Nanotecnología

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.

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.

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

De todos es conocido que  el material semiconductor por excelencia es el Silicio. No obstante, se están desarrollando nuevos materiales con propiedades de conductividad extremadamente buenas que podrían utilizarse en la nanoelectrónica. Este es el caso del grafeno, fabricado por primera vez en un laboratorio en el año 2004.

El grafeno es una forma particular de disponer los átomos de carbono, así como los fullerenos y los nanotubos de carbono. En el grafeno los átomos de carbono se unen en láminas planas de un átomo de espesor, formando un panal de abejas hexagonal (con un átomo en cada vértice).

                                                  Grafeno

En el caso de que se coloquen muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito, como es el caso de los lápices comunes. Si se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, como un balón de fútbol, se producen fullerenos, unas moléculas de tan gran interés que a sus descubridores se les concedió el Nobel de Química del año 1996. Si se enrolla el panal formando un cilindro, se tiene un nanotubo de carbono.

                        Fullereno                          Nanotubo de carbono

Como ya se había predicho hace algunos años, una lámina bidimensional, casi plana, de carbono es  termodinámicamente inestable. De ahí, que el grafeno que se ha conseguido sintetizar hasta ahora no es perfecto, y posee defectos microscópicos que son los que le otorgan parte de sus propiedades tan especiales. Entre ellas, cabe destacar las siguientes:

 - Los electrones que se mueven en el “panal” formado por celdas hexagonales con átomos de carbono en los vértices, debido a la interacción con esta red, se comportan como cuasipartículas sin masa llamadas fermiones de Dirac, que se mueven a una velocidad constante cercana a la velocidad de la luz. De manera que pueden mostrar comportamientos relativistas que pueden corroborar experimentalmente lo que se había predicho hace más de 50 años de manera teórica.

 - El paso de los electrones por el grafeno origina un efecto Hall cuántico que es imprescindible para su comportamiento como semiconductor. No obstante mientras que otros semiconductores sólo presentan este efecto a temperaturas muy bajas, el grafeno lo mantiene a temperatura ambiente, lo que le convierte en un semiconductor excelente y su conductividad eléctrica nunca puede ser cero, incluso cuando no hay electrones libres en el grafeno.

 - Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no limitarse a un camino recto como ocurre en los transistores convencionales de Si, donde se crean pequeños tubos por donde circula la corriente eléctrica. 

En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece.

Han sido desarrollados aparatos para la detección química basados en nanotecnología. Estos aparatos contienen un conjunto de sensores de productos químicos. Cada sensor consiste en una nanoestructura (elegida entre muchas diferentes categorías de materiales sensores, en este caso, nanotubos de carbono, pueden ser también óxidos semiconductores de metales…) y un electrodo como transductor. Éste es un tipo de sensor electroquímico que implica la transferencia de carga de un electrodo a otro. Esto significa que al menos dos electrodos constituyen una célula electroquímica para formar un circuito eléctrico cerrado. El motivo para el uso de la nanotecnología es que debido a la mayor superficie específica expuesta proporcionan una mayor adsorción de las especies químicas a detectar, y por tanto una muy alta sensibilidad. Además, necesitan menor potencia eléctrica (bajan la potencia hasta entre los miliwatios y los microwatios) y proporcionan un coste menor, y un menor peso (del orden de gramos) para aplicaciones portátiles para el análisis químico in situ. Estos nanosensores pueden ser utilizados para el análisis químico de gases, pero también se pueden extender sus aplicaciones a la detección de líquidos. Para mejorar su selectividad, se pueden dopar con catalizadores y mezclar con polímeros. Debido a la interacción entre las nanoestructuras y las moléculas de gas, se producen cambios en la configuración electrónica de la nanoestructura, que producen cambios en la corriente eléctrica o en el voltaje observados antes y después de la exposición a especies gaseosas tales como NO₂, NH₃, acetona, metano, benceno, tolueno, etc. Midiendo el cambio de conductividad de estos nanotubos de carbono se puede medir la concentración de esas especies químicas, y el tiempo de respuesta esta entre los segundos y los minutos.En distintos experimentos, estos sensores formados por nanotubos de carbono han sido expuestos a varias concentraciones diferentes de NO_2, entre 10 ppm y 400 ppb a temperatura ambiente, y a varias concentraciones de NH₃, entre 50 ppm y 5 ppm a temperatura ambiente también. Con los mismos materiales sensores y el mismo gap, el aparato sensor ha detectado el NO₂ en cantidades de ppb y ha respondido disminuyendo su resistencia eléctrica. Mediante cálculos de la señal de ruido se ve que también es capaz de detectar NH₃ en las ppb, y responde aumentado su resistencia eléctrica. Este cambio direccional en la resistencia proporciona una diferenciación entre el NO₂ y el NH₃. Los materiales nanoestructurales tales como nanotubos de carbono y nanohilos de óxidos semiconductores de metales de transición aumentarán nuestras capacidades de detección tanto en la tierra como en el espacio. Por ejemplo, estos sensores de nanotubos de carbono han demostrado una mayor sensibilidad y un menor consumo eléctrico que los mejores detectores estándar. Combinado con tecnología microelectromecánica (MEMS), se pueden fabricar a bajo coste sensores compactos a escala de obleas. Esta nanotecnología puede extender sus aplicaciones en áreas civiles tales como en detección de explosivos, para insignias de detección para el personal de una instalación (similares a los dosímetros de radiación), para sensores de hermeticidad, etc. Adicionalmente, ayudados de la tecnología inalámbrica, estos chips sensores se pueden usar en zonas de guerra, bases militares, etc.           

Dibujo esquemático de un nanotubo de carbono. Cada vértice de los hexágonos representa un átomo de carbono.

Imagen SEM de nanotubos de carbono de gran tamaño.

Los nanotubos ya eran conocidos en electrónica, se han utilizado como transistores de efecto campo. Es así como los nanotubos abren un nuevo campo de investigación, pasando de ser sólo materiales meramente estructurales (debido a su elevada resistencia y sus propiedades de superficie) a ser materiales altamente interesantes por sus propiedades electrónicas.

 FET de nanotubos de carbono dispersados aleatoriamente sobre un sustrato de silicio. Fuente: http://physicsworld.com

Era cuestión de tiempo que los nanotubos de carbono llegaran a la televisión. No lo harán por ser famosos, que lo son al menos en la esfera científica, sino para formar parte de las pantallas sustituyendo a las actuales de  LCD. Esto está basado en la propiedad del los nanotubos de emitir luz.

     Nanotubos de carbono. Fuentes: www.students.chem.tue.nl, www.wtec.org ,www.wtec.org

Y es que Samsung y más concretamente el laboratorio del gigante coreano, Samsung Advanced Institute of Technology, ha fabricado un prototipo de televisor LCD de 15 pulgadas en el que utilizan nanotubos de carbono como sustitutos de las fuentes convencionales de luz para formar la imagen, es decir, los LEDS. La principal ventaja que se derivaría de esta aplicación sería una bajada considerable del precio del producto.

No es la primera vez que Samsung experimenta con los nantotubos de carbono, de hecho, hace unos años lo intentó con la tecnología denominada FED (field-emited-displays) basada en el bombardeo electrónico por parte de los nanotubos de una pantalla fosforescente.  Es una tecnología similar al tubo catódico pero con la que se podrían obtener mejores resoluciones y calidad de imagen que con una pantalla de LCD o de plasma.

Por otro lado, otras compañías del sector también han construido prototipos para sustituir las pantallas actuales aumentando su resolución y calidad.  Así, Toshiba y Canon investigan en la tecnología SED, stands for surface-conduction electron-emitter display, (http://news.zdnet.com/2100-9584-6047405.html ) en la que los electrones son filtrados en una matriz de cientos de puntos de sólo unos cuantos nanometros de ancho, lo que permite a los electrones iluminar una pantalla.  Pero, estas propuestas no han podido competir con las pantallas basadas en nanotubos de carbono, ya que necesitan líneas de producción nuevas en las fábricas, lo que encarece mucho su precio final, además sus creadores no contaron con la tendencia a la baja del precio que están sufriendo los LCD’s convencionales, lo que hace esta propuesta aún menos competitiva.

Hasta hace relativamente poco, exactamente alrededor de 2003, no se conocía la propiedad de los nanotubos de carbono de emitir luz (http://physicsworld.com/cws/article/news/17407 ), hasta que los investigadores de IBM (http://www.research.ibm.com/ ) la obtuvieron al hacer pasar una corriente a través de ellos, esto no sólo revolucionará el mundo de la imagen, sino que permitirá construir dispositivos optoelectrónicos ultra pequeños para componentes de comunicación de alta velocidad. 

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.

Uno de los principales problemas de la computación cuántica son las grandes dificultades técnicas, son necesarias grandes cantidades de qubits para cualquier cálculo que implica la corrección de errores; para ninguno de los sistemas actualmente propuestos es trivial un diseño capaz de manejar un número lo bastante alto de qubits para resolver problemas interesantes. Además hay que tener en cuenta el fenómeno de decoherencia: la superposición cuántica (capacidad de existir un qubit en dos universos paralelos) es difícil de obtener y mantener ya que cualquier interacción con el exterior obligará al qubit a adoptar un valor definido.

Otro problema es que no se ha encontrado el hardware ideal para tales computadoras cuánticas; simplemente se han definido una serie de condiciones que debe cumplir, por ejemplo, el sistema debe ser escalable ya que cuanto mayor sea el problema, mayor número de qubits debe tener; también debe de seguir una coherencia cuántica…

En cuanto a las ventajas, no necesariamente el computador cuántico hará mejor las cosas que las computadoras actuales, por ejemplo, las computadoras actuales son muy buenas para multiplicar grandes números, sin embargo para realizar operaciones repetitivas las computadoras cuánticas pueden hacer uso del cómputo en paralelo: la factorización de grandes números, la búsqueda en bases de datos.

Estudios recientes nos hablan de los nanotubos de carbono de pared sencilla (SWCNT), que resultan interesantes en este tema ya que se vuelven metálicos y semiconductores en función de cómo se enrollen y se podrían aplicar a varios dispositivos, como transistores de efecto campo ultrapequeños, dispositivos de un solo electrón, dispositivos de informática cuántica y dispositivos emisores de luz.

Un grupo de investigación del Instituto Japonés de Investigaciones Físicas y Químicas ha realizado amplios esfuerzos experimentales para aplicar los SWCNT a dispositivos de un solo electrón y dispositivos de informática cuántica (qubit) con un solo punto cuántico como estructura básica.         

La síntesis de los nanotubos de carbono:

-         Síntesis por el método de arco: conectamos dos barras de grafito a una fuente de alimentación con voltaje de 20-50V, separarlas unos milímetros y accionar el interruptor; al saltar una chispa, el carbono se evapora en un plasma caliente, parte de esto se condensa y se forman los nanotubos.

-         Síntesis por el método de vaporización por láser. Consiste en el bombardeo de barras de grafito con pulsos internos de láser, de esta forma se genera gas caliente de carbono a partir del cual se forman los nanotubos.

-         Síntesis por el método de crecimiento de vapor: se coloca un catalizador en un horno de atmósfera inerte de helio a baja presión, se calienta y se le va añadiendo gas metano, acetileno o benceno, de esta forma se liberan átomos de carbono, que se pueden recombinar en forma de nanotubos.

Las propiedades de los nanotubos de carbono son:

-         Propiedades electrónicas: transportan bien la corriente eléctrica, tienen características metálicas, semi o superconductoras.

-         Propiedades mecánicas: es uno de los materiales conocidos más duros.

-         Propiedades elásticas: podría esperarse que los nanotubos sean extremadamente duros en la dirección del eje, pero son flexibles a deformaciones perpendiculares al eje. Cuanto menor sea el diámetro, menor es su estabilidad.

-         Propiedades térmicas: presenta altísima conductividad térmica en la dirección del eje del nanotubo. 

Los nanotubos baten el récord de superconductividad: físicos de Japón han demostrado que los nanotubos de carbono de múltiples paredes pueden actuar como superconductores a temperaturas tan elevadas como 12 ºK, es decir, 30 veces más elevada que para los tubos de carbono de pared única. Los nanotubos superconductores se podrían utilizar para el estudio de efectos cuánticos fundamentales en una dimensión, así como para la búsqueda de aplicaciones prácticas en la informática cuántica molecular.

El equipo ha diseñado un sistema que cuenta con una fase superconductora, el sistema está formado por una matriz de nanotubos de carbono de varias paredes, constituido cada uno de ellos por una serie de capas concéntricas. Los contactos eléctricos de metal están unidos a los tubos de manera que tocan la parte superior de todas las capas. Por el contrario, las uniones convencionales "bulk junction", sólo tocaban la capa exterior del tubo en algún punto a lo largo del mismo.