Nanotecnología

En el desarrollo de la nanociencia es primordial la creación y evolución de las técnicas de nanoestructuración, este desarrollo ha hecho posible la síntesis de nanoestructuras bidimensionales y unidimensionales que confinan electrones en planos y en líneas respectivamente. Más aun, se sintetizan nanoestructuras que confinan electrones en puntos matemáticos llamando a éstos puntos cuánticos (quantum dots).Un punto cuántico es cualquier nanoestructura que confine en las tres dimensiones el movimiento del electrón. En estas circunstancias la descripción del electrón debe ser desde la teoría cuántica. Actualmente los puntos cuánticos están hechos de nanocristales semiconductores de entre 2 y 10 nanómetros de ancho. Para que haya confinamiento los puntos cuánticos deben de tener un tamaño comparable al radio del excitón de Bohr, que es del orden de 10 nm en la mayoría de los semiconductores.

Este confinamiento de los electrones en una región suficientemente pequeña da lugar a que pasemos de tener bandas a tener niveles cuánticos de energía separados y cuya separación dependerá en forma inversa del tamaño del punto cuántico. Los puntos cuánticos contienen solamente unos pocos miles de átomos y son capaces de emitir y absorber luz a longitudes de onda determinadas por la energía de los niveles en el punto y no por la energía de la banda prohibida del material. Como la separación de los niveles depende del tamaño del punto cuántico y la luz emitida es debido a las transiciones entre estos niveles, entonces se puede controlar la longitud de onda de la luz que se emite con el tamaño de los puntos cuánticos. Leer más »

En los últimos tiempos se están desarrollando nanohilos semiconductores, que actúan a la vez como medio activo y como microcavidad láser, con capacidad para lasear en ultravioleta a temperatura ambiente. A este tipo de dispositivos se les conoce como nanowire nanolasers. Ejemplos de nanoláseres de nanohilos son los de ZnO o GaN. Éste tipo de nanoláseres pueden tener una infinidad de aplicaciones en nanofotónica, incluyendo comunicaciones ópticas, almacenaje de información y microanálisis. El primer testimonio de este tipo de láseres lo encontramos en un artículo de la revista Science publicado por Huang et al., de la Universidad de California y el Berkeley Lab, en el año 2001. En este artículo tan sólo hablaré sobre los nanoláseres de ZnO, pues son con los que se empezó a trabajar, pero en la actualidad hay más semiconductores adecuados para este tipo de dispositivos.

En primer lugar, ¿por qué reducir tanto las dimensiones? Ya se comprobó con anterioridad al descubrimiento de los nanoláseres, que el ZnO es un material susceptible de emitir luz láser en ultravioleta (Eg=3.37eV). Pero los semiconductores de gap ancho, como el ZnO, necesitan una gran concentración de portadores para alcanzar la suficiente ganancia óptica. Sin embargo, se puede recurrir a la recombinación excitónica, que es un proceso radiativo mucho más eficiente, con un umbral de emisión estimulada mucho inferior. Para ello, la energía del excitón a temperatura ambiente debe ser mucho mayor que la energía térmica. Lo cual nos lleva de nuevo a recurrir al ZnO, pues su energía de enlace del excitón es del orden de 60 meV. Por otro lado, el hecho de reducir las dimensiones del semiconductor a tamaño nanométrico conlleva un aumento tanto de la densidad de estados en los bordes de la banda como de la recombinación radiativa debido al confinamiento. De ahí las ventajas de usar ZnO en estructuras con dimensiones nanométricas.

Los nanohilos de ZnO se sintetizan sobre un substrato de zafiro (110) en un proceso de transporte en fase vapor a través de un crecimiento epitaxial catalizado. En este caso se utilizan películas delgadas de oro como catalizador. Estos nanohilos, que están altamente orientados, sólo crecen en las zonas que están recubiertas por oro. Los diámetros de los nanohilos pueden oscilan entre los 20 y los 150 nm, mientras que su longitud va de 2 a 10 micras, dependiendo del tiempo de tratamiento. Por otro lado, su sección transversal es hexagonal (0001), y tienen la ventaja de estar bien facetados, tanto lateralmente como en los extremos superior e inferior, lo cual favorece a la hora de actuar como cavidad láser. Se puede ver en la figura 1 una imagen SEM de los nanohilos de ZnO.

Figura 1

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      Como toda ciencia emergente, la nanotecnología presenta innumerables ventajas, muchas son las aplicaciones que permitirán mejorar la calidad de vida de la sociedad actual. Sin embargo, junto a todos estos aspectos positivos, merece la pena reflexionar sobre los posibles “riesgos” igualmente. Los posibles impactos de la nanotecnología en el medio ambiente o en nuestra salud han sido objeto de preocupación en determinadas instancias. El gobierno británico, por ejemplo, encargó un informe independiente sobre las posibles consecuencias de estas nuevas tecnologías a la Royal Society y a la Royal Academy of Engineering. El informe, publicado hace menos de dos años, consta de diez capítulos y en él se reflexiona tanto sobre los aspectos beneficiosos, como sobre los posibles riesgos.
     Cada vez son más las voces que proponen un aumento considerable en las inversiones destinadas a evaluar los posibles riesgos de las nuevas tecnologías. Una de las mayores preocupaciones es ganar la “batalla de la opinión pública” y evitar, en la medida de lo posible, que la nanotecnología tenga el mismo impacto negativo en la sociedad que en su momento tuvieron los alimentos modificados genéticamente. Una percepción negativa de la misma podría poner en peligro grandes inversiones, se prevé que para el año 2015 la nanotecnología genere hasta un billón de dólares en la economía mundial y que emplee a más de dos millones de personas en todo el mundo. En la actualidad, la inversión en I+D en nanotecnología supone 9000 millones de dólares, siendo el mayor inversor EEUU; sin embargo, éste tan sólo invierte 39 millones de dólares en estudios orientados al conocimiento del efecto que las nanopartículas pueden tener en el medio ambiente y en el hombre.
     Las nanopartículas, debido a su pequeño tamaño, son fácilmente asimilables por los organismos ya sea por inhalación, ingesta o incluso a través de la piel. Lo cierto es que esto no es nada nuevo, en la atmósfera se encuentran numerosas nanopartículas derivadas, entre otras cosas, de la quema de combustibles fósiles. La aplicación de la nanotecnología podría conllevar un aumento considerable de la exposición a estas partículas, cuyas consecuencias deben ser investigadas, especialmente las derivadas de su mayor movilidad y reactividad. Leer más »