Nanotecnología

Por Alberto Rosa  

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 � �
SEnergy 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  � �
Sarmchair� �� or � �
Szigzag� �� 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.

Por Pilar Barrado 

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.

Por Ana Belén Quesada    

 El nombre de nanotubo tiene su origen del hecho que estos objetos poseen estructura tubular con diámetros del orden de un nanómetro, o sea, de un millonésimo de milímetro. El carbono puede llegar a formar nanotubos, denominados nanotubos de carbono, del mismo modo que puede formar otras estructuras atendiendo a la estructura cristalina.

     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.

• Atendiendo al número de capas se pueden clasificar en:

	Nanotubos de capa múltiple (MWNT); son aquellas formadas por capas concéntricas de forma ciclíndrica, las cuales están separadas aproximadamente una distancia similar a la distancia interplanar del grafito.
	Nanotubos de capa única (SWNT); Son los que se pueden describir como una capa bidimensional de grafito enrollada formando un cilindro de décimas de micrones de longitud y radio del orden de los nanómetros, los cuales además poseen en sus extremos semiestructuras de fullerenos.

• Atendiendo a una clasificación genérica en:

• De acuerdo a los índices de Hamada (n,m):

	Nanotubos ZigZag; Tendrán esta denominación si n=m y si además poseen una helicidad de  Φ=0
	Nanotubos ArmChair; Se llamará así cuando m=0 y poseen además una helicidad de Φ=30
	Nanotubos chiral; Los nanotubos son tipo chiral si n>m>0 y si además poseen una helicidad de Φ<30

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Por Alvms 

Nuestros conceptos acerca de la naturaleza de la materia a menudo están muy influidos por los descubrimientos azarosos. Ningún evento reciente ha cautivado tanto la imaginación de los científicos y del público como el descubrimiento, hecho casualmente en 1985, de la molécula C60, con forma de balón de fútbol. Esta molécula, su pariente C70 y otras moléculas semejantes descubiertas en 1985 se conocen como fullerenos, o más comúnmente buckyballs .

A partir de estos descubrimientos, miles de grupos de investigación en todo el mundo han estudiado las propiedades físicas y químicas de estas moléculas tan estables. � 0stas representan una tercera forma alotrópica del carbono además del grafito y del diamante. 

La preparación de los fullerenos es casi trivial. Cuando se establece un arco de corriente entre dos electrodos de carbono bajo una atmósfera de helio, el hollín que se deposita es rico en C60 y C70. Aunque la preparación es sencilla, la separación y purificación de unos pocos miligramos de C60 resulta laboriosa y costosa. Recientemente se descubrió que se pueden separar cantidades relativamente grandes de buckyballs mediante cromatografía de exclusión por tamaño. Leer más »

Por Alvms 

Los elementos pueden existir en diversas formas, o alótropos, dependiendo de las condiciones y modos en que se han formado. Así se conocen más de 40 formas de carbono muchas de las cuales son amorfas y no cristalinas.

Por ejemplo, el coque es el residuo sólido que se obtiene después de separar los componentes volátiles del petróleo crudo o del carbón. La combustión incompleta de los compuestos orgánicos produce hollín. El negro de carbón es un importante producto comercial, que resulta de calentar los hidrocarburos a temperaturas cercanas a 1000ºC en ausencia de aire, y que tiene múltiples aplicaciones, entre ellas como tinta de impresión. El carbón activo es altamente poroso y posee la propiedad de absorber trazas de sustancias orgánicas del aire (filtros de aire, máscaras de gas) y del agua (filtros de agua). Probablemente las formas cristalinas más conocidas del carbono son el grafito y el diamante.

El grafito, el alótropo de carbón más estable, esta formado por un extenso sistema políciclico de anillos bencénicos fusionados que se disponen en capas, separadas entre sí 3,35 A. El carácter completamente deslocalizado de estas láminas, formadas únicamente por la unión de carbonos sp2, es el origen del color negro y de la conductividad del grafito. Además, como estas láminas pueden desplazarse lateralmente, el grafito tiene propiedades lubricantes. También se emplea en las minas de los lápices.

En el diamante, los átomos de carbono, todos ellos con hibridación sp3, forman una red entrecruzada de ciclohexanos en conformación silla. Debido a ello el diamante es incoloro, aislante, y el más denso y duro de los materiales conocidos. Es menos estable que el grafito, en 0,45 kcal/g De átomo de C. Se transforma en grafito a altas temperaturas o cuando se somete a una radiación de energía elevada, propiedad que, es poco apreciada en joyería. Leer más »