Nanotecnología

En 1991, el doctor Sumio Iijima observó y caracterizó unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín. Constituidas por carbono, estas finas macromoléculas de forma tubular recibieron el nombre de nanotubos. Aunque se crean espontáneamente en cualquier hoguera, se han descubierto varias formas de sintetizar estas estructuras tubulares. Sin embargo estos métodos sufren algunas limitaciones importantes: producen mezclas de nanotubos con una amplia gama de longitudes, muchos defectos y variedad de torsiones. Hay varios métodos de obtención pero los tres más importantes son:

Cámara de descarga de arco eléctrico: Este método consta de dos electrodos de grafito conectados a una fuente de alimentación y separados unos milímetros. Los electrodos están sumergidos en una atmósfera de helio o argón a baja presión, de manera que cuando se hace circular una corriente de 100 Amperios, salta una chispa que crea un plasma. El carbono del ánodo se evapora en el plasma, debido a su alta temperatura alcanzada, pero se deposita a su vez en el ánodo. El material depositado está compuesto por nanotubos y otras nanopartículas de carbono.

Los nanotubos obtenidos son de pared simple aunque introduciendo ciertos elementos de transición como el Fe, Co, Ni se llega a catalizar nanotubos de pared múltiple.

 

 

Sin embargo, aunque la producción de nanotubos mediante este método resulta sencilla y barata, tiene limitaciones para obtener cantidades de nanotubos de carbono de alta calidad. Además los nanotubos tienden a ser cortos y a depositarse en formas y tamaños aleatorios.

CVD (Chemical Vapor Deposition): Consiste en colocar, en una cámara, un sustrato con una capa de partículas de un metal catalítico (Fe, Co, Ni y otros), que se calienta hasta aproximadamente 700 ºC. Posteriormente se introduce en la cámara un gas de un hidrocarburo como el metano. Al descomponerse el gas, libera átomos de carbono que se irán depositando sobre las partículas catalíticas del sustrato para dar lugar a los nanotubos. Los diámetros de los nanotubos que se forman están relacionados con el tamaño de las partículas de metal. Este tamaño se puede controlar por deposición de patrones (o mascaras) de metal.

Esta técnica es la más sencilla para su aplicación a nivel industrial. Sin embargo los nanotubos fabricados así suelen ser de pared múltiple y presentan gran cantidad de defectos.

Ablación láser: Consiste en el bombardeo de una barra de grafito con pulsos intensos de haz láser, en un reactor a alta temperatura y en presencia de un gas inerte. Así se genera el gas caliente de carbono a partir del cual se forman los nanotubos al condersarse en las paredes frías del reactor.

Los nanotubos obtenidos son de pared única con una gama de diámetros que se puede controlar variando la temperatura de reacción. Es un método con un buen rendimiento pero es muy costoso ya que requiere laceres de alta potencia.

Información adicional

A priori puede parecer que la idea de NEM es sencilla, pero… ¿Cómo conseguir manipular los componentes a tan pequeña escala?  

Es necesario utilizar tecnologías de deposición basadas tanto en reacciones químicas como en interacciones físicas, con un control átomo a átomo que permita el diseño de las distintas capas del dispositivo mediante procesos litográficos.

- ‘Deposiciones químicas’:

-          CVD: deposición sobre un sustrato de un compuesto condensado a partir de una reacción gaseosa de los materiales a depositar.  Se utiliza para depositar capas delgadas con buena cobertura

-          Electrodeposición: sólo para materiales conductores. Se basa en la deposición electrolítica convencional y se utiliza sobre todo para metalizaciones.

-          Epitaxia: muy similar al CVD, pero aquí el sustrato es un cristal semiconductor sobre el que se crece el dispositivo con la misma orientación cristalográfica que el sustrato. Permite crecer capas gruesas (>100mm) debido a la elevada velocidad de crecimiento que se alcanza.

-          Oxidación térmica: proceso más básico consistente en oxidar la superficie del sustrato en una atmósfera rica en oxígeno, es el único proceso que consume sustrato y está limitado a materiales susceptibles de oxidarse.

- ‘Deposiciones físicas’:

-          PVD: técnica más barata pero menos eficaz que el CVD. Consta de dos procesos, la evaporación y el sputtering en los que el material a depositar se adhiere al sustrato por evaporación y condensación o por proyección.

-          Casting: que consiste en el ‘pintado’ de la superficie con una disolución del material a depositar en un disolvente que se evapora dejando una capa de material sobre el sustrato. Se utiliza sobre todo para sustratos poliméricos.

El mundo de los NEMS abre muchas puertas en cuanto a detección, pero aún debe conseguir superar algunas dificultades, hay varios retos que alcanzar:

- Avanzar en la comunicación de las señales entre el mundo microscópico de los NEMS y el mundo macroscópico.

- Entender y controlar los mecanismos mesoscópicos.

- Encontrar métodos de fabricación reproducibles para implementar la fabricación en serie.

Actualmente estas son líneas de investigación activas de gran importancia, ya que los NEMS tienen numerosas aplicaciones:

- Metrología y ciencia fundamental.

- Microscopio de fuerza de resonancia magnética (MRFM): que se basa en el hecho de que la mayoría de los núcleos atómicos poseen un momento magnético o spin que puede interactuar con un campo magnético aplicado.

- Resonancia magnética de single-spin.

- Contadores de fonones.

Una de las aplicaciones más novedosas son los bioNEMS (‘BioNEMS: nanomechanical Systems for Single-Molecule Biophysics’, J.L. Arlet, M.R. Paul, J.E. Solomon, S.E. Fraser and M.L. Roukes (2007)), es decir, NEMS utilizados para la detección de variables relacionadas con el mundo celular.  En este campo los NEMS brindan la oportunidad de realizar medidas con una sensibilidad sin precedentes, a un nivel de detección de fuerzas del orden de los picoNewtons, que son fuerzas menores a las necesarias para romper los puentes de hidrógeno, que son las fuerzas fundamentales que unen a los elementos estructurales que intervienen en los procesos de reconocimiento molecular.  Los bioNEMS permitirán la observación en tiempo real, de procesos bioquímicos estocásticos que impliquen a moléculas individuales, que ocurran con una velocidad inferior a los microsegundos.

Como se ha podido comprobar, el campo que abren los NEMS en detección es enorme, sin embargo, aún hay que avanzar, tanto en su comunicación con el mundo exterior como en sus métodos de fabricación.  En cuanto a estos últimos, se vislumbra como una posibilidad factible a no muy largo plazo la fabricación de estos dispositivos átomo a átomo y no a partir de materiales masivos, lo que aumentaría en gran medida la precisión.

Este trabajo está basado en la publicación de Michael L. Roukes.