Nanotecnología

Sonda de láser de BaNb₂O₆ bombeada por pinza láser

Investigadores de la Universidad de California y del Lawrence Berkeley National Laboratory han desarrollado un láser más pequeño que un glóbulo rojo que es operado de un modo sorprendente: dado su reducido tamaño el nanohílo, de niobato de bario, puede ser suspendido en un haz láser infrarrojo debido a las diminutas (pero relevantes) fuerzas que se establecen al incidir el láser sobre el material. El propio rayo que mantiene la sonda en su sitio bombea la inversión de población necesaria para que se dé el fenómeno de laseo y el nanohílo reemita luz coherente verde (el BaNb₂O₆ es empleado como medio activo en los punteros láser de color verde).

Gracias a que esta microscopía se puede realizar a presión y temperatura ambiente se espera poder comprender nuevos detalles sobre el funcionamiento y la estructura de la células vivas gracias al poder resolutivo del nanohílo. La sonda láser puede no sólo actuar mecánicamente sobre dichas células empujada por la pinza láser, sino que además la luz que emite sirve para obtener imágenes en tiempo real de la célula u organismo a estudiar, normalmente gracias al empleo de proteínas marcadas para responder a la luz. La longitud de onda de emisión es variable y puede ser controlada actuando sobre la longitud del haz de bombeo infrarrojo, lo que amplía los usos del dispositivo, pues le permite discriminar entre distinto marcadores.

En funcionamiento, el nanohílo se mueve hacia la muestra y hacia atrás y los patrones de luz reflejada y transmitida cambian. Este movimiento de vaivén también puede ser aprovechado para deformar la membrana de las células y estudiar su reacción. Con mediciones de luz transmitida los investigadores pudieron alcanzar la resolución de 200 nm, que mejora la resolución espacial de la microscopía óptica convencional y que viene impuesta por los fenómenos de difracción que ocurren al intentar resolver una estructura menor que la longitud de onda empleada. Este dispositivo burla dicho límite porque la sonda, con un diámetro de 40 nm, es más estrecha que la longitud de onda que emite (532 nm, exactamente la mitad de la longitud de onda de la pinza láser, que es el ampliamente utilizado 1064 nm del infrarrojo), y la transmisión de dicha luz depende fuertemente de la proximidad del nanohílo a la muestra.

Uno de los colaboradores, el profesor de física de la Universidad de Carolina Jan Liphardt, apunta que aunque la microscopía de campo próximo se encuentre mejor desarrollada y tenga mejor resolución también requiere sistemas más complejos. "Toda la complejidad de generar luz visible, llevarla a la muestra, hacerla pasar por la apertura de tamaño menor que la longitud de onda y moverla cuidadosamente con respecto a la muestra para ir obteniendo la información, puede quedar reducido a emplear un único nanohílo, que cuesta uno ó dos centavos".

El próximo paso en la investigación será desarrollar nanosondas con formas cónicas o de pera para intentar ampliar la resolución manteniendo más cómodamente en sitio el nanoláser, que en el caso de un nanohílo tiende a deslizarse dentro de la trampa óptica.

Otros enlaces de interés:

http://www.cosmosmagazine.com/node/1413

http://www.technologyreview.com/Nanotech/18989/

http://www.photonics.com/content/spectra/2007/September/microscopy/88902.aspx

http://optics.org/cws/article/research/17261

  Sin duda una de las propiedades más interesantes que un nanohílo puede tener es la capacidad de producir luz láser. Cuando llevamos un fenómeno tan complejo y diverso como es la luz láser a escala nanométrica las aplicaciones son tan sorprendentes como interesantes. La luz láser es una transmisora de información y energía con la que sabemos construir circuitos ópto-electrónicos, herramientas de microscopía, dispositivos quirúrgicos, sistemas de medición y un largo (y estimulante) etcétera. La vuelta de tuerca que supondría extender estas aplicaciones, que ya se han miniaturizado en muchos casos, hasta el límite de lo nano nos permitiría contar con herramientas que, una vez más, pondrían a nuestro alcance un nuevo nivel de comprensión, caracterización y manipulación de nuestro entorno. No consiste sólo, por lo tanto, en hacer mejor lo que hacíamos antes: consiste también en empezar a hacer cosas que antes no podíamos.La obtención de luz láser puede comprenderse en dos etapas.

- La primera consiste en construir un medio capaz de albergar el fenómeno de auto-amplificación que es la emisión láser. Este medio tendrá no sólo que tener una morfología determinada (compatible con la existencia de modos de autoamplificación) sino además poseer unas propiedades ópticas concretas. En esta primera condición radica la primera oportunidad que este campo brinda: algunos materiales se convierten en emisores láseres muy eficientes cuando se encuentran en forma de nanohílos u otras estructuras de reducido tamaño y baja dimensionalidad.

- La segunda etapa consiste en obtener y mantener la inversión de población que alimenta el fenómeno láser. En este artículo comentaré ejemplos de las dos principales maneras de obtener esta inversión de población: la inyección eléctrica de portadores o el bombeo óptico.

Láser de nanohílos de CdS por inyección de portadores

Dentro del gran campo que es la experimentación con láseres de dimensiones ultra-reducidas destacan una serie de estudios que han concluido con la síntesis y caracterización de láseres activados eléctricamente. Estos dispositivos son más fáciles de manejar y construir que los operados por bombeo óptico, puesto que mientras que en los primeros sólo se precisa  acceder a los bornes en los segundos es necesario que una fuente de luz (a menudo una fuente láser externa) incida en el material.

Los láseres de semiconductores alimentados eléctricamente se emplean en aplicaciones como las telecomunicaciones o el almacenamiento de información de manera cotidiana. Parte del éxito de estos dispositivos se debe al buen conocimiento sobre el mecanismo de crecimiento y procesado de películas de semiconductores, lo cual permite la fabricación de dispositivos optoelectrónicos integrados. Sin embargo estos procesos son normalmente difíciles y caros de integrar con otras tecnologías muy extendidas, como la microelectrónica del silicio. En contraposición a los semiconductores, otros materiales como algunos polímeros, no presentan conflictos de integración con el silicio, pero normalmente sólo son capaces de producir emisión láser si son foto-bombeados.

Un ejemplo de producción de luz láser mediante alimentación eléctrica son los nanohílos de CdS. La microestructura y morfología externa de estos nanohílos les permiten funcionar como cavidades ópticas de Fabry-Perot por lo que pueden alojar autoamplificación láser. Los nanohílos, que pueden ser integrados en matrices capaces de emitir luz láser en un amplio rango de frecuencias, podrían mejorar aplicaciones actuales y propiciar otras futuras.

Se pueden sintetizar nanohílos sueltos de CdS con diámetro controlado por crecimiento catalítico a partir de agregados metálicos. Su importancia reside en su mezcla de buenas propiedades eléctricas (porque su estructura libre de defectos presenta altas movilidades de portadores n y p) y óptimas propiedades ópticas (un sólo nanohílo es a la vez medio activo y cavidad resonante). La relación entre longitud, diámetro y modos capaces de propagarse por el nanohílo fue verificada experimentalmente (Figura 1a). Se realizaron microscopías electrónicas de barrido y transmisión y resultó que un 50% de los nanohílos presentó los extremos cortados limpiamente en un plano perpendicular al eje de crecimiento [001], lo cual los convierte en los extremos reflectantes que una cavidad láser necesita (Figura 1b).

También se realizaron imágenes de fotoluminiscencia a temperatura ambiente irradiando los nanohílos con luz láser. Como se puede comprobar en la figura 1c el nanohílo que es activado por un extremo (inferior izquierda) conduce la luz hasta el otro sin dejar que la intensidad escape en el trayecto, por lo que actúa como una guía de onda. Para completar el estudio de las propiedades ópticas se obtuvo el espectro de fotoluminiscencia. Irradiados a baja intensidad los nanohílos presentan un pico suave a 512 nm y una anchura espectral (a media altura) de 24 nm si medimos el espectro del cuerpo, a medio camino entre el extremo bombeado y el extremo emisor. Sin embargo en el emisor la luz está desplazada hacia el rojo unos 30 nm. Este efecto es consistente con un fenómeno de reabsorción y reemisión en el interior del nanohílo. Cuando la intensidad de bombeo aumenta el espectro vuelve a desplazarse hacia el azul al saturarse la reabsorción interna. La emisión en los extremos aumenta mucha más que en el cuerpo. Pasado cierto umbral comienzan a aparecer picos equiespaciados asociados a los modos de Fabry-Perot de la cavidad. Un análisis del espaciado de modos confirmó su relación con las dimensiones de distintos nanohílos (figura 1f y de nuevo figura 1a). Si la intensidad de bombeo aumenta todavía más, la emisión se concentra en un pico muy monocromático que crece supralinealmente con el bombeo, lo cual indica que el material está actuando como medio activo láser.

Tras estas mediciones, que demostraron la capacidad de los nanohílos de CdS para actuar como cavidades de Fabry-Perot y para mantener una emisión láser continua, se procedió a la construcción en un circuito que permitiera la activación eléctrica. En general este tipo de laseo requiere una inyección eficiente de portadores tipo n y p dentro del medio activo. En el caso del CdS el mayor problema suele radicar en sintetizar un p-CdS con alta movilidad para los huecos o en combinar n-CdS con un material tipo p. Sin embargo la morfología y pureza cristalina del nanohílo permiten sortear con facilidad estos problemas tan difíciles de solventar en láminas de CdS o en el sólido macroscópico. La inyección de huecos se hace por la pared del nanohílo para que éstos no tengan que difundir más que unas decenas de nanómetros antes de poder aniquilarse con un electrón.

Figura a: esquema del láser de nanohílo por inyección de portadores. Los electrones entran por la capa metálica superior y los huecos proceden de un sustrato de Si tipo p altamente dopado. La fabricación del dispositivo se acomete ensamblando nanohílos de CdS sobre el sustrato de Si crecido sobre un aislante. Los contactos se hacen mediante litrografía por haz de electrones y evaporación (asistida también por haz electrónico) de entre 60 y 80 nm de alúmina, 40 nm de Ti y 200 nm de Au (como se explica en el siguiente link). Un extremo del nanohílo ha de quedar descubierto para que pueda emitir, como se puede ver en la mitad superior de la figura b, en la que la barra de escala mide 5 μm. La imagen inferior fue obtenida por electroluminiscencia a temperatura ambiente con una corriente de inyección de 80 mA. En la figura c se representa la emisión en función de la corriente de inyección. Por encima de los 200 mA comienza el laseado y la intensidad aumenta supralinealmente con la corriente. La figura d recoge el espectro de fotoluminiscencia a temperatura ambiente del extremo del nanohílo con corrientes de inyección de 120 mA (rojo) y 210 mA (verde, elevado en 0.15 unidades arbitrarias de intensidad para una mayor claridad). Las flechas señalan los modos altamente monocromáticos de Frabry-Perot. La última imagen, e, es el espectro de emisión del dispositivo con corrientes de inyección de 200 mA (rojo) y 280 mA (verde, elevado 0.10 u.a.), esta vez a 8 K. El pico que destaca claramente tiene un ancho espectral comparable con la resolución del espectrógrafo empleado por lo que el dato debe entenderse como aproximado.

    Este novedoso término ha sido acuñado por Zhon Lin Whang, director del Centro de Caracterización de Nanoestructuras (CNC) del Georgia Tech. Cuando se habla de nanopiezotrónica, se habla de un nuevo campo de investigación que se basa en la generación de energía eléctrica, a escala nanométrica, a través de una tensión mecánica aplicada al dispositivo nanopiezotrónico.

    Lo que Wang se empeña en resaltar una y otra vez, como requisito indispensable para el desarrollo de esta nueva área de investigación, es la asociación de dos propiedades del ZnO, como son la piezoelectricidad y su carácter semiconductor. A partir de nanohílos y nanocintas de ZnO, se podrían fabricar nuevos dispositivos como nanotransistores y nanodiodos, que podrían convertirse en los pilares que permitirían la creación de una nueva área de la nanoelectrónica.

   El mecanismo nanopiezotrónico se fundamenta en la capacidad que tienen las estructuras sometidas a una tensión mecánica, de separar las cargas positivas y negativas (piezoelectricidad). La relación entre lo que la estructura ha sido doblada y la generación de carga ha permitido el desarrollo de dispositivos como:

- Nanogeneradores: la deformación creada por una punta de un Microscopio de Fuerzas Atómicas, AFM, sobre un nanohílo de ZnO, (Fig 1.a-d), tiene las siguientes consecuencias:

• Fig 1.b: Distribución de la tensión longitudinal e_z ejercida sobre el nanohílo.
• Fig 1.c: Distribución del campo eléctrico longitudinal E_z inducido por el efecto piezoeléctrico.
• Fig 1.d: Distribución del potencial eléctrico V en el nanohílo.
• Fig 1.e: Contacto Schottky entre la punta y el semiconductor en polarización directa.
• Fig 1.f: Contacto Schottky entre la punta y el semiconductor en polarización inversa.

Fig 1. Fundamento físico del nanogenerador.

- Transistores de efecto campo piezotrónicos: en un transistor de efecto campo (FET) convencional (Fig 2.g) un potencial eléctrico (potencial de puerta) es aplicado para crear un campo eléctrico, que controle el flujo de corriente a través del canal (nanohílo). En el transistor piezotrónico, el flujo de corriente es controlado doblando el nanohílo, lo que produce un cambio en la conductancia. La flexión producida tiene el efecto del voltaje de puerta.

Fig 2. h) FET convencional; h) FET piezotrónico.

- Nanosensores de fuerza: Midiendo los cambios en el flujo de corriente a través de un nanohílo, los sensores piezotrónicos pueden detectar fuerzas del orden de nao- o incluso pico- Newtons.

Fig 3. Gráfico que muestra la relación entre la conductancia de un nanohílo de ZnO y la fuerza de deflexión, mostrando un sensor de fuerza o presión a nanoescala.

   Como éstas, otras aplicaciones se pueden encontrar en la revisión escrita por Wang, "The new field of the nanopiezotronics",  publicado por Materials Today en Mayo de 2007.

  Un láser de puntos cuánticos es un tipo de láser semiconductor que como medio activo en su región de emisión de luz usa puntos cuánticos. Estos exhiben una estructura electrónica similar a la de los átomos.

   Los láseres basados en medios tan activos tienen un comportamiento parecido a los láseres de gas y no presentan algunos de los inconvenientes de los láseres de semiconductores tradicionales. Se obtienen mejoras en la modulación de ancho de banda, umbral de excitación, ruido relativo de intensidad, factor de realce de ancho de línea y estabilidad con la temperatura.

   Este tipo de láser puede utilizarse para operar en longitudes de onda imposibles de obtenerse con la tecnología de láser semiconductor actual. Encontrándose aplicaciones en medicina (bisturí láser, tomografía de coherencia óptica), tecnologías de exhibición de imágenes (proyección, TV láser), espectroscopía y telecomunicaciones.

   En comparación al desempeño de los láseres de pozo cuántico tensado convencionales del pasado, el nuevo láser de punto cuántico alcanza una estabilidad ante la temperatura perceptiblemente más alta.

PUNTOS CUÁNTICOS. QUÉ SON: Los puntos cuánticos (QD, quantum dots) son nanosemiconductores que tienen estados de energía completamente cuantizados. Un QD mimetiza las propiedades básicas de una átomo, permitiendo la aplicación práctica de la física atómica en el campo de los dispositivos de semiconductores.

   Cuando el movimiento de un portador de carga en un  cristal esta limitado a un volumen muy pequeño el espectro de energías queda cuantizado, dándonos un caso similar al del electrón en un potencial atractivo de Coulomb en un atómo. Los electrones en semiconductores actúan con masas efectivas pequeñas y así las "cajas" relativamente grandes de 10 nm pueden resultar en energías discretas. De esta manera podemos obtener ganancias materiales mayores que en un semiconductor normal.

LASERES DE PUNTOS CUÁNTICOS. UN POCO DE HISTORIA: A principios de los años 80 Arakawa y Sakaki predijeron que los láseres de QD deberían exhibir un comportamiento menos dependiente de la temperatura que los demás láseres de semiconductores y en particular que no se degradaría a grandes temperaturas.

   Sin embargo las ventajas en la operación no dependen solo del tamaño absoluto de las nanoestructuras en la región activa sino también de una uniformidad en el tamaño. Una distribución amplia de tamaños expande la densidad de estados produciendo comportamiento similar al material completo.

   Así, el desafío a la hora de realizar láseres de QD con operación superior a la mostrada por láseres de pozos cuánticos es la de formar un medio activo de alta calidad con puntos cuánticos uniformes. Inicialmente la aproximación seguida para formar puntos cuánticos fue a través de litografía por electrones apropiada para patrones pequeños de alrededor de 300 Amstrongs y a continuación su transferencia al substrato. El problema que han presentado estas estructuras de puntos cuánticos ha sido su baja eficiencia óptica: altos ratios superficie - volumen de estas nanoestructuras junto con el daño introducido durante el propio proceso de fabricación impidió la formación con éxito de un láser de QD a través de este método.

   Otra forma que se ha probado consiste en aprovechar la alta eficiencia optica de los QD autoensamblados, formados sin necesidad de procesamiento externo y que crecen de forma natural. Bimberg et al. (1996) consiguieron una mejora en la operación láser incrementando las estructuras de puntos cuánticos, apilando sucesivas columnas alineadas de puntos cuánticos y así consiguiendo emparejamiento vertical tanto como lateral de los QD. Además de utilizar los efectos de tamaño cuántico de los QD en el medio activo, también han sido incorporados en la cavidad vertical de los láseres. Como con la demostración de las ventajas del láser de pozo cuántico que lo precedió, la completa promesa del láser de QD debe esperar avances en el entendimiento del crecimiento de materiales y de optimización de la estructura láser.

   A pesar de que los puntos autoensamblados han provisto un enorme estimulo a trabajar en este campo aun quedan un buen número de asuntos críticos relativos al crecimiento y la formación.

   Conforme vayamos entendiendo mejor la dinámica del confinamiento de cargas y evaluemos mejor los mecanismos de pérdida, mejoraran mas aun las características de los dispositivos.

Cualquier alumno que haya estudiado ciencias ha podido escuchar de boca de algún profesor hablar de "jugar". Cuando se habla en estas condiciones hay que interpretarlo como manipular ecuaciones hasta llegar a un resultado, variar condiciones en un montaje experimental o simplemente dedicarte a pensar sobre un cierto problema.

Según la RAE una de las acepciones de jugar es "hacer algo con alegría y con el solo fin de entretenerse o divertirse". En un ambiente coloquial, por lo general, no nos divertimos resolviendo problemas sino usando una pelota, unas cartas…

Ahora bien, científicos de la Chalmers University of Technology y del Instituo de Microelectrónica, en Gotemburgo, han logrado aplicar este concepto coloquial de jugar al ámbito científico creando un pinball de dimensiones micrométricas!!.

Cuando se habla de micromachines mucha gente pensará en aquellos pequeños coches de escala milimétrica que eran anunciados en televisión. Sin embargo en el contexto de la ciencia al hablar de micromachines, a parte de pequeñas maquinas más o menos encuadradas dentro de la ciencia ficción, siempre se hace referencia a los sistemas electromecánicos de tamaño micrométrico o MEMS. Esta tecnología usa herramientas y técnicas que fueron desarrolladas para la industria de los circuitos integrados que ahora son utilizados para la construcción de dispositivos que constan de dos componentes principales, un elemento mecánico y un transductor.

Al hablar de máquinas de escala micro no podemos imaginar maquinas macroscópicas reducidas de tamaño sin más, pues la física en esta escala cambia. En esta escala la proporción área-volumen es mucho mayor apareciendo importantes efectos relacionados con la superficie. Predomina la fricción frente a la inercia, las fuerzas electrostáticas frente a las electromagnéticas, aparecen fenómenos como la "stiction" entendida como la suma de "stick"+"friction"….

Estos dispositivos pueden ser desde un cantilever hasta complejos mecanismos como se pueden observar en las imágenes.

Para la realización de estos MEMS hay diferentes técnicas que grosso modo se podrían englobar en micromecanizado a partir de volumen, a partir de superficie y Liga. Para la realización de estos dispositivos se requiere una gran cantidad de pasos por lo que su diseño es sumamente complejo pues depende también de un gran número de parámetros. Sin embargo tiene la ventaja de su reproducibilidad pues. realizado uno es sencillo realizar muchas copias (como ocurre con los circuitos integrados).

Para la realización de este micropinball se ha desarrollado una secuencia de procesos que permiten crear de manera más sencilla este tipo de mecanismos. Su fabricación consistió en la combinación de oxidación, transferencia de diseño (patterning) y ataque seco (dry etching) a parte de un paso de "plasma bonding!. Como ventajas presenta que el proceso de estampado se realiza en un solo paso en lugar de los varios que se considerarían con otras técnicas habituales. Además el hecho de que el "plasma bonding" se realice a temperatura ambiente permite utilizar una mayor variedad de materiales. Sobre este proceso se puede encontrar información más específica aquí. El dispositivo creado es el que se puede ver en la imagen. Es un pinball de unos 25 mm² de área en el que aparecen cantilevers y micromotores. Esta mesa está inclinada 20 º de modo que se juega con bolas de 150 micras que alcanzan velocidades de 210000 micras/s, que equivaldría a que un balón de fútbol se moviera a una velocidad de 1125 m/s, siendo por tanto un balón supersónico!!.

Otros enlaces relacionados:

http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2008/03/05/nems-mecanica-y-semiconductores-al-servicio-de-la-deteccion-i/

http://physicsworld.com/cws/article/news/17721

http://www.memx.com/

http://mems.sandia.gov/

En 2005 en la Universidad de Pensilvania un grupo de investigadores el grupo dirigido por Craig Grimes, han perfeccionado un sistema para obtener hidrógeno como combustible a partir de luz solar y nanotubos de dióxido de titanio.

El mecanismo es sencillo, basta añadir agua a estos nanotubos y la luz solar al iluminarlos provee de la energía necesaria para que los nanotubos dividan el agua en hidrogeno y oxígeno. Con una formación muy ordenada de nanotubos y luz ultravioleta la eficiencia en la conversión es del 13.1%. Este rendimiento es lo suficientemente bueno como para que el proceso sea rentable económicamente. Lo único que hay que mejorar es la respuesta en frecuencia, pues la luz ultravioleta es sólo una parte del espectro solar, y sería imprescindible hacer que el sistema operase también en luz visible. Una manera muy conocida de conseguir esto es añadir un tinte que hace las veces de “intercambiador de frecuencias”.

Las formaciones ordenadas de nanotubos de dióxido de titanio ya demostraron su eficacia en células solares productoras de electricidad cuando actúan como electrodo negativo junto con un tinte. Este tipo de célula tiene la ventaja de que es muy barata en comparación con las habituales de silicio cristalino.

Según los autores las formaciones de nanotubos de titania proveen de un excelente camino para la percolación de electrones, funcionando como “autopistas de electrones” cuando son iluminados. Los resultados sugieren que las células solares de tinte basadas en nanotubos de titania pueden ser altamente eficaces con solo alargar la longitud de dichos nanotubos usando un tinte altamente eficiente

No sólo se queda aquí la investigación sino que también podemos encontrar nuevos diseños de paneles solares basados en nanotecnología, como por ejemplo

- una matriz de nano-torres constituidas por nanotubos de carbono, son tridimensionales y producen una cantidad 60 veces superior de electricidad que las células solares comunes

- paneles solares de silicio en una disposición esférica, los cuales siguen teniendo sólo un 12% de eficiencia, pero sólo tienen una quinta parte silicio, lo que hace que se reduzcan los costes, además necesitan la mitad de energía que los paneles solares convencionales para fabricarse.

- diseño en forma de nano escamas, que tienen el potencial de convertir hasta el 30 por ciento de la luz solar en electricidad (el doble del rendimiento habitual), se reducen los costos de producción porque se usa poco silicio en el proceso.

En un artículo del Wall Street Journal titulado "Solar Power Heats Up" ya se habla de como las células solares no sólo han llegado a ser más eficiente durante los últimos años, sino que combinadas con unos costes de instalación más bajos y una variedad de exenciones de impuestos, la economía de las células solares ha cambiado de la forma en la que prefieren los consumidores.

El problema de la energía y la energía solar clásica

En la actualidad, la mayor fuente de energía se deriva de la quema de carburantes que contienen carbón. Este proceso suele ser poco eficiente, no renovable y además conlleva efectos secundarios nocivos para el medio ambiente.

La energía solar supondría una alternativa factible de energía en muchas zonas del mundo si el coste de su producción y los terrenos necesarios para generarla fuesen suficientemente económico y los sistemas de almacenamiento suficientemente eficaces (los costes son hasta 10 veces mayores que la generación de energía tradicional). Y respecto al almacenamiento, la energía se puede almacenar de forma eficiente, entre otras, de las siguientes maneras:

·         durante algunos días en flywheels relativamente grandes construidos de diamante fino con un peso de agua,

·         mediante electrólisis y recombinación del agua (pilas de combustible) que ofrecen una energía escalable, almacenable y transportable. El problema es almacenar y transportar de forma eficiente y segura el hidrógeno a gran escala.

La energía de luz solar directa supone aproximadamente 1kv por metro cuadrado. Si esto se divide por 10, teniendo en cuenta las horas de noche, días nublados y problemas de sistema, la demanda actual del mercado norteamericano (unos 10 kv por persona) requeriría unos 100 metros cuadrados de superficie por persona. Si se multiplica esta cifra por una población de 325 millones de personas, el resultado es la necesidad de cubrir aproximadamente 12.500 millas cuadradas con coletores solares (todo esto teniendo en cuenta que los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio policristalino oscilan alrededor del 10% y mediante células de silicio monocristalino, los valores oscilan alrededor del 15%).

Avances en energía solar utilizandola nanotecnología como solución

En el año 2000 se publica por los científicos de Los Alamos National Laboratory, dirigidos por el científico Victor Klimov, los resultados obtenidos en la investigación sobre la multiplicación de portadores en nanocristales de seleniuro de plomo sometidos a pulsos de láser de muy corta duración. Descubrieron que la aportación de un solo fotón podía producir dos e incluso tres electrones. La multiplicación de portadores depende de las fuertes interacciones entre los electrones, apretados dentro del diminuto volumen de una partícula de semiconductor a escala nanométrica, por lo que es el tamaño de la partícula y no su composición, quien determina la eficiencia del efecto.

Este hallazgo se encaminó hacia tecnologías fotovoltaicas, ya que de confirmase que un fotón podría producir dos o tres electrones, se estaría multiplicando por dos o por tres la generación de electricidad en nuevos módulos solares fotovoltaicos.

En 2005, y esta vez investigadores de Berkeley Lab y Lawrence Berkeley National Laboratory, han conseguido fabricar una célula solar hecha con nanocristales inorgánicos.

El diseño está basado en nanocristales de seleniuro de cadmio y teluro de cadmio, y la idea consiste en combinar varias técnicas de disoluciones, que normalmente se emplean en la fabricación de células solares orgánicas, con la robustez de los materiales empleados en sistemas inorgánicos. Estas células solares son tan baratas y fáciles de fabricar como las hechas de polímeros orgánicos, ofreciendo la ventaja de que son más estables en el aire, responden a un ancho de banda mayor y tienen mejor capacidad de transporte de carga eléctrica.

Aunque el prototipo presenta una eficiencia del 3% al convertir luz en electricidad, muy lejos de la tecnología del silicio, los investigadores ya están dando pasos para perfeccionar su prototipo y la eficiencia de la conversión. No obstante, y con la baja eficiencia actual, este sistema sería capaz de generar 710.000 MW, si todo el espacio disponible en las azoteas de EEUU estuviesen cubiertas con esta fina película fotovoltaica. Esta cifra representa las tres cuartas partes de la electricidad que el país genera actualmente. Hay que destacar también como único elemento negativo, que el cadmio es un metal pesado y altamente contaminante.

Durante las últimas décadas hemos visto como las cosas se han ido reduciendo. Hace apenas unos años, hubiera sido imposible guardar fácilmente un teléfono en un bolsillo o un monedero, y además, poder usarlo igual que un teléfono común, ya sea desde un automóvil, una tienda o casi cualquier lugar que elijamos. ¿Por qué tan pequeños? A lo largo del siglo XX nos dimos cuenta de que mientras más pequeño mejor. Además nos dimos cuenta que no tenemos que sacrificar la funcionalidad por el tamaño, sino todo lo contrario. Consideremos nuevamente el teléfono celular. Su tamaño facilita el transporte, permite usarlo cuando se lo necesita y simplemente reemplazarlo cuando se rompe. Lo mismo ocurre con los nanosatélites. Son más fáciles de construir gracias a su tamaño pequeño. Esto se debe a que, para fabricar y probar los satélites miniaturizados, no se requieren equipos y componentes especiales, tales como grandes cámaras de vacío térmicas, baterías voluminosas, etc. Además, son fáciles de manejar y de trasladar de un sitio a otro.

Cuando están completamente armados y cargados con combustible, estos nanosatélites pesan sólo unos 22 Kg. (47 libras). Un satélite grande puede pesar unos 1500 Kg, es decir, aproximadamente el peso de un automóvil pequeño. Los vehículos espaciales más grandes, debido a su volumen y peso, son más difíciles de lanzar al espacio.

El uso de satélites más pequeños brinda una mayor flexibilidad para explorar los tipos de cohetes y diferentes métodos de lanzamiento a usar. Gracias a su pequeño tamaño, los nanosatélites caben prolijamente debajo de un vehículo más grande y pueden ser lanzados desde el mismo cohete hacia la misma órbita.

Teniendo en cuenta que cada kilogramo puesto en el espacio cuesta alrededor de 50,000$, se hace crucial la reducción de masa en los satélites, sin comprometer la calidad y la resistencia de las estructuras. Estructuras de los satélites que se enfrentan en órbita altos niveles de radiación y de variaciones extremas de temperatura, además de necesitar de una resistencia mecánica capaz de soportar el lanzamiento y el regreso a la atmósfera.

¿Qué aporta la nanotecnología?

Respecto a la resistencia de estos nuevos satélites los polímeros utilizados en la industria espacial pueden ser reforzados con nanopartículas o nanotubos de carbono con el objetivo de mejorar sus propiedades termo-mecánicas y su resistencia a la radiación.Se han publicado trabajos bastante recientes sobre nanocélulas solares, y aunque todavía no se han desarrollado sus aplicaciones a estos nanosatélites resulta muy atractiva.

Por otro lado la industria de satélites también puede beneficiarse de nuevos componentes electrónicos derivados de la nanotecnología que sean más livianos y resistentes a la radiación. En este sentido cabe destacar el desarrollo por parte de unos científicos argentinos de un dispositivo en miniatura para recibir y codificar ondas electromagnéticas, lo que permitirá reducir tanto el tamaño como el consumo energético. La invención construida con láminas de oro y montada sobre una plaqueta de silicio permitirá desarrollar una antena plana que funcionará como un satélite normal pero con muchísimo menor tamaño y consumo de energía lo que disminuirá sensiblemente los costos de su puesta en marcha

¿En que punto estamos en esta nueva carrera espacial?

Podemos decir que ya se han desarrollado nanosatélites, como el NANOSAT 1 que fue lanzado con éxito a principios de 2005, a bordo de un cohete Ariane 5 y que hay proyectos de investigación en esta línea como el proyecto ST5 de la nasa.

El proyecto ST5 realizará pruebas en vuelo de sus satélites miniaturizados y sus novedosas tecnologías en la magnetosfera terrestre. Tales pruebas ayudarán a los ingenieros a diseñar futuros satélites que puedan sobrevivir en este exigente ambiente. Durante estas pruebas, el proyecto ST5 podrá realizar mediciones del "blindaje" magnético de nuestro planeta y enviar datos para su análisis, brindando a los científicos un mejor conocimiento de esta región de la atmósfera. Los nanosatélites de ST5 se comunicarán e intercambiarán datos con la Tierra usando el mismo tipo de tecnología empleada actualmente en los teléfonos celulares, sólo que también podrán enviar imágenes.

En resumen

Lo importante es que los nanosatélites, a pesar de su tamaño, ofrecen funciones completas, lo que significa que portan sistemas de guiado, navegación y control, tienen control de orientación y propulsión, y ofrecen un alto ancho de banda y complejas funciones de comunicaciones. En conjunto, cada uno de los nanosatélites actúa como vehículo y no como elemento individual.

Se espera que los nanosatélites realicen algunas o todas las funciones que los satélites de mayor tamaño a un menor costo y, como mínimo, la misma eficacia.

Ingenieros estadounidenses usaron la tecnología de los nanotubos para fabricar una radio de transistores que es mucho más pequeña que un grano de arena, han revelado en un informe publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Científicos de la Universidad de Illinois armaron el diminuto receptor radiofónico con nanotubos, que son átomos de carbono en fila. Aun cuando esa radio solo puede captar una estación, su fabricación constituye un gran paso para la fabricación de otros aparatos minúsculos y mucho más avanzados.Esas hileras de átomos son centenares de miles de veces más finas que un cabello humano y en conjunto constituyen un material semiconductor que puede aplicarse a aparatos y circuitos electrónicos.Las radios están formadas por dos amplificadores de frecuencia radiofónica y un mezclador de frecuencia, todos ellos fabricados con materiales de nanotubos. Los audífonos, que son de tamaño normal, se aplican directamente a un transistor hecho también con nanotubos y el cual usa una antena también de tamaño normal. En una de las pruebas los ingenieros de la Universidad de Illinois captaron un informe de tráfico de la ciudad de Baltimore (Maryland).Según indicó John Rogers, un profesor de materiales científicos y de ingeniería de la Universidad de Illinois, el objetivo no era en sí fabricar un receptor de radio, sino desarrollar esos nanotubos para que actúen como semiconductores.

"Es un paso más hacia el desarrollo de nuevas plataformas para la tecnología electrónica", señaló. El ingeniero pronosticó que a medida que se vayan eliminando las distorsiones el diminuto aparato de radio podrá tener mejor funcionamiento que los actuales.

El articulo explicado en complejidad es “Radio frequency analog electronics based on carbon nanotube transistors”

El profesor John Rogers tiene una página web de su grupo de investigación http://rogers.mse.uiuc.edu/ donde se pueden consultar sus investigaciones.

Es interesante también la lectura de la entrevista que hizo el J. Rogers para nanotechweb.org que se puede leer en el siguiente link: http://rogers.mse.uiuc.edu/files/2008/radionanoweb.pdf

Graphene, eludido por científicos a lo largo de la historia es el material mas común usado en la mayoria de los lápices, se compone de un sin número de capas de grafito. Saroj Kayak en colaboración con el departamento de fisica, fisica aplicada y astronomia de Rensselaer lleva investigando dos años en como aplicar las excelentes propiedades conductivas en nanoelectrónica. Después de ejecutar docenas de simulaciones por ordenador el grupo de investigación demostró por primera vez que la longtud y la anchura del grafito afecta directamente en las propiedades de conductividad del material.

Nayak, Shemella, y su equipo expusieron sus conclusiones en el informe “Energy Gaps in Zero-Dimensional Graphene Nanoribbons” published in the July 23 issue of Applied Physics Letters. 

En la forma de una larga cinta nanométrica de una dimensión que parecen como mallas moleculares, el grafito tiene unas propiedades electricas únicas pudiendose comportar como metal o semiconductor. Cuando los segmentos cortos de esta cinta están aislados en cero dimensiones los segmentos se llaman nanorectangulos, cuando la anchura es medida en átomos, se clasifican en  “armchair” or “zigzag” graphene nanocintas. Ambos tipos de nanorectangulos tienen propiedades únicas.

Nayak, Shemella y el grupo tomó 1-D nanocintas y recortaron la longitud a unos pocos nanómetros, por lo que la longitud fue sólo un par de veces mayor que la anchura. Las longitudes de los nanorectangulos de grafito en cero dimensiones tienen claros y distintos efectos en las propiedades del material.  El equipo utilizó simulaciones de mecánica cuántica con capacidad predictiva para llevar a cabo este trabajo. Su estudio computacional mostró por primera vez que la longitud del grafito puede ser usado para manipular y ajustar la energía del gap del material. Esto es importante porque el gap determina si el grafito es metálico o semiconductor. 

Generalmente, cuando se sintetiza graphene, hay una mezcla de materiales metálicos y semiconductores

Nayak y Shemella dijeron que esta investigación es un primer paso importante para el desarrollo de una forma de producir en masa graphene metálico que un día puede reemplazar el cobre como principal material de interconexión en casi todos los chips de ordenador.

 El tamaño de los chips de ordenador se ha reducido drásticamente en los últimos diez años, pero recientemente han llegado a un tope, dice Nayak. Cuanto más pequeñas son las interconexiones de cobre, el cobre aumenta la resistencia y su capacidad para conducir la electricidad. Esto significa un menor número de electrones que son capaces de pasar por el cobre con éxito, y cualquier electrón se expresa como calor. Este calor puede tener efectos negativos en el chip tanto en su  velocidad y como en el rendimiento.

Los investigadores en la industria y el mundo académico están buscando alternativas para sustituir materiales como el cobre de interconexion. Graphene podría ser un posible sucesor de cobre, dijo Nayak, porque graphene metálicos tiene una excelente conductividad. Incluso a temperatura ambiente, los electrones pasan sin esfuerzo, cerca de la velocidad de la luz y con poca resistencia, a través de graphene metálicos. Esto casi garantizar una interconexión graphene disipando menos calor que una interconexión de cobre del mismo tamaño. Es probable que antes de un año graphene interconexión se realice, pero las principales empresas informáticas, como IBM e Intel han tomado conocimiento de este material. Nayak dice que graphene también es actualmente un "tema candente" en el mundo académico. 

Los nanotubos de carbono, que son esencialmente graphene enrollado, son otro posible heredero en sustitución de cobre como principal material utilizado para las interconexiones. Pero ellos sufren reveses similares a los de graphene, dice Nayak. Cuando se sintetizan nanotubos de carbono, alrededor de un tercio del lote es metálico y las dos terceras partes restantes son semiconductores. Sería extremadamente difícil separar las dos en una escala masiva, dijo Nayak. Por el contrario, investigaciones recientes en Rensselaer y en otros lugares dicen que graphene podría ser producidos en un modo más controlado. 

Dice Nayak."Fundamentalmente, en este momento, graphene muestra mucho potencial para el uso en las interconexiones, así como los transistores". 

También es posible que los semiconductores graphene se podrían un día utilizar en lugar de silicio como el principal semiconductor utilizados en todos los chips de ordenador, pero la investigación de esta posibilidad es aún muy preliminar, dijo Nayak.

El actual proyecto de investigación está financiado por el Centro de interconexión Focus Rensselaer, en Nueva York, la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Investigación Naval. Los cálculos se llevan a cabo con el apoyo de la Ciencia de la Computación Centro de Investigación y con el uso de la máquina IBM Blue Gene a través de una Shared University Research (SUR) de subvención a Rensselaer.