Nanotecnología

La nanotecnología se ha convertido en uno de los grandes aliados de las energías renovables. Algunos de los posts publicados en este blog se han centrado en exponer las ventajas que conlleva el uso de la nanotecnología en los dispositivos empleados en las células solares. Sin embargo la nanotecnología también ha permitido el avance de la eficiencia y aprovechamiento de la energía eólica. Hoy en día esta energía constituye el 1 % del consumo mundial de energía eléctrica (llegando a representar un 20 % en Dinamarca o un 10 % en España). Uno de los principales problemas a los que se ha enfrentado la industria eólica ha sido la baja eficiencia asociada a las turbinas en las que se basan los molinos de viento, así como la intermitencia del viento necesario para generar energía. De ahí que se necesiten grandes instalaciones con molinos formados por palas de elevadas dimensiones (lo que limita su uso e incrementa considerablemente los costes de producción e instalación).

Una de las posibles soluciones a este problema consiste en la utilización de las ventajas que nos ofrece la nanotecnología. Así, la empresa finesa Eagle Windpower ha implementado el uso de nanotubos de carbono en la fabricación de las palas de los modernos molinos de viento. Las ventajas del uso de estos nanotubos de carbono ya se ha demostrado en otros ámbitos como en la fabricación de barcos y material deportivo (bicicletas, raquetas, …). Según los responsables del proyecto, el uso de nanotubos de carbono ha permitido reducir el peso de las palas, así como aumentar su resistencia, ya que los nanotubos de carbono son unas 100 veces más fuertes que el acero y mucho menos pesados. De este modo pueden fabricarse estaciones eólicas compuestas por molinos con palas de mayores dimensiones, pero estables y ligeras, aumentando así la eficiencia de estas estaciones hasta en un 30 % (puesto que la energía que proporciona cada turbina es proporcional al cuadrado de la longitud de las palas). El hecho de que las palas sean más ligeras, igualmente permite que puedan ser operatives con velocidades de viento mucho menores (2 m/s) de las requeridas por los molinos convencionales.

Recientemente ha salido una nueva noticia relacionada con la nanotecnología y las nuevas tecnologías utilizadas en la fabricación de pantallas planas. En este caso ha sido la casa "SAMSUNG" la que ha anunciado un nuevo proyecto para desarrollar nuevas pantallas que permitan tener mayor variedad de colores y de luminosidad sin abandonar la idea de reducción de tamaño. Aquí os dejo la noticia tal y como puede encontrarse en la página oficial de SAMSUNG:

"En el CES de Las Vegas se ha presentado lo que puede ser la nueva tecnología en la luz LED de colores. Se trata de la utilización de la nanotecnología para dotar a los LEDs de luminosidad de colores con diferentes matices.

La compañía Nanosys ve viable esta posibilidad mediante la aplicación de una simple capa nanotecnológica sobre los LEDs dotando a estos de unos colores más cálidos y brillantes. Un material de fósforo desarrollado a partir de nanomateriales cubre un LED azul estándar creando una gama de colores mas viva. Los actuales LEDs de colores sólo son capaces de mostrar sus gamas originales, circunstancia que no será de aplicación con esta nueva tecnología.

Este avance supone desarrollar la tecnología existente sobre su esencia y situación actual, sin llevar consigo una innovación sin parangón que implicaría partir de cero en la investigación y desarrollo de un nuevo sistema de iluminación.

Una de las ventajas de su implementación es que no conllevará un aumento del consumo energético; nuestros ojos son bastante más sensibles a las tonalidades verdes por lo que a la hora de tratar de conseguir un mayor brillo se acentúa la intensidad de este color. Con esta nueva nanotecnología no será necesario este aumento de intensidad evitando el innecesario mayor consumo.

Esta nueva familia de LEDs aún se encuentra en fase de pruebas planteándose poder mejorar en un futuro la iluminación de dispositivos como portátiles o televisores HD. Todo apunta a que su utilización como sistema de iluminación de dispositivos de televisión será, como es lógico, Local Dimming que conlleva la desventaja de unos elevados costes del producto frente a los relativos a la retroiluminación EDGE LED de luz blanca distribuida a través del panel de difusión de luz de los televisores LED de Samsung de las Series 6000, 7000 y 8000"

Por Eva Vicente Morales

Una investigación conjunta del Grupo de Nanomateriales y Microsistemas y del Grupo de Física Estadística del Departamento de Física de la UAB, así como del Laboratorio Molecular Beam Epitaxy del ICMAB-CSIC (Instituto de Ciencia de los Materiales), en el Parc de Recerca UAB, ha conseguido desarrollar un material que podría actuar como nanorefrigerador en los ordenadores y romper la barrera que el calentamiento impone a la miniaturización de los chips.

Este nuevo material está basado en superredes formadas alternando dos capas, una de silicio y otra de nanocristales de germanio, que actúan como puntos cuánticos (quantum dots).

Al estar basado en nanoestructuras de germanio (Ge), este nuevo material presenta una fuerte reducción de la conductividad térmica (capacidad para disipar o retener energía), lo que le convierte en un candidato potencial para desarrollar sistemas termoeléctricos compatibles con el silicio. Por este motivo, se podría integrar en los dispositivos semiconductores más habituales.

Una de estas propiedades, muy importante en cuanto al diseño de chips, es la conductividad térmica que tienen los dispositivos que integran un chip. Esta propiedad es clave para el control del calentamiento de los circuitos muy miniaturizados y constituye uno de los límites físicos actuales a la potencia de computación. Al combinar calor y electricidad surgen efectos termoeléctricos que permitirían enfriar los circuitos y aumentar la potencia de computación.

Pero hasta ahora no se ha conseguido ningún material con las propiedades adecuadas para ser eficiente en su comportamiento termoeléctrico. Es por ello que la obtención de materiales en la escala nanométrica puede ofrecer una vía para la mejora de las propiedades termoeléctricas, ya que en estos materiales se puede conseguir una reducción importante de la conducción térmica a la vez que se mantiene una conductividad eléctrica suficientemente elevada, aspecto clave para obtener una eficiencia termoeléctrica elevada.

La clave de este nuevo descubrimiento con respecto a los realizados anteriormente es el desordenamiento de estos puntos, los puntos cuánticos, entre capas consecutivas. Se tiene que cumplir que los puntos cuánticos en una capa no se sitúen sobre los de la capa inferior adyacente, sino que ocupen lugares diferentes.

¿Y cómo se consigue esto? Pues mediante la inclusión de una pequeña subcapa de carbono entre cada par de capas de silicio y nanopuntos de germanio cuya función es esconder la información de los puntos cuánticos de niveles inferiores.

La consecuencia principal de todo esto es la disminución de la conductividad térmica al dificultar el transporte del calor en la dirección perpendicular a las multicapas. En este trabajo se ha comprobado que esta reducción respecto a las estructuras ordenadas es superior a un factor 2.

Este hecho podría tener consecuencias notables de cara al diseño de nuevos materiales con características termoeléctricas mejoradas y abre las puertas a la realización de posibles nanorefrigeradores que se podrían integrar en los dispositivos semiconductores más habituales, al ser una tecnología compatible con la tecnología del silicio.

Las estructuras basadas en Ge también son candidatas para aplicaciones de alta temperatura, como la recuperación del calor que se genera en procesos de combustión y su conversión en energía eléctrica.

Otra cosa importante que se debe destacar es el estudio teórico de las propiedades térmicas que este nuevo material presenta a través de un modelo sencillo basado en una modificación de la ecuación de Fourier del calor. Los resultados demuestran que consigue predecir su comportamiento a partir de sus dimensiones características. Así, fruto de los estudios previos sobre el tema, los investigadores han conseguido entender el fundamento teórico sobre el cual se basa el comportamiento térmico de este material nanoestructurado.

La investigación está coordinada por Javier Rodríguez, profesor del Departamento de Física de la UAB, con la participación de Jaime Álvarez, Xavier Álvarez y David Jou, del mismo departamento, así como los investigadores del CSIC Paul Lacharmoise, Alessandro Bernardi, Isabel Alonso, y el investigador ICREA Alejandro Goñi. Parte de la investigación se ha llevado a cabo en el Laboratorio de Nanotecnología del Centro de Investigación MATGAS en el Parc de Recerca UAB.

La investigación ha sido publicada en Applied Physics Letters. El grupo de científicos continúa trabajando en el desarrollo de un material que además tenga una buena conductividad eléctrica mediante el dopaje controlado de la estructura.

La empresa Toshiba ha anunciado el lanzamiento de un nuevo módulo de memoria flash basada en tecnología NAND diseñada específicamente para el mercado de consumo (teléfonos móviles y cámaras digitales por ejemplo) con capacidad de 64 GB. Este chip de 64 GB ha sido desarrollado conjuntamente por Toshiba Corporation y Toshiba America Electronics Components Inc. El dispositivo combina 16 componentes de los chips NAND de 32 Gbits (equivalente a 4GB) usados por Toshiba y producidos bajo tecnología propia de 32 nm. En el componente se ha integrado un controlador dedicado. Recordar que Toshiba  es la primera compañía que ha conseguido combinar 16 chips NAND de 32 Gbits y que tienen sólo 32 micras de espesor. La producción en masa de este nuevo chip de 64GB comenzará en este primer trimestre de 2010.

Año tras año la actividad humana continúa incrementando las emisiones de gases de efecto invernadero, agravando así la preocupante situación generada por el progresivo aumento de las temperaturas del planeta (0.74 °C en los últimos 100 años). Los efectos del calentamiento global son ya inequívocos y parcialmente irremisibles, sin embargo está en nuestras manos intentar mitigarlos.

Tras el exiguo acuerdo de mínimos alcanzado en la reciente cumbre sobre el cambio climático desarrollada en Copenague, se hace imprescindible alcanzar un consenso global sobre cómo afrontar el cambio climático y frenar la reducción global de las emisiones de CO₂, así como avanzar en la búsqueda de nuevas soluciones con las que enfrentar el problema.

En este marco, la nanotecnología puede ser una de las claves que ayuden a paliar esta situación.

En la actualidad existen dos métodos mediante los que la nanotecnología pretende reducir las emisiones contaminantes. Estos son la catálisis y las membranas nanoestructuradas.

- Mediante la catálisis, método que ya ha comenzado a implementarse, se pueden aceleran las reacciones químicas con las que transformar los gases altamente contaminantes en otros menos dañinos. Mediante el uso de nanopartículas, la nanotecnología permite mejorar los procesos de catálisis, así como abaratar sus costes. Al aumentar la superficie con la que las nanopartículas reaccionan con los diferentes compuestos químicos, el proceso resulta más efectivo. Como ejemplo, el grupo de investigación de Toyota Central R&D liderado por Anil K. Sinha ha conseguido reducir la presencia de compuestos orgánicos volatiles (VOC) en el aire mediante el uso de nanopartículas de oro embebidas en una matriz de óxido de manganeso poroso. Asimismo, la compañia CO2Sollution está desarrollando una encima que permite transformar el dioxido de carbono en bicarbonato. Este método ya se ha implementado en diversas plantas piloto, aumentando considerablemente su efectividad frente a otros métodos.

- En el caso de las membranas nanoestructuradas, se pretende filtrar el dióxido de carbono emitido por las plantas industriales. En la actualidad, el consorcio europeo NANOGLOWA trabaja en el desarrollo de diferentes tipos de membrabas nanoestructuradas, gran parte de ellas basadas en el uso de nanotubos de carbono. Las investigaciones apuntan a que estos sistemas podrían implementarse en los puntos de emisión a un coste más reducido que el asociado a los procesos de catálisis. Este proyecto se desarrollará y probará durante los próximos 5 años. Científicos de la Universidad de Queensland en Australia también tratan de desarrollar una membraba basada en nanotubos de carbono capaz de filtrar el dioxido de carbono de las emisiones contaminantes. Según este grupo de científicos, en 10 o 15 años podrá disponerse de un dispositivo a escala industrial.

- Otras propuestas más utópicas se centran en la "re-carbonización", proceso mediante el que se pretende transformar el exceso de CO₂ presente en las emisiones contaminantes, en nanotubos de carbono con los que, entre otros mucho dispositivos, podrían fabricarse membranas nanoestructuradas con las que filtrar el CO₂. Además el exceso de nanotubos de carbono es fácil de almacenar, sin entrañar excesivos riesgos.

En todo este proceso de lucha contra el cambio climático, es imprescindible el apoyo y acuerdo entre los diferentes gobiernos, así como la reducción en los costes de producción e implementación de estos sistemas en las plantas industriales. Algunas compañías ya se dedican al desarrollo de esta empresa, como NanoStellar, CO2Solution o Nanoglowa.

Por Enrique Saiz Carcajales

Un nuevo y emocionante material artificial está suscitando toda una revolución en el desarrollo de materiales para aplicaciones electrónicas gracias a la colaboración entre investigadores europeos.

El descubrimiento resulta de una colaboración entre el grupo de teoría del profesor Philippe Ghosez (Universidad de Lieja, Bélgica) y el grupo experimental del profesor Jean-Marc Triscone (Universidad de Ginebra, Suiza).  Uno de los investigadores principales de este proyecto, el Dr. Matthew Dawber, que recientemente se unió al Departamento de Física y Astronomía en la Universidad de Stony Brook, estuvo en primera línea de esta iniciativa dirigida a crear y comprender estos materiales. "Aparte de las aplicaciones inmediatas que podrían surgir del nanomaterial, este descubrimiento inaugura un campo de la investigación completamente nuevo y abre la posibilidad de crear nuevos materiales funcionales partiendo de un nuevo concepto: la ingeniería del contacto entre superficies a escala atómica", comentó el Dr. Dawber.One of the lead researchers on this project, Matthew Dawber, who recently joined the Department of Physics and Astronomy at Stony Brook University , will be at the forefront of the continued effort to make and understand these revolutionary artificial materials in his new lab.

El nuevo material se trata de una estructura en configuración de  "superred" compuesta de diferentes óxidos de metales de transición. Los óxidos de metal de transición presentan propiedades eléctricas y magnéticas singulares tales como magnetorresistencia gigante, transiciones metal-aislante o superconductividad.

Los óxidos de metal de transición pertenecen a un campo de la ciencia relativamente nuevo. Saltaron a los titulares por primera vez en 1986, con el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura (premio Nobel de Física). Gracias a ellos, algunos materiales pueden mantener la superconductividad a temperaturas por encima  al punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 K ó -196°C).

Aparte de la superconductividad, los óxidos de metal de transición tienen aplicaciones en los ámbitos de los aislamientos y los semiconductores, entre otros. Dadas sus diversas aplicaciones, poseen también la capacidad de integrarse en numerosos dispositivos.

La nueva superred creada por el grupo del proyecto consiste en una estructura que está compuesta por múltiples capas alternas de grosor nanométrico de dos óxidos distintos, PbTiO₃ y SrTiO₃ (estructura perovskita multicapa). Esto dota a la red de propiedades radicalmente distintas de las de los dos óxidos por separado. Estas nuevas propiedades son consecuencia directa de la estructura artificial en capas y se derivan de interacciones a escala atómica en las zonas de contacto entre las capas. En definitiva, esta superred elaborada después de años de experimentos e intentos fallidos, está compuesta por una especie de estructura con dimensiones nano. La fusión de ambos materiales dota a la nanosuperred de capacidades sorprendentes, y ha despertado el interés de muchos, ya que está generando una revolución en el área nanotecnológica.

El PbTiO₃ y el SrTiO₃ son dos óxidos bien conocidos y bien caracterizados. Uno presenta una inestabilidad estructural ferroeléctrica y,  el otro, inestabilidad estructural no polar. En un estudio teórico realizado en Lieja, usando sofisticadas técnicas de simulación, se predijo que, si estos materiales se combinasen en una superred, ocurriría un acoplamiento inusual y sorprendente entre los dos tipos de inestabilidades, que es lo que provoca la llamada ferroelectricidad impropia.

La ferroelectrónica tiene muchas aplicaciones, desde las memorias informáticas no volátiles avanzadas a las máquinas microelectromecánicas o los detectores de infrarrojos. La ferroelectricidad impropia es un tipo de ferroelectricidad que se produce raras veces en materiales naturales y cuyos efectos suelen ser demasiado pequeños para poder aprovecharse.

Un estudio experimental paralelo realizado en Ginebra confirmó el carácter ferroeléctrico impropio en este tipo de superred y encontró indicios de una nueva propiedad excepcionalmente útil: la dieléctrica. Se trata de la capacidad de poseer una temperatura muy alta y, simultáneamente, ser independiente de la temperatura, dos características que suelen excluirse mutuamente, pero que en este caso se reúnen por primera vez en un mismo material.

Leer más »

Intel ha anunciado el desarrollo experimental de un nuevo chip para ordenadores creado con tecnología de 45nm (ligeramente superior a la tecnología de 32 nm) pero que integra más de 4 procesadores y que es escalable. El nuevo chip bautizado por sus bunnymen como el ";single-chip cloud computer", contará con la tecnología de integración que se usa para enlazar diferentes servidores a lo largo del mundo. Intel cuenta con planes para elaborar un mínimo de cien chips experimentales para distribuirlos a docenas de colaboradores del sector y a universidades de todo el mundo, con el objetivo de desarrollar nuevas aplicaciones de software y modelos de programación para este tipo de procesadores multi-core/many-core.

Gracias a la arquitectura de este chip del futuro, se permitirá un considerable ahorro de consumo eléctrico, de espacio físico y de tiempo de proceso. Y lo más fabuloso es que los múltiples núcleos (48 núcleos en un principio con puerta de transistor basada en metal potásico "high-k") caben en una oblea del tamaño actual de los chips de silicio de 45 nanomilímetros.

El ahorro de energía, multiplicado por la reducción de máquinas empleadas y su tamaño físico, exigirá dimensionar de nuevo los centros de hosting, algo que a largo plazo agradecerá la Naturaleza. Esta red de alta velocidad «inside» del chip, funcionará con una extraordinaria eficiencia energética a tan sólo 25 vatios en modo de inactividad, o 125 vatios cuando funcionen a máximo rendimiento (lo que implica un consumo parecido al de los procesadores actuales y equivale al gasto de dos bombillas).

Vea un video de presentación en: http://www.youtube.com/watch?v=L_cXi7uyJU4&feature=player_embedded

Para continuar con nuestro foro debate sobre nanotecnología, os presentamos las reflexiones realizadas por la profesora de la Universidad Complutense Paloma Fernández y el investigador del CSIC Javier Solís.

El interés creciente en el estudio de las propiedades y aplicaciones de los materiales estructurados en escalas meso- y nanoscópica parecen indicar que estamos asistiendo a una revolución científica perfectamente comparable a las ocurridas durante el siglo XX (cuántica, relativista y electrónica). En tan solo cinco años (2001-2005) el número de publicaciones científicas en el ámbito de las nano-ciencias ha superado los dieseis mil artículos, más de cinco veces el valor correspondiente al período  1996-2000, tal y como puede apreciarse en la Figura 1.

1. Avance del conocimiento y la tecnología.
2. Cambio de paradigma científico y revolución social.
3. Interacción TIC´s , nanotecnología y sociedad

En próximos artículos debatiremos cada una de estas cuestiones…

Dentro del foro debate que estamos exponiendo en estos últimos dias, os proponemos que consultéis la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT). Recientemente ha publicado una nueva unidad didáctica sobre la nanociencia y la nanotecnología, dos disciplinas emergentes, con un elevado carácter multidisciplinar y con especial relevancia científica y social. Los desarrollos y aplicaciones industriales que realiza la nanotecnología a partir de la investigación básica que realiza la nanociencia son absolutamente innovadores, desde nuevos materiales con aplicaciones en medicina (fabricación de ligamentos o tendones artificiales) o en construcción (edificios que se puedan autoabastecer energéticamente), hasta dispositivos electrónicos cada vez más diminutos y potentes.

Esta publicación puede encontrarse gratuitamente en la página web de FECYT, y descargarse en formato pdf:

http://www.fecyt.es/fecyt/seleccionarMenu1.do?strRutaNivel1=;Publicaciones&tc=publicaciones

La unidad didáctica está principalmente dirigida a estudiantes de Secundaria, y está elaborada por un grupo de científicos coordinado por José Ángel Martín Gago. El subtítulo de la unidad da un claro ejemplo de la transcendencia actual de la nanociencia y la nanotecnología: Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Por ello, y pensando en la diversidad de los lectores, se abordan los temas principales de estas disciplinas desde el rigor científico, pero de forma amena y accesible al público general.

A lo largo de los capítulos se tratan temas como nano-herramientas, nano-materiales, nano-química, nano-biotecnología, nano-electrónica, nano-simulación, nano-aplicaciones y nano y sociedad. Para aquellas personas que quieran adentrarse en este mundo de la nanotecnología, este libro puede ser un buen comienzo…

Ya se han resuelto los premios a las mejores fotografías en ciencia dentro del certamen FotCiencia7, organizado por FECYT en el 2009.

En este link podéis encontrar las imágenes premiadas y una breve descripción de las mismas: http://www.fotciencia.fecyt.es/publico/premiados.aspx

A partir de este mes se organizaran diversas exposiciones itinerantes donde se podrán ver algunas de las fotografías presentadas al concurso, en la página web del certamen podéis encontrar más información.

Os dejamos la imagen ganadora dentro de la categoría Micro, obra de José Luis Prieto Martín

REVUELTO DE CHAMPIÑONES

Los seres de tamaño microscópico tienen un peso que se mide en nanogramos (un millón de millones más ligero que un kilo). Con esa masa, la gravedad no tiene ninguna influencia y son las fuerzas interatómicas las que mandan. Por ello, en el mundo microscópico, donde el peso es insignificante, cualquier fuerza entre superficies puede sostener una estructura que sería imposible a tamaño real.

En la figura vemos micro-“champiñones” crecidos electrolíticamente con cobalto en un molde de resina. Al quitar la resina los “champiñones” se sostienen en cualquier posición. Ahora es más fácil entender por qué las salamanquesas, que pesan muy poco, pueden andar por el techo de puntillas y por qué Spiderman no puede existir (espero no haber decepcionado a nadie).

Equipo Fotográfico: CRESTEC CABL9000 50keV 500pA