicapas.

Aunque técnicas maduras, el número y diversidad de sus aplicaciones continúa aumentando. Sin embargo, aún persiste una importante carencia de conocimientos en muchos aspectos fundamentales. Uno de estos aspectos, son los momentos iniciales de la interacción del ión con un sólido, en particular el despojamiento de los electrones del ión por parte de las primeras capas atómicas del blanco.

Este no es un problema nuevo. En 1948, Bohr propuso el criterio que daba las condiciones bajo las cuales el proyectil cedería electrones al blanco, básicamente, que la velocidad orbital del electrón fuese menor que la velocidad del ión. Desde entonces se asume que la cesión de electrones tiene lugar en la superficie del sólido, pero no existe información sobre los detalles del proceso o el rol jugado por la estructura del blanco. Existe el consenso de que al entrar en el blanco, los iones experimentan una rápida pérdida de electrones, pero el problema de dónde y cómo ocurre esta pérdida, continúa abierto. En la literatura científica, este hecho es obviado y sencillamente se menciona que el proceso ocurre “después de atravesar una cuantas capas atómicas” o “en muy poco tiempo, << 10-15 s (o una milmillonésima de segundo)”.

El grupo de investigación del Prof. David Martín y Marero (UAM y PCM), la Dra. Nuria Gordillo (UAM y PCM) y la Prof. Raquel
González-Arrabal del IMM (CSIC), han desarrollado un método que arroja luz sobre estos instantes iniciales. Utilizando el acelerador de iones del Centro de Microanálisis de Materiales (CMAM), emplearon iones moleculares en vez de atómicos. Los iones moleculares están constituidos por varios átomos y por lo tanto, al perder electrones en la muestra, se generan fuerzas repulsivas entre los constituyentes de la molécula, los cuales se distancian rápidamente. Éste fenómeno, se denomina Explosión de Coulomb.

El método ha permitido conocer por primera vez el número promedio de electrones que los iones van cediendo a los átomos de la red cristalina y a partir de allí dónde y cuándo ocurre esa cesión. Los resultados, publicados en Physical Review B, demuestran que la cesión de electrones ocurre de forma ordenada y que el número cedido depende de un parámetro característico del material.

El acelerador del CMAM constituye una herramienta única para áreas como las mencionadas más arriba, encontrándose disponible a investigadores académicos y empresas públicas o privadas. Para mayor información sobre el acelerador, contacte con el Director Científico de la Unidad de Microanálisis de Materiales del PCM (David.MartinyMarero"arroba"uam.es), el cual discutirá la idoneidad del acelerador para su problema concreto.