Nanotecnología

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.

En un artículo publicado en El País el 28 de Marzo de 2007 se trata lo siguiente:

 La nanotecnología está llegando al mercado a través de una amplia variedad de productos; pastas de dientes, cremas con filtro solar, lavadoras, neveras, pinturas o limpia-cristales, tal y como se muestra en los artículos publicados en este blog. La lista es larga, pero según las previsiones no es más que el tímido principio de la irrupción de lo nano en el día a día. Se espera que las futuras aplicaciones multipliquen la eficiencia de las fuentes de energía renovable, impulsen la medicina regenerativa o aceleren el desarrollo de ordenadores más potentes. La presencia de lo nano en nuestra vida cotidiana ha sido largamente vaticinada y, por tanto, no debería causar sorpresa. Pero muchos se preguntan si no se debería, antes que nada, aclarar qué efectos tienen algunas nanoestructuras sobre la salud humana y el medio ambiente. Informes de las Naciones Unidas, de la Royal Society británica o de la Unión Europea coinciden con grupos ecologistas en admitir que el conocimiento sobre estos efectos es aún escaso. Nadie quiere tropezar con el rechazo del público a la nanociencia", dice el artículo, por eso estos estudios son muy importantes.

Un informe de Octubre de 2006 del consorcio europeo Nanoforum señalaba: ”El principal problema [de la nanotecnología] provendrá de las fuertes inversiones en investigación en un tipo de nanociencia que aún no ha alcanzado al consumidor”. Sobre estas expectativas hay pocas dudas. La pregunta es otra: ¿se está investigando todo lo que se tendría que investigar en nanotecnología?. El informe anual de las Naciones Unidas de 2006 sobre el medio ambiente califica literalmente a la nanotecnología como un desafío emergente: “Tiene un enorme potencial para generar beneficios sociales, económicos y medioambientales (…).Sin embargo, su impacto ambiental es en gran medida desconocido(…).Hace falta una investigación más sistemática y políticas (de control público) específicas para el sector”. Leer más »

En nuestro afán de presentar a todos los nanomateriales con aplicaciones en tecnología, hoy nos vamos a centrar en unos nanomateriales muy especiales, las nanopartículas metálicas. ¿Podrías decir de qué “color” son los metales?. Con carácter general todo el mundo diría que son “plateados”, pero en realidad éste efecto es debido a que su superficie es muy especular. Si cogiésemos una lima  para conseguir nanopartículas de aluminio por ejemplo, ¿de qué color serían ahora?. Evidentemente son oscuras, ¿por qué? Pues muy sencillo, el tamaño es tan pequeño que la superficie no puede actuar como superficie especular y toda la luz que incide sobre ellas es absorbida, sí, absorbida. En un metal, los átomos ceden parte de su carga eléctrica (electrones) al material como un conjunto y éstos se pueden mover libremente, y por tanto podrán absorber toda la luz que llega. ¿De qué color sería el oro cuando está formado no como metal sino como partículas de tamaño nanométrico?. Pues no, no es negro. Existen ciertos metales, como el oro o la plata, en los que este fenómeno no sucede presentando ciertas peculiaridades. En una nanopartícula de oro, sucede como en el caso de una de aluminio, los electrones pueden moverse libremente, pero ahora éstos electrones presentan una particularidad. Bajo ciertas condiciones, se consigue que todos estos electrones se muevan de manera más o menos ordenada y no al azar. Este movimiento colectivo se denomina “plasmón” y la existencia de estos plasmones origina que el oro no sea negro!!!. Las nanopartículas de oro en disolución y debido a este fenómeno presentan color, y éste color dependerá del tamaño de la partícula y de su concentración. ¡!Perfecto!! Acabamos de construirnos una “paleta de colores”.