SÍNTESIS DE NANOMATERIALES. PROPIEDADES ÓPTICAS Y APLICACIONES

Coordinadoras:
- Dra. Valeria B. Arce
- Dra. Jesica M. J. Santillán

Participantes:
- Fis. María Alejandra Guerrero Vanegas
- Dr. Joaquín Mendoza Herrera
- Lic. Janis G. Rosales Vierma
- Dra. Lucía B. Scaffardi
- Dr. Daniel C. Schinca
- Tec. Martín Truppa

Colaboradores externos:
- Dr. Vincenzo Amendola, Departamento de Ciencias Químicas, Universidad de Padua, Italia.
- Dr. Marcelo Lester, Instituto de Física Arroyo Seco (IFAS), Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires (UNCPBA), Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Provincia de Buenos Aires (CIFICEN), Tandil, Argentina.
- Dr. Daniel Mártire, Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA), La Plata, Argentina.
- Dr. David Muñetón Arboleda, Universidad EAFIT, Medellín, Colombia.
- Dr. Diego Muraca, Instituto de Física “Gleb Wataghin” (IFGW), Universidad Estatal de Campinas (UNICAMP), Campinas, Brasil.

Temas de Investigación:

  • Síntesis de nanomateriales metálicos (metales nobles, transición y aleaciones) y clusters de pocos átomos mediante ablación láser en líquidos (femtosegundos y nanosegundos) y métodos químicos optimizados.
  • Análisis de la función dieléctrica de nanopartículas esféricas y films nanométricos de diferentes metales considerando la dependencia con el tamaño de la contribución de electrones libres y ligados.
  • Estudio, desarrollo y optimización de algoritmos basados en teoría de Mie, DDA y DFT para el modelado de propiedades ópticas y electrónicas de nanopartículas de diferentes geometrías, composiciones y tamaños.
  • Caracterización de propiedades ópticas lineales, morfología, composición y distribución de tamaño mediante espectroscopía de extinción óptica (OES).
  • Implementación de OES y SERS para la detección de contaminantes emergentes y analitos en fase acuosa y gaseosa usando plataformas nanoestructuradas.
  • Estudio de propiedades fotoluminiscentes de clusters metálicos de pocos átomos mediante espectroscopía de fluorescencia.
  • Evaluación de la actividad fotocatalítica de nanomateriales metálicos, clusters y nanocompositos en la degradación de contaminantes orgánicos bajo irradiación UV-visible.

Palabras claves: nanomateriales; ablación láser, SERS.

Reseña Histórica:
En las últimas décadas, el desarrollo de la nanotecnología ha revolucionado numerosas áreas del conocimiento, desde la ciencia de los materiales hasta la biomedicina y la remediación ambiental. En este contexto, la síntesis y caracterización de nanomateriales con propiedades ópticas avanzadas se ha convertido en un campo de creciente relevancia científica y tecnológica. Fue así que, en el año 2009, se puso en operación en el CIOp un láser de femtosegundos que permitió dar los primeros pasos en el país en la síntesis de nanopartículas metálicas mediante ablación láser con pulsos ultracortos. Este hito fue posible gracias al trabajo pionero de la Dra. Lucía B. Scaffardi y el Dr. Daniel C. Schinca, quienes sentaron las bases del Grupo de Síntesis de Nanomateriales. Propiedades Ópticas y Aplicaciones, que hoy continúa su labor en el CIOp.
En el corazón de la nanotecnología moderna, el estudio de los nanomateriales metálicos (metales nobles, de transición y sus aleaciones) y los clusters atómicos ocupa un lugar de vanguardia debido a su capacidad única para interactuar con la radiación electromagnética. Esta interacción está gobernada por la plasmónica, la disciplina que estudia el acoplamiento de la luz con las oscilaciones colectivas de los electrones libres en superficies metálicas, dando origen al fenómeno de resonancia de plasmones superficiales. Esta respuesta plasmónica se rige por la función dieléctrica del material, la cual varía según el tamaño de la partícula y la contribución de sus electrones libres y ligados. Para desentrañar estos fenómenos, la ciencia actual exige un enfoque fuertemente interdisciplinario que combine el modelado predictivo a través de teorías como Mie, DDA y DFT, con técnicas de caracterización espectroscópica avanzadas de extinción y fluorescencia.
En el plano experimental, el gran reto radica en diseñar metodologías de fabricación que garanticen morfologías y distribuciones de tamaño reproducibles. Técnicas de punta como la ablación láser en líquidos (usando regímenes de pulsos ultracortos, femto y nanosegundos) y la optimización de rutas químicas limpias representan la frontera en la síntesis de nanocompositos y clusters fotoluminiscentes.
La convergencia entre la física teórica y la ingeniería de materiales es la que hoy sirve como plataforma de lanzamiento para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas de frontera. Al aprovechar el confinamiento y la amplificación del campo electromagnético que ofrece la plasmónica en la nanoescala, es posible orientar estos sistemas hacia la remediación ambiental mediante fotocatálisis y al monitoreo de analitos y contaminantes emergentes a través de la espectroscopía Raman mejorada por superficie (SERS).
El fruto de este trabajo de investigación se traduce en una vasta producción científica en revistas de alcance internacional, una presencia sostenida en la comunidad académica mediante congresos, y la dirección de tesis doctorales, lo cual ha consolidado al grupo como un referente en la temática a nivel nacional.

 

Dr. David Muñetón con unas nanopartículas magnéticas fabricadas por ablación láser en su pasantia realizada en la Universidad de Padua, Italia

Síntesis de nanopartículas de plata mediante ablación láser de femtosegundos (CIOp)

Dra. Jesica Santillán enfocando el haz del láser de femtosegundos para generar nanopartículas metálicas en medios líquidos (CIOp)

Arreglo experimental para la generación de nanopartículas de cobre a través de ablación láser de nanosegundos (CIOp)

Publicaciones recientes:

  • Santillán, J. M. J., et al. (2025). Nanostructuring of AlCu alloy NPs obtained by FLASiS. ChemPhysChem, 26(13), e202400932. https://doi.org/10.1002/cphc.202400932
  • Muñetón Arboleda, D., et al. (2025). Rhodium nanospheres for ultraviolet and visible plasmonics. Nanoscale Horizons, 10(2), 336–348. https://doi.org/10.1039/D4NH00449C
  • Villa-Pérez, C., et al. (2025). Bridging theory and experiment in Ag nanoplates for SERS substrates. ChemistrySelect, 10(47), e03205. https://doi.org/10.1002/slct.202503205
  • Ortega, F., et al. (2023). Nanocomposite starch films: Cytotoxicity studies and their application as cheese packaging. Food Bioscience, 53, 102562. https://doi.org/10.1016/j.fbio.2023.102562
  • Donadelli, J. A., et al. (2022). Comparison of the (photo)catalytic efficiency of Ag/Fe nanocomposites prepared by polyol synthesis and laser ablation. Journal of Nanopart Res, 24, 58. https://doi.org/10.1007/s11051-022-05446-y
  • Ortega, F., et al. (2022). Starch nanocomposite films: Migration studies of nanoparticles to food simulants and bio-disintegration in soil. Polymers, 14(9), 1636. https://doi.org/10.3390/polym14091636
  • Martínez Porcel, J. E., et al. (2022). Plasmonic silica-gold core-shell nanoparticles: Interaction with organic dyes for light-induced applications. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 431, 114016. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2022.114016
  • Ortega, F., et al. (2021). Nanocomposite starch-based films containing silver nanoparticles synthesized with lemon juice as reducing and stabilizing agent. Carbohydrate Polymers, 252, 117208. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117208
  • Santillán, J. M. J., et al. (2020). Highly fluorescent few atoms silver nanoclusters with strong photocatalytic activity synthesized by ultrashort light pulses. Scientific Reports, 10, 8217. https://doi.org/10.1038/s41598-020-64773-z
  • Santillán, J. M. J., et al. (2020). A simple and “green” technique to synthesize metal nanocolloids by ultrashort light pulses. En M. N. Rashed (Ed.), Colloids: Types, preparation and applications (pp. 1-20). IntechOpen. https://doi.org/10.5772/intechopen.94750
  • Muñetón Arboleda, D., & Ibañez, F. J. (2020). Improved Electrocatalysis and Electrophoretic Deposition due to the Strong Synergy between Au and Ag Nanoparticles. ChemistrySelect, 5(31), 9839–9847. https://doi.org/10.1002/slct.202002616

Publicaciones destacadas:

  • Scaffardi, L. B., et al. (2005). Sizing gold nanoparticles by optical extinction spectroscopy. Nanotechnology, 16(1), 158–163. https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/1/030
  • Scaffardi, L. B., & Tocho, J. O. (2006). Size dependence of refractive index of gold nanoparticles. Nanotechnology, 17(5), 1309–1315. https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/5/024
  • Santillán, J. M. J., et al. (2011). Quantitative optical extinction-based parametric method for sizing single core-shell Ag-Ag2O nanoparticle. J. Phys. D: Appl. Phys., 44(10), 105104. https://doi.org/10.1088/0022-3727/44/10/105104
  • Santillán, J. M. J., et al. (2013). Analysis of the structure, configuration and sizing of Cu and Cu oxide nanoparticles generated by fs laser ablation of solid target in liquids. J. Appl. Phys, 113(13), 134305. https://doi.org/10.1063/1.4798387
  • Muñetón Arboleda, D., et al. (2015). Synthesis of Ni nanoparticles by fs laser ablation in liquids: Structure and sizing. J. Phys. Chem. C, 119(23), 13184–13193. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b03124
  • Muñetón Arboleda, D., et al. (2016). Size-dependent complex dielectric function of Ni, Mo, W, Pb, Zn and Na nanoparticles. Application to sizing. J. Phys. D: Appl. Phys., 49(7), 075302. https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/7/075302
  • Mendoza Herrera, L. J., et al. (2016). Nanoscale dielectric function of Fe, Pt, Ti, Ta, Al and V. Application to characterization of Al nanoparticles synthesized by fs laser ablation. Plasmonics, 12(6), 1813–1824. https://doi.org/10.1007/s11468-016-0449-1
  • Santillán, J. M. J., et al. (2017). Optical and magnetic properties of Fe nanoparticles fabricated by femtosecond laser ablation in organic and inorganic solvents. ChemPhysChem, 18(9), 1192–1209. https://doi.org/10.1002/cphc.201601279
  • Arce, V. B., et al. (2017). Characterization and stability of silver nanoparticles in starch solution obtained by femtosecond laser ablation and salt reduction. J. Phys. Chem. C, 121(19), 10501–10513. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b12384
  • Muñetón Arboleda, D., et al. (2018). A simple and “green” technique to synthesize long-term stability colloidal Ag nanoparticles: fs laser ablation in a biocompatible aqueous medium. Materials Characterization, 140, 320–332. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.04.021
  • Muraca, D., et al. (2019). In situ electron microscopy observation of the redox process in plasmonic heterogeneous-photo-sensitive nanoparticles. Nanoscale Advances, 1(10), 3909–3917. https://doi.org/10.1039/C9NA00469F

Arreglo experimental para medir la señal Raman de nanopartículas core-shell de Ag-Ag2O, sintetizadas mediante ablación láser de femtosegundos (CIOp)

Nanoesferas y nanotriángulos de plata sintetizados por vía química (CIOp)

 

Líneas de investigación: