Nanotecnología

Cuando se habla de transistores, le viene a uno a la cabeza la imagen de complejos circuitos electrónicos, con cientos de dispositivos de los que se desconoce tanto su utilidad como el porqué la creciente obsesión de los investigadores de disminuir todo lo posible su tamaño y aumentar su rapidez de respuesta.

Por tanto la cuestión en primer lugar sería, ¿qué es un transistor y para qué sirve? Los transistores son pequeños dispositivos eléctricos que permiten amplificar la corriente eléctrica que pasa por ellos, y que, según sea necesario, pueden permitir o interrumpir el paso de dicha corriente. Los transistores están en prácticamente la mayoría de los dispositivos de uso diario, desde radios, televisores, reproductores de audio, vídeo o mp3, móviles, microondas o automóviles, hasta otros más sofisticados como relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X o incluso ecógrafos.

Ahora podemos llegar a entender porqué interesa que su tamaño sea el mínimo posible y su capacidad de respuesta, máxima. No interesaría fabricar una calculadora de dimensiones desmesuradas, y que encima funcionara a paso de tortuga.

¿Y qué se ha hecho para conseguir esto? Aplicar la nanotecnología a estos dispositivos; en concreto, fabricar transistores con nanotubos de carbono.

Éstos son tubos compuestos únicamente de carbono, que pueden alcanzar hasta algunos milímetros de largo, pero cuyo diámetro es 1.000.000.000 veces menor que un metro, es decir, que  tienen un tamaño tan pequeño que podríamos acomodar 50.000 nanotubos de carbono en el espesor de un pelo,  y que además poseen unas propiedades tan excelentes como ser casi 100 veces más fuertes que el acero. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes así como más conductoras jamás conocidas, siendo capaces de transportar la corriente eléctrica prácticamente sin fricción sobre la superficie; esta alta movilidad de los electrones permitiría compatibilidad con las aplicaciones tecnológicas de gran velocidad. Por tanto pueden actuar como semiconductores, que son los materiales con los que se fabrican los transistores de los que antes hemos hablado.

Al fabricar transistores con nanotubos de carbono se consigue reducir drásticamente su tamaño, y por tanto poder meter muchos más transistores dentro de un mismo chip o microprocesador con el consecuente aumento de la velocidad de respuesta de los dispositivos electrónicos.

IBM anunció en el año 2002 que había creado los transistores de nanotubo de más alto desempeño hasta la fecha, superando incluso a los prototipos de transistores de silicio del momento: “Los investigadores de IBM obtuvieron la transconductancia (medida de la capacidad de corriente) más alta lograda a la fecha entre los transistores de nanotubo de carbono. Una transconductancia alta implica que los transistores pueden operar más rápidamente, por lo que los circuitos integrados resultantes son más poderosos”.

En noviembre del año 2004, Infineon Technologies presentó el transistor de nanotubos de carbono más pequeño  del mundo, con un tamaño de 18 nanómetros.

Esta compañía fue pionera en la cultivación de nanotubos de carbono en puntos definidos con mucha precisión, lo cual como veremos más adelante, es el principal problema que supone la fabricación de estos innovadores dispositivos.

Los nanotubos de carbono de este minúsculo y único transistor tienen diámetros comprendidos entre 0,7 y 1,1 nanómetros. El transistor es capaz de trasladar corrientes en exceso de 15 µA a un voltaje de solo 0,4 V (lo normal es 0,7 V) y se cree que con la aplicación de nanotubos de carbono se podrían lograr voltajes de suministro tan bajo como 0,35V.

Actualmente los procesadores Core 2 Duo de Intel ponen de manifiesto el uso cotidiano de la nanotecnología con sus transistores de 45 nanómetros, y está previsto que para el año 2009 su tamaño se reduzca a 32  nanómetros. Estos transistores no son de nanotubos de carbono, pero Intel está estudiando sacar al mercado esta nueva tecnología en un futuro no muy lejano, ya que cabe esperar que los circuitos de silicio convencionales alcancen un límite físico de unos 10 nanómetros en los próximos 15 años aproximadamente.

A pesar de la gran cantidad de ventajas que presentan estos dispositivos, el problema de la aplicación de la nanotecnología del carbono a los transistores es la complejidad de su fabricación en cuanto a la colocación de los nanotubos en el lugar deseado. En referencia a esto, los avances son constantes pero lentos. Parece ser que el zafiro  (http://www.euroresidentes.com/Blogs/noticias/2006/02/transistores-y-sistemas-electrnicos.html)  cristalino como sustrato facilitaría la colocación ordenada de nanotubos de carbono, permitiendo así la fabricación de transistores flexibles. Pero las investigaciones al respecto siguen a la orden del día. Los últimos avances ponen de manifiesto transistores que, en su función de interruptores automáticos, alcanzan frecuencias de corte de 30 GHz. La técnica utilizada para su fabricación se conoce como dielectroforesis, y permite una deposición uniforme de los nanotubos de carbono alineados sobre un sustrato de silicio. 

Para empezar, muchos de vosotros os preguntaréis qué es un fotodetector. Pues bien, un fotodetector es un dispositivo basado en materiales semiconductores que transduce una señal fotónica en una señal eléctrica. En otras palabras, es un dispositivo que cuya superficie sensora es capaz de proporcionar una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre ella.

Los materiales que se utilizan en la fabricación de estos dispositivos suelen ser semiconductores como el silicio, el arseniuro de galio, el germanio, u otros compuestos ternarios (combinación de tres tipos de materiales que darán lugar a propiedades óptimas para estos dispositivos optoelectrónicos).

Aunque existen dos tipos de fotodetectores, térmicos y fotónicos, nos centraremos aquí en los segundos.

El quid de la cuestión llega ahora, cuando nos preguntamos por qué la nanotecnología entra en el campo de los fotodetectores.

¿Cómo mejora la nanociencia el funcionamiento de estos dispositivos?

Una de las aplicaciones de los fotodetectores consiste en cámaras de visión nocturna.

Actualmente éstas se basan en caros chips de arseniuro de galio e indio.

Con la aplicación de la nanotecnología a este campo, la visión nocturna se consigue mediante fotodetectores sensibles a la luz en la región del infrarrojo, que son las ondas por ejemplo que emiten los radiadores o los microondas que tenemos en nuestras casas, o también las emitidas por el propio cuerpo humano.

Estos fotodetectores están basados en una capa de 800 nanómetros de grosor de nanopartículas fotosensibles, y son diez veces más sensibles a los infrarrojos que los sensores utilizados actualmente. La universidad de Toronto, donde se realizó el estudio, afirma que “este sistema se podría aplicar en otros campos, como la formación de imágenes en medicina, el control ambiental o las comunicaciones por fibra óptica”. Los límites en la fotosensibilidad del silicio y el elevado coste de semiconductores como el arseniuro de galio e indio (InGaAs) hace que los estudios en este campo sean constantes.

En la actualidad las principales fuentes de recursos energéticos se basan en la quema de carburantes que contienen carbón. Esto no sólo conlleva efectos nocivos para el medio ambiente, sino que además constituye una fuente de energía no renovable.

Y la pregunta entonces sería… ¿cuál es una de las fuentes inagotables de energía que la naturaleza nos brinda? La respuesta es obvia: el sol.

El dispositivo capaz de convertir la energía solar en energía eléctrica recibe el nombre de CÉLULA SOLAR. La primera célula solar fue patentada por Russell Ohl en 1946, y obviamente su desarrollo y avances en este campo han sido constantes.

El material más comúnmente utilizado para la fabricación de las células solares es el silicio, el material sólido más abundante en la Tierra. Sus propiedades como semiconductor son óptimas para la fabricación de estos dispositivos. Sin embargo, su costo es muy elevado.

Por otro lado, y con la idea de intentar mejorar la eficiencia de las células (cantidad de energía del sol que son capaces de convertir a energía eléctrica), surgió la segunda generación de estos dispositivos, basado en heterouniones, es decir, células solares de diversos materiales que se colocan superpuestas unas encima de otras consiguiendo así que el porcentaje de energía solar transformada en energía eléctrica aumentase considerablemente.

Una de las primeras aplicaciones de la nanotecnología a las células solares fue la construcción de películas delgadas con Si nanocristalino. Sin embargo, sus costos de fabricación son muy elevados, no olvidando además la creciente caída de la disponibilidad del Si en el mercado.

Lo realmente fascinante llega con la aplicación de la nanotecnología a estos dispositivos mediante el uso de otros materiales que impliquen reducir los costos de la producción y aumentar eventualmente la eficiencia actual de las fotocélulas. Si contemplamos el horizonte de investigaciones que se han llevado a cabo desde el principio de la década de los noventa, nos encontramos con la fabricación de células solares orgánicas. Las ventajas de estos nuevos dispositivos frente a los fabricados con silicio son no solamente la reducción del coste por debajo de la mitad, sino la facilidad del proceso de fabricación. Cada célula solar nanoestructurada es impresa en un plástico base de forma que se crean “rollos de plástico” con una alta eficiencia en la recolección de luz, ya que cada célula actúa como una colector solar autónomo.

Estas nuevas células pesan menos, y son más flexibles, lo que permitiría que se pudieran introducir dentro de teléfonos móviles y portátiles, por ejemplo, o adaptarse con mucha mayor facilidad a las estructuras arquitectónicas, pudiendo incluso aplicarlas en forma de pintura sobre los muros.

En este aspecto, encontramos en la Web recientes estudios que prometen sacar a la venta sprays que “convertirían simples planchas de acero en paneles solares fotovoltaicos”. Esta nueva tecnología se basa en los llamados dispositivos DSSC (Dye-Sensitised Semi-conductor Cells) , también conocidos como células solares sensibilizadas. En general, están constituidas por óxido de titanio nanocristalino, recubierto con una monocapa de un compuesto orgánico que actúa como sensibilizador, debido a que el óxido de titanio es transparente a la luz visible. Esta monocapa, a diferencia del óxido de titanio, es capaz de absorber un rango amplio del espectro solar.
Su eficacia es muy elevada, aunque no alcanza la conseguida con las células basadas en silicio, pero su menor coste de producción hace ver en estos nuevos dispositivos un futuro muy prometedor.

A pesar de que las versiones que más prometen dentro de nuevo campo de las células solares son las que utilizan materiales híbridos orgánicos-inorgánicos (células solares fabricadas mediante nanocristales inorgánicos embebidos en una matriz plástica), comentadas ya anteriormente, también nos encontramos con investigaciones más recientes han llegado a fabricar células solares únicamente mediante una aglomeración de nanocristales inorgánicos (seleniuro de cadmio y telurio de cadmio), sin matriz orgánica. Este tipo de estructuras son más inestables en el aire, pero su durabilidad en el tiempo sería mucho mayor.

La última noticia en cuanto a avances en este campo, nos lleva al descubrimiento de un nuevo material, conocido como nanoflakes que en realidad es una estructura cristalina perfecta con el potencial de convertir hasta un 30% de la energía solar en electricidad, lo que duplicaría la eficiencia de los más punteros dispositivos actuales: “Su potencial es inconfundible. Podemos reducir los costes de producción de las células solares porque, gracias al uso de la nanotecnología, utilizamos menos cantidad del caro semiconductor silicio en el proceso”.

Concluyendo, podemos decir que el silicio siempre ha sido, y de momento es, el material más utilizado para la fabricación de células solares, por su alta tasa de conversión de la energía solar en energía eléctrica.  Sin embargo, con la aplicación de la nanotecnología a este campo, los nuevos dispositivos creados presentan tal cantidad de ventajas, que se espera que en muy poco tiempo su principal inconveniente (menor eficacia que el silicio) sea paliado y el salto en su uso sea cuántico. Las energías renovables son el futuro, y la energía solar es una fuente inagotable que debemos aprender a aprovechar para cubrir las necesidades de la humanidad.

     El químico italiano Giacomo Ciamician publicaba en 1912 en la revista Science una nueva idea sobre una posible alternativa energética a los combustibles fósiles. Ciamician soñaba con futuras centrales energéticas donde "bosques de tubos de vidrio cubrirían llanuras enteras", en cuyo interior la luz solar se emplearía de modo que el hombre aprovechara "el custodiado secreto de las plantas". Casi un siglo después, el sueño de Ciamician parece estar más cerca que nunca de hacerse realidad. Investigadores de todo el mundo están desarrollando métodos para obtener energía limpia de una forma sencilla, aprovechando la misma idea que explotan las células vegetales, es decir, transformar la energía solar en energía electroquímica empleando moléculas sensibles a la luz.    

    La fotosíntesis consiste en una serie de procesos mediante los cuales las plantas, algas y algunas bacterias captan y utilizan la energía de la luz para transformar la materia inorgánica de su medio externo en materia orgánica que utilizarán para su crecimiento y desarrollo.

6 CO₂ + 6 H₂O   ^LUZ      C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

H₂O  ^LUZ     ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e^- 

   Los organismos capaces de llevar a cabo este proceso se denominan fotótrofos y si además son capaces de fijar el CO₂ atmosférico (lo que ocurre casi siempre) se llaman fotoautótrofos o simplemente autótrofos. Salvo en algunas bacterias, en el proceso de fotosíntesis se produce liberación de oxígeno molecular (proveniente de moléculas de H₂O) hacia la atmósfera (fotosíntesis oxigénica). Es ampliamente admitido que el contenido actual de oxígeno en la atmósfera se ha generado a partir de la aparición y actividad de dichos organismos fotosintéticos. Esto ha permitido la aparición evolutiva y el desarrollo de organismos aerobios capaces de mantener una alta tasa metabólica (el metabolismo aerobio es muy eficaz desde el punto de vista energético).

  La otra modalidad de fotosíntesis, la fotosíntesis anoxigénica, en la cual no se libera oxígeno, es llevada a cabo por un número reducido de bacterias, como las bacterias púrpuras del azufre y las bacterias verdes del azufre; estas bacterias usan como donador de hidrógenos el H₂S, con lo que liberan azufre.

   La utilización por parte de las plantas, de la luz para producir energía y materia viva, mediante la fotosíntesis, es la base de la vida actual de la tierra.

   Aparte de este hecho, que agradecemos los seres vivos, la fotosíntesis tiene dos facetas que son de crucial importancia desde el punto de vista de producción energética y de control del CO₂ en la atmósfera, y que, básicamente, consiste en utilizar la luz solar para absorber el dióxido de carbono, producir oxígeno y fabricar hidratos de carbono. Es decir, eliminan el que, según la mayoría de los científicos, es el causante del calentamiento de la atmósfera, producen el gas que respiramos y producen azúcares y materia orgánica.

La importancia de la fijación del CO2 por la fotosíntesis es inmensa. Sin ella la vida conocida en la Tierra no existiría. Pero ahora, gracias al trabajo de un grupo de Ingenieros de la Universidad japonesa de Kyoto se ha conseguido desarrollar un nuevo  material construido a base de nanopartículas muy puras de dióxido de manganeso, mediante el cual, es posible reproducir artificialmente la fotosíntesis natural a muy bajo coste.

   Estas nanopartículas, se obtienen mediante una especial técnica de combustión. El reducido tamaño de estas partículas, de varios nanómetros, convierte al nuevo material en más reactivo y eficaz para imitar el fenómeno natural de la fotosíntesis. Teóricamente, podría reducir 300 veces más que las plantas el dióxido de carbono presente en la atmósfera.

   Las posibilidades son inmensas. Se podría reducir la emisión de CO₂ en origen, (vehículos e industria), al mismo tiempo que sería más barato y rápido “plantar bosques artificiales” que los naturales, por ejemplo en terrazas y fachadas de viviendas, así como  sintetizar los azúcares y el etanol a bajo coste para sustituir a los combustibles derivados del petróleo.

   Las posibilidades son, no ya sólo interesantísimas, si no que pueden ser cruciales para nuestro futuro.

http://www.cienciadigital.es/hemeroteca/reportaje.php?id=43

     El francés Albert Fert y el alemán Peter Grünberg han obtenido el Premio Nobel de Física 2007 por el descubrimiento de la Magnetorresistencia Gigante, según informó el Comité Nobel. El Comité del premio ha valorado el trabajo de Albert Fert y Peter Grünberg al descubrir la magnetorresistencia gigante, hoy aplicada masivamente en las cabezas lectoras de los discos duros y que dio lugar a la Espintrónica.

      El hallazgo, al que llegaron trabajando por separado en 1988, provocó el nacimiento de la Espintrónica, la tecnología consistente en utilizar el espín de un electrón (una de las propiedades de las partículas) para crear nuevas herramientas, entre ellas, un tipo de cabeza lectora de datos para discos duros usada masivamente en la actualidad. La espintrónica, llamada a relevar a al electrónica, abre la puerta a un nuevo mundo. Con su descubrimiento, los laureados han conseguido dar el salto más rápido de la historia desde el laboratorio al mercado: en sólo nueve años todos los ordenadores han incorporado su lector.

   Aumentar la capacidad y reducir el tamaño. La magnetorresistencia es la propiedad que tienen algunos materiales para modificar su resistencia eléctrica cuando son sometidos a un campo magnético. En cuanto a la magnetorresistencia gigante (GMR, en sus siglas en inglés), descubierta por los dos investigadores que ahora premia la Fundación Nobel, se trata de un efecto de mecánica cuántica (el campo de la física que se encarga de explicar cómo se comporta la materia a escala atómica). Este efecto se observa en películas de escaso grosor (nanométrico) compuestas por capas metálicas que son, alternativamente, magnéticas y no magnéticas. Entre otras aplicaciones, la GMR permite que unos mínimos cambios magnéticos provoquen que el material presente una mayor resistencia eléctrica.   Aplicando ese efecto a los soportes magnéticos de almacenamiento de datos, los técnicos consiguieron en la década de los 90 aumentar la capacidad de los discos duros utilizados masivamente en los ordenadores, y reducir al mismo tiempo su tamaño. Sin su descubrimiento, los aparatos informáticos o de reproducción tendrían aún el tamaño de los de hace 25 años.

   Un premio 'cantado'. Uno de los investigadores españoles que colabora con el francés Albert Fert, Josep Fontcuberta, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona y experto en espintrónica, ha explicado que "es un premio que se venía cantando" porque ambos galardonados "han cambiado la vida no sólo de los investigadores en este campo, sino la de todos". Lo que Fert y Grünberg descubrieron en 1988, ha resumido Fontcuberta, está colocado en ordenadores desde 1997, es decir, un salto al mercado "más rápido que el anterior más rápido, que eran los transistores".   Según ha afirmado el profesor de investigación del Instituto de Materiales de Madrid (CSIC) Jesús González, con la espintrónica se logrará un grado de libertad nuevo con el que trabajar porque permitirá aumentar muchísimo la velocidad del cálculo.  El investigador del CSIC José María de Teresa, del Instituto de Materiales de Aragón, estuvo dos años trabajando con Fert en París entre 1998 y 2000 y ha reconocido que ya se rumoreaba entonces que le iban a dar el Nobel por sus hallazgos, a lo que Fert respondía que, aunque le haría "ilusión", le daba "miedo" porque estaba seguro de que "le iba a cambiar la vida".   

   Fert (a la derecha en la imagen) es director de la Unidad Mixta de Física del CNRS/THALES de la Universidad de París Sur, y nació en 1938. Grünberg (a la izquierda en la imagen), por su parte, nació en 1939 y trabaja como profesor en el Centro de Investigación de Jülich, al oeste de Alemania.

Son numerosos los grupos de científicos a lo largo y ancho del mundo dedicados al estudio de materiales para la investigación en el campo de las células solares. Son muchos los esfuerzos que se están dedicando y debido a ello merecen nuestro reconocimiento en este blog. Las vías que se siguen son variadas pero casi todas ellas están orientadas hacia la nanotecnología. Una de las noticias que habrá que seguir con mayor atención ha sido publicada recientemente en la revista Nature Nanotechnology por un grupo de investigadores de Nano-Science Center y  Niels Bohr Institute at University de Copenhagen. Martin Aagesen, investigador principal del proyecto indica que han conseguido rendimientos del orden del 30% lo cual representa !!DOBLAR!! el rendimiento de las actuales células solares. El nuevo material, base de estas nuevas células solares, ha sido denominado Nano Flakes (nano copos). Si finalmente este nuevo material puede ser aplicado sin problemas, no sólo ahorraremos dinero en electricidad y podremos llegar a ser autosuficientes sino que el planeta nos lo agradecerá.

• PINTURA REGENERATIVA

Nissan ha desarrollado una pintura de alta elasticidad que, dependiendo de lo grave del deterioro y de la temperatura, devolverá el aspecto original al vehículo afectado.

Lo que es mejor, lo hace en un periodo realmente corto que oscila entre un día o una semana. Lo malo es que las propiedades de esta pintura, denominada “Stracht Guard Coat” (lo que podríamos traducir por Abrigo Contra Arañazos) sólo duran tres años, por lo que esperamos que la investigación logre ampliar ese periodo.

Muchos afectados por los arañazos y abrasiones producto del tráfico, del uso diario o, desgraciadamente, de la mala fe de algunos “graciosos”; sueñan con una pintura como ésta. Nada de recurrir a costosas ceras de protección o productos reparadores varios, es el propio coche quien se “recupera” mientras nosotros podremos olvidarnos del “raspón” recién descubierto.

En cuanto a su composición, esta pátina se caracteriza por la presencia de una resina específica de alta elasticidad, capaz de recubrir el daño pero cuyas propiedades se mantienen únicamente durante tres años.

Quizá el avance más espectacular y un precursor de la pintura desarrollada por Nissan sea el proceso aplicado por Mercedes-Benz a partir de 2003: una capa compuesta por micropartículas que se aplica durante el proceso de secado.

Lo interesante de esta aplicación es que forma una tupida estructura en forma de red, mucho más resistente a los arañazos producidos. La capa de nanopartículas, además de multiplicar por tres la resistencia al rayado de pintura, prolonga, asimismo y de manera considerable, la duración del brillo.

Prperando un post anterior sobre Fotolitografía encontré una curiosidad muy propia de estas fechas:

 La fotografía muestra lo que presumiblemente es el belén más pequeño del mundo, que ha sido fabricado sobre el sustrato de un microchip. El nacimiento, apreciable  únicamente a través de un microscopio, está formado por San José, la Virgen María y el niño Jesús. En conjunto, las tres figuras tienen un tamaño de 0,1 milímetros de ancho por 0,2 milímetros de alto.
Para la construcción de una escena tan pequeña, se han utilizado técnicas de nanotecnología y de manera particular la fotolitografía, empleada para la fabricación de circuitos integrados. El micro belén se ha realizado utilizando el espacio libre que quedaba, después de su diseño, en un circuito integrado de comunicación vía satélite.
Se han empleado los distintos niveles de conexión que ofrece la tecnología de fabricación para realizar las figuras, correspondientes a los diferentes planos espaciales observables en las fotografías