Un óxido metálico que ha manifestado propiedades interesantes es el óxido cuproso (Cu2O). Un material relativamente barato, el Cu2O es un semiconductor tipo p con brecha energética directa de aproximadamente 2eV. Presenta propiedades fotocatalíticas y fotoelectroquímicas que pueden aprovecharse para la fabricación de fotoelectrodos para celdas de combustible, y propiedades antibacteriales que lo hacen útil en la industria farmacéutica y alimentaria. Existen diversos métodos de síntesis de nanopartículas. Las técnicas químicas de fase líquida -en especial las microemulsiones- ofrecen control sobre el tamaño y la morfología de las nanopartículas ya que es posible variar la cinética de formación y crecimiento de las nanopartículas mediante el control de las propiedades fisicoquímicas de la emulsión. No obstante, los reactivos y los solventes usados en estos procesos químicos suelen ser tóxicos, característica indeseable. Una alternativa propuesta en 1995 por J. Singh (Clark, 1999) consiste en una combinación de técnicas: i) ablación láser y ii) crecimiento en medio líquido. Tradicionalmente, la técnica de ablación láser consiste en "arrancar" fragmentos nanométricos y subnanométricos de un blanco sólido al hacerle incidir luz láser pulsada de alta intensidad en un ambiente de alto vacío. Los fragmentos de material se depositan sobre un sustrato y se aglomeran poco a poco para formar las nanopartículas o, eventualmente, una película delgada. Si este proceso se da en un ambiente líquido, los fragmentos son rápidamente enfriados por el medio líquido y se forman nanopartículas en suspensión. Este método de síntesis d Este método de síntesis de nanopartículas se conoce como ablación láser en medio líquido. La ablación láser en medio líquido representa una alternativa para la producción de nanopartículas de Cu2O de tamaño alrededor de los 10 nm. Se realizarán pruebas de caracterización de composición química, a saber:  Espectroscopía de electrones fotoemitidos por excitación de rayos X (XPS por sus siglas en inglés), técnica que registra las señales de los niveles energéticos internos de los átomos. Esta técnica registra las señales características de cada elemento y es sensible a los corrimientos causados por el ambiente químico, de manera que permite conocer la composición química del material estudiado, así como los estados de oxidación de los elementos presentes.  Espectroscopía de absorción de luz ultravioleta y visible (UV-Vis) en la que se observan los picos de absorción asociados con las transiciones interbanda de los óxidos de cobre así como la señal de resonancia de plasmón de superficie del cobre metálico, datos que corroboran la composición química de las nanodispersiones. Espectroscopía de dispersión de energía por análisis de emisión de rayos X (SEM-EDS/EDX por sus siglas en inglés) que registra de forma cualitativa las señales de los niveles energéticos internos de los átomos presentes en la muestra. Este análisis servirá para corroborar resultados por XPS.  Haremos un modelo que simule la respuesta óptica de las nanapartículas basadon en la excitación de las nanopartículas con un campo electromagnético, usaremos estructuras del tipo núcleo-coraza, núcleo-surfactante.  Estudiaremos la posibilidad de "adornar" un nanotubo de carbono con nanoparticulas metálicas, funcionalizando las nanopartículas en una aplicación de fotocatalizadores.

El proyecto se ha estructurado en dos fases. En la primera, las contribuciones serán poco novedosas, pero necesarias para la instrumentación e implementación eficientes del método de síntesis de nanopartículas por ablación láser en medio líquido–técnica en la que ya hemos obtenido experiencia. En el desarrollo de esta fase, se estudiarán con detalle los efectos de las variables que juegan un papel en el proceso de síntesis, como lo son los parámetros del láser (longitud de onda de la luz láser, duración del pulso de luz, energía del pulso, número de pulsos, tamaño de la mancha, fluencia, etc.) y las condiciones del ambiente (columna del líquido sobre el blanco, típico de líquido, temperatura, ambiente químico, etc.). Para lograrlo, la investigación se concentrará en la producción de nanopartículas a partir de la ablación láser de un blanco de cobre inmerso en medio acuoso. Las nanopartículas así sintetizadas podrán ser de cobre metálico, de óxidos de cobre (óxido cuproso Cu2O u óxido cúprico CuO), o una mezcla de ellos. Las condiciones de síntesis determinarán la morfología y composición química de las nanopartículas obtenidas, de manera que se generará conocimiento y familiaridad con el método y los efectos de los diferentes parámetros. Los objetivos se centrarán principalmente en el control del tamaño de las nanopartículas, la dispersión del tamaño y la homogeneidad en la composición química de las nanopartículas. La segunda fase contará resultados originales no reportados en la literatura. Serán dos las vertientes en las que se trabajará. Una de ellas se enfocará en el estudio de los procesos que toman parte durante la generación de las nanopartículas durante la ablación láser en el medio líquido. La otra se dedicará a la funcionalización de las nanopartículas producidas con vistas a generar aplicaciones, especialmente catalíticas y electroquímicas. Como parte del estudio de los procesos que tienen lugar durante la ablación láser en medio líquido, se hará provecho de la experiencia con que contamos en nuestro laboratorio para el control de películas delgadas crecidas por espurreo iónico mediante el monitoreo espectroscópico del plasma. En este caso, estudiaremos las propiedades del plasma emitido durante la ablación láser en el medio líquido y buscaremos los correlatos con tamaños y composición química. Para ello, contamos ya con la infraestructura para la caracterización óptica de plasmas. Asimismo, se introducirán técnicas de sombreado (shadowgraphy) e interferometría para complementar los datos espectroscópicos. Otra propuesta novedosa consiste en la caracterización in situ de las partículas mediante el monitoreo de los espectrofotogramas de transmisión en longitudes UV y visible de la suspensión coloidal producida durante la ablación. Las posiciones de las señales (picos y hombres) de las curvas de absorción permitirán conocer el estado de oxidación del material, mientras que las intensidades de las señales arrojarán información sobre la concentración de partículas en suspensión, el tamaño de las nanopartículas y la dispersión de los tamaños. Los estudios propuestos permitirán generar conocimiento para entender con mayor detalle los procesos involucrados en la técnica de ablación láser en medio líquido. A partir de este entendimiento, será posible generar propuestas de aplicación tecnológica e industrial. Finalmente, para generar productos de aplicación se buscará la funcionalización de nanopartículas de óxido cuproso (Cu2O) mediante su incorporación en estructuras de carbono como nanotubos y hojas de grafeno. El óxido cuproso es un material con potenciales aplicaciones fotocatalíticas y fotoelectroquímicas. Sin embargo, es fácilmente oxidable al estado 2+ dando lugar a la formación de óxido cúprico (CuO), que carece de las propiedades deseables propias del Cu2O. Para evitar esta degradación, se propone optimizar el tamaño de las nanopartículas (Pike et al., 2006) y funcionalizar las nanopartículas de Cu2O con otras nanoestructuras que promuevan su estabilidad (Tran, 2012; Korzhavyi y Johansson, 2011). Para caracterizar la actividad fotocatalítica y fotoelectroquímica de estas estructuras se trabajará en conjunto con colegas del Departamento de Catálisis del CNyN quienes tienen interés en el estudio de procesos fotocatalíticos y en el diseño de celdas fotoelectroquímicas con vistas en su aplicación para promover la reacción de evolución de hidrógeno. La tecnología con base en materiales fotocatalíticos y fotoelectróquímicos es de interés pues en ella se basan propuestas con impacto ambiental y económico. Por una parte, la actividad fotocatalítica de diferentes materiales puede aplicarse para promover la degradación de contaminantes orgánicos contenidos en desechos industriales, de suerte que sería factible disminuir el impacto nocivo en el medio ambiente. En cuanto a las aplicaciones fotoelectroquímicas, éstas se enfocan en la generación de energía limpia. La actividad fotoelectroquímica de algunos materiales (como el Cu2O) promueven la producción controlada de hidrógeno y oxígeno gaseoso a partir de la ruptura de la molécula del agua. Este fenómeno puede ser aprovechado para el diseño de celdas de combustible.