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El equipo, formado por investigadoras e investigadores del Instituto de Óptica (IO-CSIC), la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Carlos III de Madrid y la universidad KU Leuven ha desarrollado un nuevo método de dos pasos para producir dichas superficies de ZnO. El proceso implica la irradiación de láminas de zinc metálico con pulsos láser de femosegundos a alta tasa de repetición, seguida de un tratamiento térmico a baja temperatura (380°C) en atmósfera de argón. Este método da como resultado estructuras LIPSS (estructuras periódicas inducidas por láser) recubiertas de nanohilos de ZnO y columnas cubiertas por una capa de ZnO relativamente gruesa, lo que aumenta sustancialmente el área superficial del material en contacto con el contaminante y así su eficacia.

El mecanismo de crecimiento del ZnO durante el tratamiento térmico está determinado por las condiciones previas del procesamiento con láser. El equipo ha estudiado los diferentes mecanismos de crecimiento con los diferentes grosores del ZnO inducido por la primera fase de irradiación láser: crecimiento de nanohilos mediante un mecanismo vapor-líquido-sólido para capas muy finas de óxido inicial, formación de aglomerados de ZnO mediante un mecanismo vapor-sólido para espesores de óxido intermedios e inhibición completa del crecimiento de nanoestructuras de ZnO si la capa de óxido inicial inducida por el procesamiento con láser es demasiado gruesa.

En la fotocatálisis, una de sus aplicaciones más importantes, el ZnO se utiliza para degradar contaminantes orgánicos persistentes (COP) en el agua. Estos contaminantes son resistentes a la degradación ambiental y no se pueden eliminar completamente a través de los procesos actuales de tratamiento de agua.
Para eliminar estos contaminantes, la estructura de ZnO absorbe fotones que son utilizados por los electrones para ganar altas energías, lo que les permite oxidar las moléculas de contaminantes orgánicos dando a lugar dióxido de carbono, agua y otros subproductos inorgánicos.

El proceso de dos pasos para producir superficies de ZnO

Para producir superficies de ZnO micro y nanoestructuradas, los investigadores utilizaron un proceso de dos pasos. Primero, irradiaron láminas de zinc metálico con pulsos láser de femtosegundos a altas tasas de repetición (100-500 kHz) y velocidades de escaneo rápidas (cm/s) en el aire a presión atmosférica. Este proceso de estructuración láser tiene dos propósitos principales: modificar la morfología de la superficie para aumentar su área superficial específica y oxidar la superficie para facilitar el crecimiento posterior de micro y nanoestructuras de ZnO durante el tratamiento térmico. Después de la irradiación láser, las láminas se trataron térmicamente en un flujo de argón a 380°C durante 5 horas. Este tratamiento térmico se realizó para fomentar el crecimiento espacialmente selectivo de micro y nanoestructuras de ZnO. Después del crecimiento del ZnO, el equipo analizó la forma, la composición, la estructura cristalina y las propiedades luminiscentes del material en diferentes etapas del proceso. Este análisis les permitió determinar el papel de los diferentes parámetros de procesamiento (irradiación láser y tratamiento térmico) en las propiedades del ZnO resultante.

Artículo: R. Ariza, A. Urbieta, A. Ferreiro, M.E. Rabanal, P. Fernández, J. Solis. “Selective growth of ZnO micro- and nano-structures on fs-laser processed metallic Zn substrates for large area applications”. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1010, 5 January 2025, 177797

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