Nos hablaron en una asignatura de un material nanoestructurado que me llamó mucho la atención porque una de sus propiedades es que explota al inferirle una pequeña presión mecánica o induciéndole un voltaje con una pila básica, resultando un nanodetonador que se ha pensado para uso en air-bag de vehículos, para detección de contaminantes en agua y para pequeños sistemas de propulsión.
El silicio poroso se obtiene por anodizado electroquímico de una oblea de Si monocristalino, y básicamente lo que le ocurre es que queda lleno de "agujeritos" al ser atacado por un electrolito, en este caso ácido fluorhídrico. Con un tamaño promedio de los poros de 50 nm y dependiendo de las condiciones experimentales, del dopado (átomos de otro elemento en el material), de la densidad del material masivo, de la concentración de electrolito, de la densidad de corriente, del voltaje y la temperatura pueden obtenerse distintas escalas y características de la estructura porosa, y según el tamaño de los poros mostrara propiedades morfológicas, electrónicas y ópticas singulares:Así el silicio se clasifica según el tamaño del poro, en microporoso, que tiene poros del orden de 1 a 10 nm que son ópticamente activos, el silicio mesoporoso, con poros del orden de 100 nm y posee alta reactividad de superficie, y el silicio macroporoso con poros de alrededor de 1 μm y cuyo uso está orientado a micromachines, y material fotónico.

[1] Imágenes SEM mostrando el rango de diámetros del poro.

El silicio poroso (SP) fue descubierto por casualidad en los años 50 por Arthur Ulhir en el Bell Labs mientras se buscaba un método electroquímico para maquinar silicio y donde no le dieron demasiada importancia al principio ya que simplemente se realizó un informe interno pues interpretaron la coloración marrón/negra de la superficie como una precipitación de las especies de disolución, hasta que en los años 90 Leigh Canham observó que el SP emitía luz visible a temperatura ambiente. Este descubrimiento supuso reiniciar su interés aunque a mediados de los 90, dada la baja eficiencia de electroluminiscencia del material se perdió un poco el interés en esta propiedad pero se despertó en otras propiedades características del material. De hecho, Canham ha patentado un dispositivo relacionado con la gran superficie interior del SP, usándolo como dispensador o vector de medicamentos para tratar el cáncer, por su propiedad de poseer la superficie exterior pequeña y muy localizada en comparación con la interior y además a diferencia del silicio sin poros el SP muestra alta biocompatibilidad.

 Fotoluminiscencia de una [2] muestra de silicio nanoporoso.

Por tanto el silicio poroso exhibe electroluminiscencia en un rango de longitudes de onda desde el Infrarrojo cercano al visible (azul) donde la longitud de onda depende del grosor de los poros y del estado químico de sus superficies, y también exhibe fotoluminiscencia es decir, emisión de luz bajo iluminación.
Con todo esto y además: la luminiscencia a temperatura ambiente; su gran superficie específica (puede superar los 500m2/g) que le dota de gran reactividad química; la capacidad de conseguir distintas propiedades según las distintas condiciones de preparación, y por tanto el tamaño de los poros; un proceso de producción simple; y su biocompatibilidad, se proyectan una serie de aplicaciones potenciales y efectivas además de las antes mencionadas, como son: sensores de gas, biosensores para diagnosis médica basados en las propiedades ópticas y de transporte, cristales fotónicos, celulas solares, filtros, microcavidades ópticas, redes de difracción, biocápsulas, implantes de hueso, retinas sintéticas, generación acústica térmicamente estimulada, microceldas de combustibles, MEMs, MOEMs, NEMs, reflector de Bragg y detonadores, como ya se ha mencionado.
En el 2001 un equipo de científicos del Technical University of Munich descubrieron sin darse cuenta que el SP hidrogenado explota al reaccionar con el oxígeno en presencia de temperaturas criogénicas, emitiendo tanta energía como el TNT y mucho más rápidamente. La explosión ocurre porque el oxígeno, que a esas temperaturas está necesariamente en estado líquido, es capaz de oxidar extremadamente rápido a través de la estructura molecular porosa del silicio causando un rápido y eficiente deterioro. Por el hecho de la necesidad de esas temperaturas tan bajas este dispositivo tiene limitados sus usos, pero se le proyecta como propulsor de satélites.
Una curiosidad es que el silicio como material masivo, es decir, sin poros, que es un semiconductor de estructura de bandas indirecta tiene un gap de 1.12 eV, el silicio poroso con cristales de pocos nanómetros muestra un gap de 2 a 3 eV. ¿Y cómo el silicio poroso emite luz? Gracias al confinamiento cuántico y al óxido de silicio que se forma en las paredes, además estudios teóricos reflejan que Eg=d-1, siendo d el diámetro del poro, y Eg la energía del gap.
Aún así el SP no es la panacea. De entrada la emisión de luz es inestable debido a la oxidación y no siempre sale igual, depende del proceso de obtención y muestra malas propiedades mecánicas como una curiosa fragilidad, por eso la luminiscencia ha quedado estancada y sus aplicaciones se están volcando en otros territorios como sensores de humedad, puesto que al ponerlo en contacto con agua cambian la conductancia y permitividad de la capa porosa.
Aún así el silicio no es el único semiconductor que poroso muestra tan buenas propiedades e incluso algunas propiedades son mejores en otros semiconductores aunque no son tan abundantes como el silicio ni presentan su biocompatibilidad.
Pero al fin y al cabo, con lo que hay que quedarse no es con que el silicio poroso sea una maravilla por "esto" o por "lo otro", sino que, siendo el silicio el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre (27,7% en peso y predominantemente en forma de SiO2) los beneficios que podemos sacar al silicio poroso dan fe de la importancia de la nanociencia desde la perspectiva de cuánto podemos aprovechar el recurso de los materiales cuando, a ciertas dimensiones, la materia presenta propiedades que no muestran sus materiales masivos, ya que las leyes que los gobiernan son las de la física cuántica y que además, como podemos observar, una buena parte de sus aplicaciones siempre están orientadas a la medicina y la salud, que en el fondo es lo importante.