El grafeno como motor de los ordenadores

Por: Sandra Hernández Martín

El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados, en una red cristalina en forma de panal de abeja, mediante enlaces covalentes que se formarían en la superposición de carbonos enlazados. La alta conductividad térmica y eléctrica, así como una alta elasticidad y dureza, alta resistencia, menor efecto Joule, son sus propiedades más destacadas, entre otras muchas.

El premio Nobel de Física 2010 fue otorgado a  Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus revolucionarios descubrimientos sobre el material bidimensional grafeno, un nuevo material bidimensional de características únicas que podría revolucionar los dispositivos electrónicos en pocos años.

Aunque algunos expertos aún se muestran cautos, otros apuntan a que el grafeno podría llegar a sustituir al silicio, con el que se fabrican los microchips. Se trata de un material extremadamente flexible y de enorme resistencia, relativamente barato y poco contaminante, con el que se podrían fabricar pantallas electrónicas enrollables. Asimismo, tiene un gran potencial en otros campos como la biotecnología o el desarrollo de paneles solares.

Una nueva técnica para el crecimiento de grafeno sobre metales relativamente inertes, que consiste en la descomposición térmica de baja energía por iones irradiados de etileno sobre superficies metálicas a elevada temperatura en ultra alto vacío. De esta manera se han hecho crecer monocapas de grafeno sobre Cu (111) y por primera vez sobre Au (111). Gracias a medidas de microscopía de efecto túnel (STM) y medidas espectroscópicas se observan interacciones débiles grafeno-metal.

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Irradiación de etileno para la formación del grafeno sobre el metal

Para obtener grafeno sobre cristales de oro se utiliza un método distinto al tradicional. En la fórmula tradicional por deposición química se expone una superficie metálica a un gas, que se descompone dejando el carbono en el citado material y eliminando el hidrógeno.

En esta ocasión, al ser el oro un material inerte, el gas no logra ni siquiera pegarse a la superficie de oro.  Para subsanar este problema, se usa un cañón para ionizar el gas y lanzarlo contra la superficie de los cristales de oro, consiguiendo así que éste quede adherido a la superficie de oro.

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Imágenes de una muestra de grafeno crecida sobre un sustrato de oro.

Las propiedades eléctricas del grafeno, dependen del sustrato en el que está apoyado, en concreto, la principal ventaja del sustrato de oro es que éste preserva las extraordinarias propiedades electrónicas que tendría una capa de grafeno ideal. Gracias a estas propiedades eléctricas, tales como la elevada movilidad de sus electrones, se está investigando la posibilidad de fabricar ordenadores mucho más rápidos que los actuales.

NANOHILOS: LA CONDUCCIÓN UNIDIMENSIONAL

Por Sergio Carrasco Garrido

Durante los últimos 10 años, unos de los materiales nanoestructurados con más importancia han sido los nanohilos semiconductores. La gran ventaja de este tipo de materiales reside en que el material tiene unas capacidades de conducción eléctrica distintas en escala “nano” de lo que tiene a gran escala. Los electrones, actuando como portadores de carga, o bien los huecos (ausencia de electrones) necesitan que los átomos estén juntos para transmitirse de forma fluida; cuando la anchura del camino que recorren es mucho menor, su movimiento se ve obstaculizado por los átomos del borde del material que provoca una disminución de su velocidad en esa dirección. Estos nanohilos apenas tienen unas decenas de nanómetros de diámetro y frente a este tamaño se puede considerar que su longitud es infinita, de ahí que en la práctica se consideren unidimensionales. De esta forma la carga queda confinada en la sección longitudinal. Incluso, al igual que sucede para los semiconductores convencionales en “bulk”, estos nanohilos pueden ser dopados para conseguir unas determinadas propiedades.

Uno de los retos más importantes en este campo ha sido poder controlar la longitud de estos materiales unidimensionales, ya que en la síntesis convencional solo se consiguen hilos de varios milímetros. En la revista Nature Materials, en el número de Julio de 2011, fue portada un grupo de la Universidad Bilkent de Ankara que afirmaba poder producir nanohilos de longitud indefinida.

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Nanohilos de GaAs. Prof. Weman, NTNU Innovation and creativity

Los procedimientos de síntesis son actualmente muy variados, desde el crecimiento basado en nanoclusters de metal, crecimiento catalizado por metales y asistido por láser, vapor-líquido-sólido , en fase vapor libre de catalizadores, disolución química, etc (para más información acerca de estos métodos se puede consultar el libro “Nanomaterials Handbook” de Yury Gogotsi, Ed. Taylor and Francis, 2006. Capítulo 9.- “One-dimensional semiconductor and oxide nanostructures”, pp. 285). En internet podemos encontrar un interesante documental breve acerca del crecimiento de nanohilos de oro a partir de unas semillas de este mismo material.

El abanico de aplicaciones de estos materiales es muy extenso y a pesar de que hoy muchas de sus aplicaciones sigan siendo objeto de estudios teóricos y simulaciones, la realidad es que en un futuro muy próximo se espera una aplicación inminente de estos materiales. Como podemos leer en el artículo de Jordi Arbiol, Profesor de Investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, estos materiales ya han sido satisfactoriamente evaluados como transistores, diodos LED, incluso en una aplicación futurible que los incluye como captadores efectivos de la luz para células solares y su consiguiente importancia en el campo de las energías renovables. Quedan en el tintero aplicaciones tan llamativas como sensores (detectores de células cancerígenas ya que al variar el contacto superficial del nanohilo cambian sus propiedades eléctricas) o como memorias electrónicas de elevada capacidad de almacenamiento y muy pequeño volumen.

Pero las aplicaciones no acaban aquí. Recientemente se ha descubierto una forma de alinear estos nanohilos mediante la aplicación de un campo eléctrico externo, tanto más alineados conforme aumenta la fuerza de dicho campo, lo que permite unas posibilidades de escultura y escritura basada en estos materiales. Incluso, podemos observar que el interés de la investigación de los nanohilos no queda únicamente relegado al laboratorio, sino que importantes multinacionales y empresas dedican esfuerzo e inversión a este objetivo. Tal es el caso de la empresa IBM , que investiga profundamente el control y optimización del crecimiento de estos nanohilos con objeto de poder adaptarlo a sus dispositivos miniaturizados, estudiando las propiedades del transporte de carga y por supuesto, lo más importante y de lo que en ocasiones se acusa a la investigación de laboratorio tal cual muchos de nosotros la conocemos, la integración y la fabricación a gran escala.

Dependiendo del tipo de síntesis llevada a cabo y variando las condiciones de crecimiento, se pueden conseguir una serie de geometrías que afectan enormemente a sus propiedades ópticas. Pueden presentar confinamiento cuántico, y también emisión y por tanto ser usados como LEDs como ya hemos señalado. Pero adicionalmente tienen la ventaja de presentar una gran relación área superficial-volumen lo que les hace candidatos idóneos para la detección como sensores y biosensores ópticos. El grupo de investigación al que hace referencia el anterior link trabaja ampliamente en el campo de las propiedades ópticas e intenta dirigir la síntesis de estos nanohilos para conseguir propiedades antirreflejantes, a partir de formas cónicas del nanohilo, favoreciendo el acoplamiento de la luz a diferentes ángulos de incidencia y colores entre el aire y el semiconductor, haciéndolos mejores absorbentes de la luz y emisión de luz direccional.

Todo lo expuesto es solo un ejemplo de la importancia de la miniaturización y la síntesis y crecimiento dirigidos para conseguir las propiedades deseadas. Controlar la estructura y modificarla al antojo de los investigadores proporcionará todo tipo de aplicaciones “a la carta”. Caracterización experimental, predicciones teóricas, simulaciones… cada pocas semanas aparecen artículos con nuevos resultados basados en el desarrollo de nuevos nanohilos como conductores unidimensionales. Aún quedan muchos retos pendientes con este tipo de materiales, en el crecimiento, el proceso y el ensamblaje, pero también respecto al concepto de biocompatibilidad, ya que aún no existe una regulación estricta que los englobe (efectos mediaombientales, toxicidad, manipulación, gestión como residuos, etc., aplicable también a todo material considerado “nano”). Lo que queda claro es que frente a los materiales obtenidos en forma de “bulk” presentan unas propiedades muy atractivas en el terreno electrónico, térmico y óptico y por tanto, aún cabe esperar nuevas sorpresas en este campo de investigación.

Nanocemento y aplicación de nanopartículas de sílice en su composición

Por: J. Hortelano

La construcción ha sido uno de los principales retos del ser humano desde el principio de su existencia, gracias a lo cual, ha sido uno de los campos donde más se ha invertido, lo que le ha hecho evolucionar desde las construcciones más básicas hasta edificios de formas imposibles y alturas impensables.

 Este progreso ha sido capaz gracias al avance de la física y la ingeniería y, con ello, de la aparición de nuevos materiales que han hecho realidad la imaginación de los arquitectos. Materiales que han ido apareciendo y evolucionando, de forma continua, dependiendo de las necesidades y retos que se planteasen. Así el cemento, material que se emplea desde la Antigua Grecia y Roma, ha evolucionado de mano de la nanotecnología mejorando sus prestaciones, coste o impacto ambiental, ya que la fabricación de cemento produce entre el 5% y el 10% del CO2 del mundo. Dentro de la fabricación del cemento, uno de los constituyentes más importantes es la sílice, obtenida de la arena, ya que comprende en torno al 20% de su composición. Pese a ser indispensable para la fabricación del cemento, el polvo producido durante su procesado contiene sílice en forma cristalina, perjudicial para la salud, ya que provoca una grave enfermedad pulmonar conocida como silicosis.

El nanocemento, cemento que contiene elementos constitutivos con dimensiones entre 1 y 100 nm, tiene un amplio campo de estudio ya que se trata de un material poroso donde existen huecos de tamaño nanométricos, en donde se produce el proceso de hidratación e interacción entre componentes para su fraguado. Un nanomaterial correctamente diseñado y desarrollado produce resultados mejores y más económicos que los materiales tradicionales, gracias a la estabilización y refuerzo de la materia a dicho nivel nanométrico. Así, creando una nanopartícula de sílice, la interacción entre ella y la caliza (esencial para el fraguado del cemento) es más rápida y está más controlada, rellenando los poros nanométricos y produciendo una mejor cohesión, convirtiendo las partículas de nanosílice en partículas de nanocemento.

nanocemento

Imágen de microscopía electrónica de nanosílice.                 

La nanosílice es un producto creado y desarrollado por la compañía Cognoscible Technologies  bajo el nombre de “Gaia nanosílice” y que supera con creces las características que se obtenían con las partículas de sílice utilizadas hasta el momento, de las cuales las más importantes son:

· Económicas:

La utilización de nanocemento supone una gran disminución en el coste, tanto en la fabricación como en la utilización.

La fabricación de un nanocemento supone un menor empleo del principal componente del cemento, el clinker, de cómo mínimo un 40% menos, lo que supone un  gran ahorro de recursos. En cuanto al uso, disminuye el empleo de aditivos como plastificantes, endurecedores, etc. ya que la nanosílice confiere dichas características y, gracias a ello, también disminuye la relación agua/cemento.

· Mecánicas:

La nanosílice produce un incremento notable de la resistencia mecánica, sobre todo a edades muy tempranas obteniendo resistencias superiores tanto a tracción como a compresión  frente  a  los cementos clásicos.  Así  se  ha demostrado que lo que antes requería una viga de 2 metros de grosor para aguantar correctamente a los puentes, ahora sólo requiere 75 cm. Si antes había que esperar 28 días para alcanzar altas resistencias, ahora sólo hay que esperar 1 día.

Mejora las características frente al desgaste y una mayor resistencia frente a la aparición de grietas, lo que implica un menos mantenimiento.

Reduce la permeabilidad y porosidad, grandes resistencias químicas y no contiene cloruros ni ningún otro material, lo que le hace ideal para su uso en hormigón armado.

estudio resistencia

Estudio de resistencia a compresión.

· Medioambientales:

Es el aspecto más importante por todo lo que implica pese a la gran importancia de las características mecánicas y económicas. Esto es debido a que los nanocementos reducirán las emisiones de CO2 en su fabricación en un 50% por producirse a temperaturas más bajas que los clásicos. Y durante su utilización, durante el proceso de fraguado, debida a la emisión de oxígeno en lugar de CO2 gracias a la incorporación de picocatalizadores.

Además, al manejar la sílice en forma de nanopartícula, ésta se crea y emplea en dispersión en líquido, por lo que no existe desprendimiento de polvo y por lo tanto no hay peligro hacia la salud de los trabajadores que lo fabrican y manipulan.

La Nanotecnología y algunas aplicaciones deportivas.

Por: Víctor Martín Sanz 

Muchas veces en el deporte a nivel profesional la diferencia entre ser primero o segundo reside en pequeños detalles, pequeños en su tamaño pero ni mucho menos insignificantes. El lema olímpico de los antiguos griegos en latín era “Citius, Altius, Fortius” (Más rápido, más alto, más fuerte). Hoy en día, y gracias a la nanotecnología, en algunos deportes el avance ha permitido que esto sea así y se puedan mejorar registros en numerosas disciplinas como atletismo, natación, ciclismo, golf, tenis, deportes de motor, etc…

Por ejemplo en el atletismo donde se puede pensar que es un deporte donde el cuerpo de cada atleta es lo único importante, puede verse beneficiado por la nanotecnología, como por ejemplo con un nuevo dispositivo que es capaz de medir “in situ” biomarcadores, es decir proteínas que revelan detalles sobre el estado de un cuerpo, que pueden ser claves a la hora de indentificar lesiones o condiciones médicas sobre el terreno y por lo tanto evitar el riesgo de daños a largo plazo a través de mejores planificaciones de entrenamiento y alimentación. Procedimientos similares se usan para la detección y diagnóstico de células cancerígenas.

También la nanotecnología es aplicada a la ropa deportiva incluyendo en ella nanocircuitos de silicio flexibles, transistores capaces de almacenar datos, o incluso de que estos tejidos mediante el uso de nanofibras con huella magnética que, en un futuro, puedan adaptarse mediante un ordenador a cada atleta, la ropa respondería a un estímulo o podría interactuar con la persona que lo llevase para que obtenga mejores resultados.

tejidos inteligentes

Tejidos inteligentes

En natación se usan bañadores de tejidos inteligentes que soportan los rayos ultravioletas, repelen la humedad y quedan totalmente secos con sólo sacudirlos, esto se consigue con un material sintético llamado microfibra, más flexible, ligero y cómodo que la seda, para hacernos una idea la microfibra es 60 veces más fina que un pelo, con la ayuda de la nanotecnología se está desarrollando la ultramicrofibra, un tejido casi sin gravedad que además podría dejar pasar los rayos de sol.

En deportes como el ciclismo también aparece la nanotecnología. Hay equipos ciclistas que ya disponen de bicicletas con estructuras de fibras de carbono que integran matrices de resina reforzadas con nanotubos de carbono, un material ya bueno resulta ser mejorado y proporciona una ligereza, fuerza y resistencia aerodinámica muy superior a anteriores modelos.

Qué decir de deportes como el golf o el tenis, en el primero hay empresas que han descubierto como alterar los materiales de una pelota de golf a nivel molecular para que el peso de dentro se mueva menos mientras gira la pelota. Cuanto menos se mueva, más recto y más lejos viaja.

pelotas inteligentes

Pelotas modificadas mediante técnicas de nanotecnología.

También en las pelotas de tenis donde se consigue aumentar la vida útil de las mismas ya que tardan mucho más en desinflarse.  Y por supuesto influye en estos deportes el tema de palos y raquetas reforzadas, de nuevo, con nanotubos de carbono con lo que se obtiene un objeto mucho más ligero pero más duro y rígido, que dota de una mayor precisión de golpeo al jugador.

En los deportes de motor, la nanotecnología tiene un amplio margen de maniobra debido a la gran cantidad de factores que influyen en el funcionamiento de las máquinas, desde hacer combustibles más eficientes, materiales que friccionen más para hacer más efectivo el uso de los frenos, o menos, para mejorar la aerodinámica, como también en los compuestos de los neumáticos, carrocería y piezas que los unen y todos los detectores de las piezas eléctricas que indican cualquier anomalía en el funcionamiento de la máquina.

Todos estos avances que se usan ya a nivel profesional, según avance la tecnología para su fabricación (hay que tener en cuenta que para poder producir estos objetos a nivel nanométrico es necesario máquinas que trabajen a esa escala) y se abarate su coste, hará que tarde o temprano también los podamos disfrutar los deportistas amateurs en nuestro día a día.

La ciencia y el deporte unidos de la mano.

¿Pero cómo puede ser esto? Ah! Son NANOMATERIALES

Por: Isidoro Poveda

La intención de este post es la de mostrar como varían las propiedades de algunos materiales cuando pasamos de escala macro a nano.

Lo primero, ¿qué es un nanomaterial? Se trata de materiales a escala nano (10-9 m.) Debido a este tamaño tan pequeño la relación entre los átomos de superficie y los del interior es mucho mayor que en materiales de tamaño mayor. Las propiedades de los materiales dependen del ordenamiento de sus átomos y de cómo se mueven los electrones dentro de ellos, luego podemos suponer que en un nano material el movimiento de los electrones estará limitado por sus dimensiones. A esto es a lo que se llama confinamiento cuántico de electrones.

Un primer ejemplo de la variación de propiedades al pasar a escala nano, lo encontramos en los nanotubos de carbono. El carbono o grafito pasa de ser débil a nivel macro para hacerse muy resistente en forma de nanotubo, ¡podemos doblarlos sin que se rompan!

CNT´s

Fig1. Nanotubos de Carbono

Hay ejemplos curiosos de materiales como el del Au que sin presentar propiedades magnéticas (el Au es diamagnético, sus átomos no tienen momento magnético y sus capas electrónicas están completas) al recubrir nanopartículas de Au con unas moléculas llamadas tioles, también diamagnéticas, se vuelven ferromagnéticas. Este ferromagnetismo aparece al inducir momentos magnéticos y anisotropía en la superficie de la nanopartícula de Au. Hablaremos de nanomagnetismo ya que si recubrimos la superficie de una macropartícula aparecerá magnetismo en los átomos de Au de la superficie unidos a la superficie del tiol, pero su relación con los átomos del interior será muy pequeña.

Por último mencionaremos el caso del Si utilizado en la construcción de transistores y fotodetectores en combinación con su óxido. El Si presenta una banda indirecta prohibida por lo que no presenta luminiscencia a Tª ambiente. Sin embargo, cuando preparamos nanopartículas de Si aparece luminiscencia a Tª ambiente debido al confinamiento cuántico antes mencionado. Se dan transiciones electrónicas cuasi directas incluso tratándose de un gap indirecto. La λ de la luz emitida por las nanopartículas de Si dependerá de su tamaño.

Nanocomposites de base metálica.

Por: Ignacio Carbajo Pascau

Los composites, o materiales compuestos, tienen la curiosa característica de estar formados por varios tipos de materiales a la vez, unos como fibras o simples partículas y otros como los contenedores de éstas (matrices). Si están bien confeccionados, pueden adquirir las propiedades de ambos y, no solo eso, también potenciarlas todavía más. Aunque dicho así puede parecer que habría posibilidades ilimitadas, en la práctica no son fáciles de conseguir ya que tienen problemas de corrosión, estabilidad, etc., y se necesita un gran trabajo para conseguir un resultado óptimo. Pero, sin duda, eso no ha desanimado al progreso y hoy en día se utilizan una amplia gama de materiales compuestos, desde el antiguo adobe o el conocido hormigón a otros más modernos como el Cermet o el CRFP (Polímero con fibra de carbono). Las industrias que podrían parecer más beneficiadas de los composites serían la aeronáutica, la automovilística y la construcción, pero en el siglo XXI decir que un material es exclusivo de una industria sería como ponerle puertas al campo.

Y la pregunta obligada surgió, ¿por qué no aplicar la nanotecnología a los composites? Pues manos a la obra. Se calcula que el crecimiento de la producción anual de nanocomposites se incrementa cada año en un 25 %, y eso que estamos sólo al principio. Un caso específico de estos nanocomposites son los que tienen como base un metal, los llamados MMNCs (Metal Matrix Nanocomposites). Éstos tienen un gran futuro en las industrias antes citadas, y en muchas otras, como el campo de la electrónica o la eficiencia energética de procesos. El requisito es sencillo: las partículas, fibras, discos, lo que sea, deben de tener (por lo menos en una de sus tres dimensiones) tamaño de hasta cien nanómetros.

Se han dedicado muchos estudios para conseguir fabricar MMNCs eficientemente, para que se puedan sintetizar comercialmente de forma rentable . Pero no es tarea sencilla, hay infinidad de métodos, pero todos ellos bastante caros: Deposición con espray, pirólisis en espray, infiltración de metal líquido, electrodeposición, CVD, PVD, etc. Sin embargo, se ha hecho avances en este aspecto, investigando en el complejo método de solidificación rápida (104–107 °C/s), que es más económico, aunque todavía con menos prestaciones. El talón de Aquiles de la fabricación de los  nanocomposites es conseguir que las nanopartículas se distribuyan como nosotros queramos (homogéneamente o no) sin que reaccionen con el metal, se acumulen todas en sitios específicos (ya que tienden a juntarse), o se ‘despeguen’ de él (para saber más).

Los MMNCs más comunes suelen ser de aluminio, magnesio (metales ligeros), hierro, estaño, wolframio o plomo. A ellos se les puede añadir algún tipo de partículas como óxido de aluminio, óxido de titanio, carburo de silicio, nitruro de silicio, o la fórmula secreta, los nanotubos de carbono. Los CNT (Carbon nanotubes), descubiertos en 1991, son una especie ideal para los MMNCs como veremos a continuación.

La gran cantidad de nanopartículas para añadir no solo pueden mejorar sus propiedades mecánicas, sino que también pueden modificar significativamente sus propiedades térmicas, eléctricas, biocorrosión, y muchas más. Por ejemplo, al añadir CNTs se puede conseguir materiales con una alta conductividad eléctrica solo en una dirección deseada. Además, regulando el porcentaje de CNTs que depositamos, es posible controlar la expansión térmica (a menudo indeseable). Otro ejemplo es el magnesio con nanopartículas de fluorapatita que consigue controlar los efectos de la biodegradación.

El aluminio conteniendo carburo de silicio en nanopartículas consigue excelentes propiedades térmicas, por lo que puede utilizarse como empaquetamiento de dispositivos electrónicos, en los que actualmente se utiliza aleaciones de cobre con wolframio o con molibdeno. Disolviendo partículas de magnesio y silicio se consigue reducir todavía más su conductividad térmica. Para propiedades estructurales también puede ser útil, como el aluminio con nanopartículas de óxido de aluminio, el cual incrementó su resistencia cerca de  15 veces, siendo este ligero MMNC casi dos veces más resistente que el acero inoxidable.

MMNCs2

Fig 1b. Detalle de la imágen anterior.

Este campo es alentador e interesante (libro para aprender más), ya que todavía queda mucho estudio teórico por hacer que pueda prever y reducir los defectos de la producción de MMNCs. Ya se estudia este tema en todo el mundo (como en la Universidad Jiao Tong de Shangai), incluso se publican patentes, y cuando se vayan afinando los procesos de sintetización y el estudio de su propiedades eléctricas, térmicas, mecánicas, etc., seguro que nos encontraremos con un gran abanico de posibilidades.

Nanoóptica y nanomagnetismo: dos tecnologías en auge

Por: Elena Juberías Pérez

Los nanomateriales están adquiriendo cada vez mayor relevancia como parte esencial de la revolución de la nanotecnología que estamos experimentando en los últimos años. Al igual que otras tecnologías punteras como las TIC o la genética, los nanomateriales presentan un carácter transversal al poder relacionarse e interactuar con otras áreas, lo que hace que aumente la potencialidad de sus aplicaciones a sectores como la energía, la medicina, etc. La base de esta gran versatilidad y potencial de los nanomateriales radica en que, como se comenta en un trabajo de Luis Criollo , “las propiedades eléctricas, ópticas, magnéticas o mecánicas de las nanopartículas son muy sensibles a su tamaño”, por lo que es posible obtener materiales con propiedades muy específicas y diversas en función del tamaño de nanopartículas con las que se trabaje. Este enorme potencial que poseen los nanomateriales es una de las razones por las que se han abierto en la última década múltiples centros de investigación en nanomateriales, como por ejemplo el CIC Nanogune, que, según un artículo publicado por Empresa XXI, están centrando su trabajo en 2012 de forma especial en el nanomagnetismo y la nanoóptica. Estos dos subsectores de los nanomateriales están experimentando un gran desarrollo en los últimos años tanto a nivel de investigación básica como de cara a la explotación industrial de los mismos. Esto queda plasmado de forma directa en el creciente número de solicitudes de patentes presentadas por empresas y centros tecnológicos, que desarrollan nuevos productos con aplicación industrial y recurren a la protección mediante patente para obtener exclusividad en los mismos.

A través de la información que puede proporcionarnos una búsqueda en bases de datos especializadas de patentes tales como la que nos ofrece la Oficina Europea de Patentes, puede realizarse una vigilancia de estas dos áreas de la nanotecnología de materiales, el nanomagnetismo y la nanoóptica. Aunque la nanotecnología es algo relativamente nuevo, la clasificación internacional de patentes refleja desde hace tiempo tanto la nanotecnología como sus subcategorías de nanoóptica y nanomagnetismo, y es utilizando esta clasificación como se ha realizado el estudio de la evolución de los sectores de materiales nanomagnéticos y nanoópticos cuyos principales resultados se presentan a continuación en este post.

El análisis de solicitudes de patentes por ámbito geográfico señala que Estados Unidos es la zona donde más solicitudes se han presentado en las tecnologías de nanoóptica y nanomagnetismo, según muestra la gráfica 1.

grafica 1a

Gráfica 1a.- Distribuciones de solicitudes de patente de nano-óptica

grafica 1b

Gráfica 1b.- Distribuciones de solicitudes de patente de nanomagnetismo

La búsqueda de la que parten estos datos se ha realizado a nivel mundial y para las dos subcategorías de materiales nanoópticos y nanomagnéticos . Se observa que el total de las solicitudes de patente presentadas para nanoópticos es casi 5 veces mayor que para nanomagnéticos. Esto es debido a que los materiales nanoópticos comenzaron su desarrollo unos años antes que los nanomagnéticos, pero para ambas tecnologías la evolución a lo largo de los años es exponencial, como se observa en las siguientes gráficas 2 y 3, y de donde se desprende que el desarrollo actual de estas dos tecnologías está en pleno auge en todos los continentes.

Gráfica 2

Gráfico 2: Evolución a lo largo de los años de los materiales nanoópticos. (Elaboración propia a partir de datos obtenidos de espacenet).

Gráfica 3

Gráfico 3: Evolución a lo largo de los años de los materiales nanomagnéricos. (Elaboración propia a partir de datos obtenidos de espacenet).

De la gráfica 4, en la que se ofrece una comparativa entre solicitudes de patentes en nanoóptica y nanomagnetismo, se puede decir que efectivamente son dos tecnologías en auge y que por tanto las empresas y centros de I+D dedicadas a ellas están desarrollando los productos del futuro, pues como se comentó anteriormente tienen un gran potencial en numerosas áreas de aplicación industrial.

Gráfica 4

Gráfico 4: Comparativa de la evolución de las solicitudes de patentes para materiales nanomagnéticos y nanoópticos. (Elaboración propia a partir de datos obtenidos de espacenet).

Nanotecnología y energía solar: pintura para aprovechar la energía solar.

Por:  Jaime Moreno Juez

El descubrimiento de fenómenos que relacionan la luz solar y la electricidad datan del principio del siglo XIX. Alexandre Edmond Becquerel fue en 1839 fue el primero en definir el efecto fotovoltaico en el cual se genera una fuerza electromotriz en el material debida a la luz incidente. Tras este descubrimiento se ha desarrollado mucho esta tecnología sobre todo en los últimos años debido al sistema energético insostenible que tenemos.

Desde que surgió la tecnología para transformar la energía solar en energía eléctrica, se ha estado investigando mucho en este campo para abaratar costes y que esta tecnología llegase a todos los consumidores, pero pasan los años y la tecnología de las celdas solares sigue sin abaratarse. Si esta tendencia continua llegará un momento en el que deje de ser rentable y pase a la historia sustituyéndose por otras formas de recuperar energía.

solar cell

Funcionamiento de una célula solar convencional de Silicio.

Un ejemplo claro de estas nuevas tecnologías es la pintura solar elaborada con nano-partículas que aprovechan la energía del sol. Esto tendría aplicaciones infinitas en la vida cotidiana, como por ejemplo la pintura del coche, las casas, la ropa o de los teléfonos móviles que podrían recargarse con sólo exponerse a la luz solar. Sin duda es una alternativa a tener muy en cuenta.

pintura solar

Imagen de pintura solar “Sun-believable”.

Todo esto parece ciencia ficción, pero varios grupos de investigación de todo el mundo trabajan para que se una realidad. De momento, investigadores de la universidad de Notre Dame, en el centro de nano ciencia y tecnología (NDnano) han desarrolla en fase de pruebas un material en forma de pintura que tiene dichas características. Lo han denominado “Sun-believable”. “Al incorporar nanopartículas o “quantum dots” que producen energía en un compuesto que puede esparcirse, hemos hecho una pintura de una sola capa solar que se puede aplicar a cualquier superficie conductora sin equipo especial.” Citan los investigadores de centro de nanociencia de París.

Esta pintura es  un nuevo material que utiliza nanopartículas de dióxido de titanio cubiertas con sulfuro de cadmio. El sulfuro de cadmio y el dióxido de titanio son sustancias muy tóxicas y de difícil manipulación pero que tratadas de forma adecuada pueden manipularse sin riesgo para la salud y contienen muchas propiedades ópticas y eléctricas fundamentales para la conversión de energía solar. La toxicidad sería por lo tanto otro escollo a batir para la aplicación de esta tecnología. Estas partículas son suspendidas en una mezcla de agua y alcohol para crear una pasta, como la que se ve en la imagen superior. En esta solución la corriente fluye  como resultado de su exposición a una fuente de energía radiante como en el caso de las células fotovoltaicas que se usan hoy en día. Si dicha pasta se aplica a un material conductor transparente y se expone a la luz solar es posible producir energía eléctrica y almacenarla para posteriormente ser utilizada por el consumidor o ser directamente utilizada.

Aunque esto es un gran avance la investigación aún está en sus inicios, pues la eficiencia de conversión de luz solar a electricidad es apenas del 1%, mientras que en las celdas solares comerciales esta eficiencia es de 10 a 15%. Este rendimiento es realmente pequeño pero no está del todo mal para estar en una fase experimental y ser una primera generación. Se espera que con el desarrollo de esta tecnología y que con el avance de la investigación en nanotecnologías pueda obtenerse un rendimiento bastante aceptable tratándose de lo que es, una pintura. Ted Sargent, profesor de ingeniería informática en la Universidad de Toronto, en Canadá anunció en 2005 un nuevo material plástico basado en nanotecnología de puntos cuánticos que con el adecuado desarrollo podría conseguir aprovechar hasta un 30% de la energía del sol. Esperemos que sus predicciones sean correctas.

Sin embargo, la ventaja de esta nueva pintura es que es sumamente económica y muy fácil de aplicar por lo que los investigadores esperan mejorar su estabilidad y eficiencia ya que sus aplicaciones potenciales son muchas y podría en un futuro implementarse masivamente en edificios y grandes construcciones.

¿Se imagina poder imprimir hojas con células solares mediante baratas impresoras y ubicarlas en cualquier lugar de su hogar para montar su propia estación eléctrica? En un futuro, puede que todo esto sea posible gracias al desarrollo de la nanotecnología y los nanomateriales.

Nanotubos de Carbono: Electrónica

Por: Khan

Antes de hablar sobre el uso de los nanotubos de carbono en el campo de la electrónica, es imprescindible conocer algo acerca de su historia, y por supuesto, entender qué son.

En 1991 S. Iijima descubrió los nanotubos de carbono en Japón, mientras realizaba una investigación sobre fullerenos. Ese mismo año se publicó su hallazgo en la revista Nature 354, 56.

Los nanotubos de carbono están constituidos por redes hexagonales de carbono curvadas y cerradas, que forman tubos de carbono de tamaño nanométrico. Podemos diferenciar entre nanotubos monocapa (un sólo tubo) y multicapa (varios tubos, uno dentro de otro). Estas estructuras se caracterizan por ser ligeras, huecas y porosas, con alta resistencia mecánica, por lo que son de gran interés en el reforzamiento estructural de materiales y en la formación de composites de bajo peso.

carbon nanotubes

Imagen de nanotubos de carbono con sus diferentes estructuras: “zig-zag” (superior derecha), “chiral” (inferior izquierda) y “armchair” (inferior derecha).

Aunque los nanotubos de carbono presentan extraordinarias propiedades mecánicas y térmicas, sus primeras aplicaciones se realizaron en  electrónica. Esto se consiguió gracias a las distintivas propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono.

La propiedad eléctrica más importante que determina la utilización de los nanotubos de carbono en electrónica es que pueden ser metálicos o semiconductores. La condición para que un nanotubo sea metálico es que la diferencia n-m (siendo n y m los índices de Hamada: parámetros que indican la forma en que se enrollaría la lámina de grafito que daría lugar al nanotubo) debe ser múltiplo de 3, de lo contrario será semiconductor.

Los nanotubos de carbono semiconductores pueden presentar distinto gap. Concretamente, son las dimensiones de los nanotubos las que determinan su tamaño de gap. Al disminuir el diámetro del nanotubo se reduce el  número de estados permitidos, los cuales estarán muy separados energéticamente, mientras que al aumentar el diámetro, el número de estado crece y disminuye su separación.

En electrónica la tendencia actual es la miniaturización de los dispositivos para mejorar las prestaciones: aumento de velocidad, densidad y eficiencia, y es debido a estas circunstancias que estos materiales  parecen tener gran futuro dentro de la electrónica a escala mesoscópica. Otra propiedad a destacar de los nanotubos de carbono, importante en el mundo de la electrónica, es que son excelentes conductores del calor, lo que los hace perfectos disipadores del calor que se produce en los sistemas electrónicos.

Los dispositivos electrónicos que integran nanotubos de carbono  aumentan su vida útil debido a las propiedades mecánicas (resistencia mecánica, dureza, tenacidad, flexibilidad y elasticidad) y térmicas (buena conducción del calor y estabilidad estructural a altas temperaturas) de éstos. Sin embargo, la aplicación de los nanotubos de carbono en electrónica también presenta un importante problema, y es que  estos materiales son muy susceptibles al ruido causado por fluctuaciones eléctricas, térmicas y químicas.

Algunas de las aplicaciones más importantes, actuales y futuras,  sobre los nanotubos de carbono, vienen explicadas aquí.

Podemos concluir diciendo que la investigación sobre nanotubos de carbono es tan apasionante como compleja, debido a la diversidad de sus propiedades electrónicas, térmicas y estructurales, y aunque actualmente se presentan algunos problemas, seguramente con tiempo e investigación, el futuro nos deparará nuevas aplicaciones para estos curiosos nanomateriales.

¿Cómo conduce la corriente eléctrica el grafeno?

Por Xabier Martínez de Irujo

Como todos sabemos, el grafeno es uno de los materiales que más se están investigando actualmente por sus atípicas propiedades. Este material ha adquirido gran importancia durante los últimos años pero fue descrito por primera vez en la década de 1930. En 2010, Andre Geim y Konstantin Novoselov  recibieron el premio Nobel de física  por sus trabajos innovadores sobre el grafeno. Os puede resultar interesante el primer artículo  conjunto de ambos investigadores sobre el grafeno.

 Fig 1. Imagen de la estructura de grafeno

La estructura de  este material es una lámina bidimensional de átomos de carbono.  Se considera bidimensional ya que sólo tiene un átomo de espesor. “El grafeno es el único material con un único átomo de espesor que puede ser sintetizado y estudiado en detalle” y de ahí el auge en su investigación. Las propiedades de materiales de este tamaño (nanoscópico) no pueden equipararse con las de átomos o moléculas individuales ni con las de materiales macroscópicos. El grafeno presenta inusuales propiedades mecánicas, electrónicas y ópticas . En este post, únicamente se van a explicar las propiedades eléctricas en el grafeno.

En cuanto a las propiedades eléctricas de un material, éste se clasifica como conductor o aislante dependiendo de si los electrones se mueven en su interior o no, al aplicar un campo eléctrico. Las propiedades aislantes o conductoras vienen determinadas por la posición del nivel de Fermi y la estructura de bandas electrónicas. El nivel de Fermi es el nivel de energía máximo de ocupación por electrones en un sólido. La estructura de bandas surge de un modelo cuántico, que no vamos a explicar. Para comprender la conducción únicamente es necesario saber que existen dos tipos de bandas: las bandas de valencia (paraboloide inferior) y las bandas de conducción (paraboloide superior).

Fig 2. Estructura electrónica de bandas del grafeno

En el caso de los metales, el nivel de Fermi se encuentra en la banda de conducción permitiendo que los electrones se muevan libremente, lo cual, permite la conducción por electrones. En el caso de aislantes y semiconductores, el nivel de Fermi se sitúa en la separación denominada gap de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción. Para los aislantes este gap de energía es ancho y los semiconductores presentan un gap más estrecho que permite que los electrones pasen a la banda de conducción, si se aporta energía. Este paso de electrones a la banda superior permite que ambas bandas queden semiocupadas. Al igual que en los metales, la presencia de la banda de conducción parcialmente llena permite la conducción por electrones. Pero, en los semiconductores, también la banda de valencia se encuentra parcialmente vacía. Ese vacío se entiende como partículas cargadas positivamente denominadas huecos que pueden moverse por la banda de valencia dando lugar a conducción por huecos.

Sin embargo, la estructura de bandas del grafeno es totalmente distinta. Las bandas de valencia y conducción no son paraboloides sino conos (conocidos como conos de Dirac) unidos por un punto. Además el nivel de Fermi se sitúa en este punto de unión (Punto de Dirac). Esta estructura de bandas permite al grafeno integrar lo mejor de los metales y los semiconductores. Por un lado, no presenta gap de energía como los metales, lo cual, permite que los electrones situados por debajo del nivel de Fermi pasen a niveles superiores. Por otro lado, al igual que los semiconductores, presenta los dos tipos de portadores: electrones y huecos. Podemos tener una conducción por electrones al llenarse parcialmente el cono superior y una conducción por huecos al vaciarse parcialmente el cono inferior.

Otra característica importante al estudiar las propiedades eléctricas de los materiales es la velocidad de los portadores. Sabemos que existe una relación inversa entre la velocidad de los portadores y un parámetro conocido como masa efectiva. En los metales, a los electrones se les asocia una masa efectiva (distinta de la masa real del electrón) que tiene en cuenta la interacción electrostática con los núcleos iónicos del material. La citada masa efectiva está relacionada con la curvatura de las bandas electrónicas. De esta manera, los electrones en un metal presentan cierta inercia en su movimiento. Por el contrario, en el grafeno las bandas no presentan curvatura sino que hay una dependencia lineal entre la energía y el momento k. Por este motivo, los electrones se mueven como si tuviesen una masa efectiva igual a 0!  Esto significa que los electrones no encuentran impedimentos al atravesar la red de carbonos, de tal manera, que se mueven a una velocidad constante asociada a la energía del nivel de Fermi (del orden de 106 m/s).

Estas características eléctricas pueden convertir al grafeno en el  sucesor del silicio en el mundo de la electrónica. Los interesados en profundizar en las propiedades eléctricas del grafeno podéis consultar el siguiente artículo: “Electrónica del grafeno“.