Nanotecnología

La demanda de dispositivos electrónicos de mejores prestaciones y menor tamaño ha dado como resultado el desarrollo de los llamados nanodispositivos opto-electrónicos. 

En el desarrollo puntero de nuevos dispositivos optoelectrónicos juega un papel importante las biomoléculas, debido a las propiedades que estas presentan. En las últimas décadas los avances de la ciencia en este campo han sido muchos y muy amplios. Los primeras investigaciones demostraron que moléculas orgánicas individuales podían operar como nano-rectificadores con un tamaño mucho menor que el de los microchips convencionales. Un posterior desarrollo dio lugar a circuitos lógicos integrados basados en este tipo de moléculas.

Por lo tanto se está trabajando para unir unas ciencias, que en principio pueden parecer tan distintas, como son la nanoelectrónica y la biología. Se trata de combinar la capacidad de las moléculas orgánicas para formar estructuras complejas con la complejidad de los dispositivos electrónicos.

Entre las posibles biomoléculas, las proteínas son las que presentan mejores propiedades para ser implementadas dentro de la electrónica. Entre estas, destaca la capacidad de formar sofisticadas estructuras de ínfimas dimensiones, una composición química variada y una actividad enzimática muy versátil. Son estas propiedades las responsables de las complicadas tareas que lleva a cabo una proteína dentro de una célula y son estas mismas las que se quieren fusionar con procesos de transporte electrónico. En un bio-nanodispositivo las proteínas son las encargadas del transporte de carga eléctrica a través de los huecos libres de su estructura y de transformaciones químicas mediante la acción enzimática. Para ello es imprescindible la presencia de ATP para mover y almacenar energía.  

Dentro de las proteínas  tenemos diversos tipos capaces de ser usados con este fin. Sin embargo, por sus características funcionales las más utilizadas son las metaloproteínas. De manera natural estas proteínas, por procesos de oxidación-reducción, producen un flujo de cargas, que puede ser manipulado mediante un voltaje externo para que actúe como un interruptor. Para tener un comportamiento rectificador se ha de interconectar dos nanoelectrodos de oro con una monocapa de la proteína. 

Como se ve, en general, las proteínas han de ser combinadas con elementos metálicos o semiconductores para formar el dispositivo electrónico. Así podemos tener también nanotubos de oro formados por combinación de oro y ADN. Gracias a la gran flexibilidad,  al tamaño y a la posición del grupo fosfato dentro de la cadena de ADN, éste se puede unir a iones metálicos como el oro, cobre, plata, platino y paladio, para formar componentes altamente ordenados dentro de nanocircuitos.

Otro ejemplo son los nanotubos de polianilina empleados en nanosensores, cuya principal ventaja es poder ser fabricados de forma fácil, sin necesidad de  una tecnología complicada.  

Cabe destacar, además, dentro de la fusión de moléculas orgánicas y nanotecnología la tecnología de los motores biomoleculares. En estos se transforma la energía química en energía mecánica mediante nanodispositivos, teniendo importantes aplicaciones sobretodo en el campo de la medicina.   

Hoy en día, el estilo de vida requiere un suministro permanente de energía. Sin embargo este alto consumo de energía conlleva una alta degradación del medio ambiente. Problemas medioambientales como el efecto invernadero o la degradación de la capa de ozono, junto con la preocupación por las limitaciones que a largo plazo presentan las reservas de combustibles fósiles hacen que cada día adquieran más importancia las llamadas energías renovables.  

Entre las fuentes primarias más importantes de energía limpia, debido sobretodo a su bajo impacto ambiental, se encuentra la llamada energía solar. El fundamento de la misma es el llamado efecto fotovoltaico, mediante el cual la energía de la luz del sol es transformada directamente en energía eléctrica debido a la interacción de fotones y electrones dentro de un material semiconductor.  

Para que se produzca un alto rendimiento interesa que se convierta en electricidad tanta luz de la radiación incidente como sea posible. Esto no es fácil debido a las pérdidas energéticas que se producen en el proceso, por lo que se intenta desarrollar nuevas tecnologías que permitan mejora las prestaciones de las células solares actuales y aumentar su rendimiento. 

Hasta ahora, la conversión de radiación solar en electricidad se ha realizado casi exclusivamente con dispositivos fotovoltaicos de unión de estado sólido, pero la situación podría cambiar con el empleo de la nanotecnología. El empleo de nanomateriales en células solares permite crear células solares más eficientes, de menor tamaño y con reducidos costes de producción.  

Así se han conseguido dispositivos fotovoltaicos plásticos usando polímeros conductores, extremadamente delgados y baratos; mientras que la universidad de Berkeley ha desarrollado nuevas células solares a partir de cristales nanométricos de (CdSe y CdTe) en forma de nanovarillas. 

Sin embargo, las actuales investigaciones, nos llevan a pensar en el desarrollo de células solares tridimensionales, las cuales producen un alto rendimiento con una reducción importante del tamaño. 

Una célula solar 3D  se basa en la deposición de un material semiconductor sobre una nanoestructura tridimensional. Las primeras celdas solares 3D de bajo coste estaban basadas en una heterounión basada en la deposición de CuInSe2 (semiconductor tipo p) sobre TiO2 (semiconductor tipo n). Sin embargo estos no son los únicos materiales que se pueden utilizar.  Un tipo de estas células se fabrica y funciona de la siguiente manera. En ella tenemos una estructura en forma de torres de tamaño 40×40 micras, formada por millones de nanotubos de carbono alineados.

              Célula solar tridimensional 

Esta disposición permite a la célula solar absorber la luz recibida desde muy diferentes posiciones, por lo que no es necesario que la celda reciba la luz directamente. Además una vez que la célula ha absorbido la radiación, ésta queda atrapada dentro de la estructura, pudiendo ser absorbida por diferentes partes de la misma.

Como consecuencia de absorber mayor número de fotones el recubrimiento de la célula puede ser más delgado, de manera que los electrones permanecen menos tiempo dentro del semiconductor, reduciendo la posibilidad de recombinación de los mismos. La recombinación electrón-hueco  es la principal causa del bajo rendimiento de las células solares, por lo que, si reducimos ésta estamos aumentando la eficacia cuántica. Además al reducir la cantidad de material estamos reduciendo el peso.

Son estas características las que hacen que las celdas 3D puedan tener importantes aplicaciones sobretodo en el terreno espacial eliminando la necesidad de sistemas que mantengan una orientación determinada en sistemas como satélites, a la vez que se reduce el peso y la complejidad y se aumenta la fiabilidad y el rendimiento. Sin embargo antes de comercializar este tipo de células solares, es necesario demostrar que son capaces de soportar las cargas de lanzamiento y operación que soportan los vehículos espaciales, así como garantizar un tiempo mínimo de vida en las duras condiciones de vacío y ciclos térmicos que han de soportar.

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Los orígenes de este campo se descubrieron a través del experimento de Young o doble rendija, este proceso puede realizarse con átomos, neutrones y en el caso de nuestro interés, con electrones.

La nanotecnología es la próxima revolución tecnológica, promete beneficios de todo tipo; el mayor problema resultó ser el estudio de estos nano materiales; se logró controlar el mundo microscópico a partir de 1981 con el descubrimiento del microscopio de barrido de efecto túnel, este sistema basa su funcionamiento en un efecto cuántico basado en distancias menores a la millonésima parte de un metro (10^-9m = 1 nm):

 El efecto túnel, desde el punto de vista de la mecánica clásica, trata en que un electrón no puede superar una barrera de potencial superior a su energía, sin embargo, según la mecánica cuántica, los electrones no están definidos por una posición precisa, sino por una nube de probabilidad, dicha nube se puede extender hasta el otro lado de la barrera de potencial, de esta forma genera una intensidad eléctrica, llamada intensidad de túnel y es el parámetro de control que nos permite realizar la topografía de superficie. En el caso de tomar medidas a escala atómica, el elemento que se usa como sonda de medida es aquel que tenga una resolución de esa misma escala; en el caso del microscopio de efecto túnel la sonda es una punta conductora, por ejemplo, de wolframio, antes del proceso es tratada para eliminar óxidos y para que esté lo más afilada posible, en condiciones ideales hay un solo átomo en el extremo de la sonda. La instalación consiste en un circuito eléctrico en el que están incluidos la muestra y la punta de medida; la intensidad apenas alcanza los nano amperios y es muy sensible tanto a la distancia, como a la diferencia de tensión entre la punta y la muestra. La toma de medidas y los movimientos de la punta se observan con un dispositivo piezoeléctrico. Se basa en la capacidad de atrapar a los electrones que escapan en ese efecto túnel, para lograr una imagen de la estructura atómica de la materia con una alta resolución, en la que cada átomo se puede distinguir de otro.

El efecto túnel es un fenómeno que no presenta analogía fuera de la mecánica cuántica, la única manera de explicar este efecto es apoyándose en la naturaleza dual que parece presentar la materia a este tamaño. Las partículas parecen comportarse, indistintamente, como ondas o como partículas, conocido como dualidad onda-corpúsculo, frente a determinadas condiciones de contorno. Esta teoría impide establecer con exactitud la posición y el momento de una partícula al mismo tiempo, esto se explica con el principio de incertidumbre de Heisenberg: al preparar varias copias idénticas de un sistema en un estado determinado las medidas de la posición y de la cantidad de movimiento variarán de acuerdo con una cierta distribución de probabilidad característica del estado cuántico del sistema; las medidas del objeto observable sufrirá desviación estándar Δx de la posición y el momento Δp verifican el principio de incertidumbre:

En sistemas clásicos, esta incertidumbre es de posición-momento; en el caso de estados cuánticos h es demasiado pequeño, una de las formas alternativas del principio de incertidumbre es de tiempo-energía que se expresa como:

De esta forma se estudian las partículas virtuales, utilizadas para estudiar los estados intermedios de una interacción.

Para entender mejor este principio, pensamos en lo que sería la medida de la posición y velocidad de un electrón; para realizar la medida es necesario que un fotón de luz choque con el electrón, con lo cual se modifica su posición y velocidad; es decir, por el hecho de realizar la medida se modifican los datos de algún modo, introduciendo un error que es imposible reducir a cero.

Con todas estas teorías, se explica el funcionamiento del microscopio de efecto túnel de barrido y el microscopio de fuerza atómica que logran la determinación de las posiciones atómicas en una superficie, el primero, y el segundo, el desplazamiento de átomos individuales sobre superficies homogéneas.

Como dato de interés, podemos afirmar que conforme aumenta el potencial del mercado nanotecnológico también se incrementa el rango de oportunidades laborales para científicos, un estudio confirma que entre 2003 y el 2006 se crearon unos 10000 nuevos puestos relacionados con la nanotecnología y todo indica que se mantendrá esta tendencia. La revolución de lo pequeño está en marcha; tratar a dichas moléculas puede abrir puertas insospechadas en medicina, electrónica, industria… Muchos han anunciado este cambio como revolucionario en muchísimos ámbitos, la nanociencia promete chips tan pequeños que se podrán llevar en la ropa, embebidos en el tejido, promete nuevos materiales y técnicas en construcción, en realidad, los máximos promotores de la nanociencia dicen que se podrá hacer casi de todo.

APLICACIONES RECIENTES: un equipo de científicos del MIT y de las universidades de Nueva York y Tokio ha demostrado cómo se podría entrar en el cráneo y llegar al cerebro a través de la conexión de una red de nanocables de polímero a vasos sanguíneos en el cuello:

Uno de los principales problemas de la computación cuántica son las grandes dificultades técnicas, son necesarias grandes cantidades de qubits para cualquier cálculo que implica la corrección de errores; para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas interesantes. Además hay que tener en cuenta el fenómeno de decoherencia: la superposición cuántica (capacidad de existir un qubit en dos universos paralelos) es difícil de obtener y mantener ya que cualquier interacción con el exterior obligará al qubit a adoptar un valor definido.

Otro problema es que no se ha encontrado el hardware ideal para tales computadoras cuánticas; simplemente se han definido una serie de condiciones que debe cumplir, por ejemplo, el sistema debe ser escalable ya que cuanto mayor sea el problema, mayor número de qubits debe tener; también debe de seguir una coherencia cuántica…

En cuanto a las ventajas, no necesariamente el computador cuántico hará mejor las cosas que las computadoras actuales, por ejemplo, las computadoras actuales son muy buenas para multiplicar grandes números, sin embargo para realizar operaciones repetitivas las computadoras cuánticas pueden hacer uso del cómputo en paralelo: la factorización de grandes números, la búsqueda en bases de datos.

Estudios recientes nos hablan de los nanotubos de carbono de pared sencilla (SWCNT), que resultan interesantes en este tema ya que se vuelven metálicos y semiconductores en función de cómo se enrollen y se podrían aplicar a varios dispositivos, como transistores de efecto campo ultrapequeños, dispositivos de un solo electrón, dispositivos de informática cuántica y dispositivos emisores de luz.

Un grupo de investigación del Instituto Japonés de Investigaciones Físicas y Químicas ha realizado amplios esfuerzos experimentales para aplicar los SWCNT a dispositivos de un solo electrón y dispositivos de informática cuántica (qubit) con un solo punto cuántico como estructura básica.         

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la clásica. Es una de las áreas más estudiadas en la investigación y que probablemente revolucione más nuestra vida actual, este área aprovecha las propiedades del mundo cuántico para aumentar la eficacia y eficiencia de los ordenadores, en cuanto a computación se refiere; en cuanto se consiguiera realizar el computador cuántico, todos los sistemas de seguridad informática actuales quedarían obsoletos ya que estas nuevas computadoras serían muy seguras debido a sus propiedades cuánticas. La computación cuántica no solo mejorará la seguridad de la información, sino que el tamaño de los ordenadores será muchísimo menor al del actual, se podrían resolver una cantidad mayor de problemas nuevos gracias a una mayor capacidad de computación. Aunque todo esto todavía queda un poco lejos dadas las dificultades técnicas .

¿Qué significa esto? Se refiere a los fenómenos que tendrá que enfrentar la tecnología de las computadoras cuando el tamaño de sus componentes (transistores, circuitos, etc.) rebase un límite inferior determinado, para el que las leyes de la física son fundamentalmente diferentes a las que se aplican en el mundo macroscópico.

Aproximadamente cada dos años, la velocidad y la capacidad de almacenamiento de las computadoras se han venido duplicando; esto ha venido acompañado de una miniaturización del componente fundamental del hardware: el transistor. Actualmente por ejemplo, IBM puede fabricar chips (circuitos integrados de la computadora) de un cuarto de micrón (un micrón es una millonésima de metro), conteniendo cerca de 200 millones de transistores.

La síntesis de los nanotubos de carbono:

-         Síntesis por el método de arco: conectamos dos barras de grafito a una fuente de alimentación con voltaje de 20-50V, separarlas unos milímetros y accionar el interruptor; al saltar una chispa, el carbono se evapora en un plasma caliente, parte de esto se condensa y se forman los nanotubos.

-         Síntesis por el método de vaporización por láser. Consiste en el bombardeo de barras de grafito con pulsos internos de láser, de esta forma se genera gas caliente de carbono a partir del cual se forman los nanotubos.

-         Síntesis por el método de crecimiento de vapor: se coloca un catalizador en un horno de atmósfera inerte de helio a baja presión, se calienta y se le va añadiendo gas metano, acetileno o benceno, de esta forma se liberan átomos de carbono, que se pueden recombinar en forma de nanotubos.

Las propiedades de los nanotubos de carbono son:

-         Propiedades electrónicas: transportan bien la corriente eléctrica, tienen características metálicas, semi o superconductoras.

-         Propiedades mecánicas: es uno de los materiales conocidos más duros.

-         Propiedades elásticas: podría esperarse que los nanotubos sean extremadamente duros en la dirección del eje, pero son flexibles a deformaciones perpendiculares al eje. Cuanto menor sea el diámetro, menor es su estabilidad.

-         Propiedades térmicas: presenta altísima conductividad térmica en la dirección del eje del nanotubo. 

Los nanotubos baten el récord de superconductividad: físicos de Japón han demostrado que los nanotubos de carbono de múltiples paredes pueden actuar como superconductores a temperaturas tan elevadas como 12 ºK, es decir, 30 veces más elevada que para los tubos de carbono de pared única. Los nanotubos superconductores se podrían utilizar para el estudio de efectos cuánticos fundamentales en una dimensión, así como para la búsqueda de aplicaciones prácticas en la informática cuántica molecular.

El equipo ha diseñado un sistema que cuenta con una fase superconductora, el sistema está formado por una matriz de nanotubos de carbono de varias paredes, constituido cada uno de ellos por una serie de capas concéntricas. Los contactos eléctricos de metal están unidos a los tubos de manera que tocan la parte superior de todas las capas. Por el contrario, las uniones convencionales "bulk junction", sólo tocaban la capa exterior del tubo en algún punto a lo largo del mismo.     

Los nanotubos son objetos que poseen estructura tubular con diámetros del orden de un nanómetro, o sea, de un millonésimo de milímetro y, sin embargo, su longitud puede ser de hasta un milímetro, por lo que dispone de una relación longitud : anchura tremendamente alta. El carbono es de los pocos materiales que puede llegar a formar nanotubos, al igual que puede adoptar otras formas por su estructura cristalina. Los nanotubos de carbono más estudiados son los de estructuras de fullerenos.

Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre.

 El grafito (sustancia utilizada en lápices) es formado por átomos de carbono estructurados en forma de panel. Estas capas tipo panel se colocan una encima de otra. Una sola capa de grafito es muy estable, fuerte y flexible. Dado que una capa de grafito es tan estable sola, se adhiere de forma débil a las capas de al lado, por esto se utiliza en lápices, porque mientras se escribe, se caen pequeñas escamas de grafito. En fibras de carbono, las capas individuales de grafito son mucho más grandes que en lápices, y forman una estructura larga, ondulada y fina, tipo-espiral. Se pueden pegar estas fibras una a otras y formar así una sustancia muy fuerte, ligera (y cara) utilizada en aviones, raquetas de tenis, bicicletas de carrera etc. Pero existe otra forma de estructurar las capas que produce un material más fuerte todavía, enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un nanotubo de carbono.

         En el caso de formar nanotubos de carbono, éstos pueden ser clasificados en función de parámetros estructurales de los mismos y así podemos establecer las siguientes clasificaciones:

            1.- Según el número de capas, pueden ser:

- nanotubos de capa múltiple, formadas por capas concéntricas de forma cilíndrica:

- nanotubos de capa múltiple, formadas solo por una capa bidimensional de grafito:

2.- Clasificación genérica:

- nanotubos charal, no tiene simetría de reflexión y son no isomórficos.

- nanotubos no-chiral, poseen simetría de reflexión y son isomórficos.

En cuanto a las características de los nanotubos de carbono, además de ser tremendamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal, esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo puede ser un semiconductor o un metal.

  Un conocido diario nacional, ha publicado hoy (14 de febrero de 2008) la noticia titulada "la Unión Europea da vía libre al empleo de nanopartículas en los alimentos", donde explica que la comisión europea ha decidido no legislar el uso de nanopartículas en la alimentación, ante la falta de información y consenso al respecto. Sin embargo hace tan sólo un par de días, Daniel Bloch (perteneciente a la comisión de energía atómica CEA), advertía en una conferencia en París sobre los posibles riesgos que conlleva el empleo de estas nanopartículas para la salud.   

   Lo cierto es que en la actualidad existe un creciente debate en torno al uso de esta nueva tecnología nanométrica. Como muestra, los artículos publicados en este blog relacionados con las ventajas y riesgos de la nanotecnología, han sido ampliamente comentados. Por otro lado, la Organización de Consumidores y Usuarios de la Unión Europea (BEUC), ha  denunciado la falta de información sobre la seguridad en el uso de nanomateriales, por lo que propone establecer una legislación que permita regular su uso. Sin embargo, ante la falta de información, la unión europea ha decidido proponer tan sólo un código de conducta que intente inculcar cierta ética durante el proceso de investigación. Como apunta Andreu Palou (vicepresidente de la Agencia Europea de Seguridad Alimentaria, EFSA), es difícil establecer una legislación cuando las preocupaciones se manejan en un plano hipotético.

    Lo cierto es que hoy en día nadie duda de las innumerables ventajas que conlleva el uso de nanopartículas, sin embargo existen muchos recelos sobre sus posibles riesgos en el futuro. Como toda investigación, deben extremarse la precaución y la seguridad, a la vez que se establecen rigurosos controles de calidad. Si algo alarma a la sociedad es la falta de información, por lo que durante el proceso debe promoverse igualmente una correcta y supervisada divulgación. El debate está abierto, ¿qué piensas tú?    

  Recientemente, un equipo de investigadores del Instituto Politécnico de Rensselaer (Nueva York) en colaboración con la Universidad de Rice, han conseguido desarrollar el material más "oscuro" que a día de hoy, el ser humano ha sido capaz de fabricar. La ventaja de esta novedosa estructura, compuesta por nanotubos de carbono, radica en su enorme capacidad de absorber casi el 100 % de la luz incidente, por lo que es seguro que en el futuro dará lugar a ostensibles mejoras en aplicaciones relacionadas con la energía solar, detectores de infrarrojo y muchos otros sistemas.

  Por lo general, la mayoría de los materiales que nos rodean, papel, plástico o madera…reflejan cierta cantidad de la luz que incide sobre ellos. Durante las últimas décadas, multitud de científicos han tratado de hallar un sistema ideal capaz de absorber todos los colores de la luz incidente, y en consecuencia no reflejar ninguno (el denominado “cuerpo negro”). Por citar algunos ejemplos, la pintura negra convencional, refleja entre un 5 y un 10 % de la luz incidente y el, hasta ahora material con menor reflectividad creado por el ser humano (una aleación de Ni y P) ,posee una reflectividad de entre el 0.16 y el 0.18 %.  Sin embargo los sorprendentes resultados del equipo de investigación del profesor Lin, publicados hace tan sólo un par de meses en la prestigiosa revista científica Nano Letters, demuestran como al emplear nanotubos de carbono, este coeficiente se reduce hasta el 0.045 % (casi 4 veces mejor que el anterior récord…y digo récord, porque los autores están tratando de registrar este nuevo material en el afamado Libro Guinness). La genial idea de este equipo de investigación, se centra en desarrollar un sistema capaz de maximizar la absorción a la par que minimizar la reflexión. Para ello han empleado un conjunto de nanotubos de carbono, con diámetros entre 8-10 nm, crecidos de modo vertical y dispuestos con un cierto desorden. Este pequeño “bosque” de nanotubos está repleto de huecos donde la luz queda atrapada. Los investigadores han comprobado que este material mantiene su mínimo coeficiente de reflexión  (0.045 %) frente a múltiples longitudes de onda.

   Este descubrimiento puede generar importantes aplicaciones que revolucionen no sólo en el campo de la energía solar, sino también el área de la electricidad termofotovoltaica, la detección en el infrarrojo, e incluso en observaciones astronómicas.