Nanotecnología

En general el proceso que se lleva  acabo dentro de la célula fotovoltaica es que la luz puede ionizar los átomos en el silicio produciéndose un campo interno que separa electrones de huecos dentro del dispositivo. Aunque estas cargas se atraen,  sólo se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo por fuera del material debido a la aparición de la barrera producida por el potencial interno.

De modo que si se diseña el circuito se puede producir una corriente partiendo de las celdas iluminadas al tener que pasar los electrones libres por el circuito para recombinarse con los agujeros positivos.

            Efecto fotovoltaico en una célula solar

Mediante la nanotecnología, se pone a prueba cómo un material genera, captura, transporta y almacena electrones libres y para ello existen dos métodos nanotecnológicos  que diseñan los  materiales de constituyen las celulas solares.

El primero de ellos, utiliza películas delgadas de nanopartículas de óxido de metal, es decir, por ejemplo se utilizaría dióxido de titanio dopado con otros elementos, en este caso, se ha utilizado nitrógeno.

La otra posibilidad que existe o método emergente, es el uso de los puntos cuánticos quienes absorben fuertemente la luz visible. Tanto el dopado de los materiales como la sensibilización de los mismos con puntos cuánticos hacen que se incremente la absorción de la luz solar por parte de los materiales de la célula, los óxidos metálicos.

Existe otra tercera posibilidad que no es otra que la de combinar las dos primeras, cuya investigación  ha llevado a cabo el profesor de química Jin Zhang en la Universidad de   California en Santa Cruz, de modo se puede crear una película de óxido de metal dopada con nitrógeno (el dopado con nitrógeno permite absorber energía luminosa en una amplia zona del espectro electromagnético) y a la vez, sensibilizada con puntos cuánticos( los puntos cuánticos incrementan la absorción de luz visible y estimulan la corriente fotoeléctrica y la conversión de energía) demostrándose que poniéndolo a prueba los resultados son todavía mejores que con la aplicación de los dos primeros métodos por separado. Así, parece ser que ambos métodos sumas esfuerzos para capturar los fotones del sol obteniéndose mayor eficacia.

Estos primeros pasos hacen prever que la nanotecnología va  a poder permitir incrementar la eficiencia de la conversión en las células solares basadas en nanomateriales.

Este nuevo planteamiento enfocado al aumento de la capacidad de almacenamiento, tendría mayor número de aplicaciones, además de las baterías de gadgets, ya que en un futuro se podría extender a baterías destinadas a automóviles eléctricos o instalarse en viviendas para que pudieran almacenar mayor cantidad de electricidad generada debido a la instalación de celdas solares.

Si analizamos el proceso que se produce en una batería de litio convencional se observa que la capacidad de almacenamiento eléctrico está limitada por la cantidad de litio que puede mantenerse en el ánodo normalmente fabricado de carbono. Como ventaja se destaca que el silicio posee mayor capacidad que el carbono pero en contra partida se dilata al absorber átomos de litio y se contrae durante el funcionamiento del dispositivo con forme los átomos de litio salen, provocando la degradación poco a poco.

La novedad de este descubrimiento reside en que el litio que se almacenaría durante el proceso de carga lo haría en un diminuto bosque de nanocables de silicio, cada uno con un diámetro de una milésima de espesor de una hoja de papel, que se expanden hasta cuatro veces su tamaño normal cuando están en el proceso de absorción del litio, además no se fracturan,  y dada la amplia infraestructura de la industria del silicio, la nueva versión estaría entre nosotros de un modo rápido y relativamente barato.

Cada día que pasa se descubren nuevas tecnologías relacionadas con la nanotecnología y a su vez también relacionadas entre ellas. Un claro ejemplo es el nuevo método desarrollado para producir nanocables de longitud ilimitada y de estructuras tridimensionales basado en una micropipeta que actúa como una pluma fuente con una apertura de unos 100 nanometros, de donde sale una tinta acuosa que se evapora rápidamente produciendo una fibra sólida. El líquido se caracteriza por ser una tinta acuosa y el material de las fibras puede ser de distintas naturalezas, desde hidróxido de potasio a puntos cuánticos.

Enormes progresos se han realizado en la última década en la síntesis caracterización de nanoesructuras y aplicaciones de las mismas, y se esperan muchos beneficios más de estos avances en décadas venideras.

Durante los últimos años han sido desarrollados dispositivos emisores de luz con alta eficiencia, desde el UV hasta el IR usando semiconductores formados por nitruros de metales del grupo III-b, como por ejemplo GaN , abriendo así un gran campo de aplicaciones entre las que podemos destacar la obtención de LEDs (diodos de emisión de luz) verdes y azules y la obtención de diodos láser azules para lectores de DVD que permiten una mayor capacidad de almacenamiento en los mismos que los actuales diodos láser rojos, debido a su menor longitud de onda. Esto es la base del famoso Blu Ray ®. El problema con estos dispositivos es la alta densidad de dislocaciones con que se producen hasta la fecha, lo cual hace disminuir su eficiencia cuántica. Esto quiere decir que disminuye el porcentaje de relajaciones electrónicas que se producen con emisión de luz porque aumentan las relajaciones electrónicas a través de las vibraciones de los átomos que forman la red cristalina. En los LEDs de GaN la densidad de dislocaciones suele ser de 10⁹-10¹⁰ cm^-2, mientras que para los diodos láser de GaN esta densidad de dislocaciones debe ser reducida y suele ser de 10⁶-10⁷ cm^-2., y esto se debe a que hasta estos últimos años no han sido desarrollados sustratos de GaN sobre los que crecer los diodos del mismo GaN.

Una forma de eliminar la influencia de las dislocaciones en la estructuras emisoras de luz consiste en usar puntos cuánticos (las tres dimensiones del orden de los nanómetros) en la zona activa del material.

En la última década ha habido una extensa investigación sobre estos puntos cuánticos en semiconductores. Comparado con el material masivo (tres dimensiones) y con los pozos cuánticos (dos dimensiones), los puntos cuánticos son el prototipo de sistema de cero dimensiones. Los estados electrónicos en los puntos cuánticos están localizados y la energía está totalmente cuantizada. Debido a la cuantización, la densidad de estados cerca del gap es menor, es decir, los niveles electrónicos están más localizados que en sistemas de tres y dos dimensiones, lo que lleva a una mayor deslocalización del momento de esos electrones y por tanto a una mayor eficiencia para las transiciones ópticas. Esta es la más deslumbrante ventaja de los puntos cuánticos para potenciales aplicaciones en dispositivos emisores de luz y en dispositivos detectores.

Además, los puntos cuánticos son más estables a las perturbaciones térmicas y localizan a los portadores inhibiendo su migración a centros de recombinación no radiativa como son las dislocaciones.

De entre los distintos métodos para el crecimiento de puntos cuánticos de semiconductores, el más relevante es el de Stranski-Krastanow de autoorganización (“self assembling”) de los puntos cuánticos, que consiste básicamente en un crecimiento 2D de varias monocapas de semiconductor, llamada capa mojante (“wetting layer”) seguido de la autoformación de pequeñas islas que son los puntos cuánticos: cuando comienzan a crecer las primeras capas del semiconductor sobre el sustrato, debido a la diferencia entre los parámetros de red y entre los coeficientes de dilatación de ambos, el semiconductor va creciendo con una energía elástica acumulada, que va creciendo a medida que aumenta el espesor de la película de semiconductor que se está creciendo, por lo que llegado a un espesor crítico se va a producir la relajación de la película de semiconductor. En este caso, el campo de tensiones fuerza a los átomos a coalescer y la relajación elástica se puede producir en parte mediante la formación de nanoislas sobre esta capa mojante. Estas nanoislas, libres de dislocaciones, son los puntos cuánticos, y sus dimensiones suelen ser piramidales como se puede ver en la imagen, con una altura de uno 3-8 nm y una anchura de unos 10-30 nm.

El GaN por ejemplo se puede crecer por MBE (epitaxia de haces moleculares) sobre un sustrato de silicio (también se pueden usar como sustratos el zafiro y el SiC, pero son más caros) poniendo entre ambos una capa de unos 3000 nm de AlN (“buffer” o “colchón”), que posee la misma estructura cristalina que el GaN (wurtzita) y consecuentemente un parámetro de red y un coeficiente de dilatación térmica más parecidos a los del GaN, y que es capaz de absorber y disipar la mayoría de las tensiones producidas por los distintos parámetros de red y coeficientes de dilatación térmica entre el GaN y el silicio. Tras la deposición de unas pocas monocapas de GaN sobre el AlN (entre 3 y 12), se interrumpe el crecimiento por unos pocos segundos (10 ó 12 s) y se produce la autoformación, debido a la relajación de la red del GaN, de esas pequeñas islitas de GaN llamadas puntos cuánticos.

En la imagen podemos ver un apilamiento de puntos cuánticos de GaN separados de capas de “buffer” de AlN.

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 »

Los puntos cuánticos son estructuras  denominadas 0-D ya que todas sus dimensiones están a escala nanométrica. . El tamaño de dicha estructura juega un papel crucial, ya que es el que determina los niveles de energía y por tanto la longitud de onda de la emisión de dichos niveles cuando se produce una recombinación a través de dichos niveles.. Los puntos cuánticos de mayor tamaño emiten luz con una longitud de onda grande correspondiente al rojo, mientras que los puntos cuánticos de menor tamaño emiten luz ultravioleta, de menor longitud debido a los efectos de confinamiento cuántico. Las posibles aplicaciones del desarrollo de estas estructuras han hecho que muchas empresas se interesen en ellas y en su explotación, un claro ejemplo es la empresa Invitrogen que controla un gran número de patentes de puntos. Para el 2009 se prevé que el mercado global supere los 400 millones de euros.

¿De qué están hechos los puntos cuánticos? En principio cualquier átomo en solitario podría ser perfectamente un punto cuántico. Sin embargo, con los medios actuales no se puede trabajar con átomos individualmente a escala industrial; fundamentalmente se trabaja con estructuras de GaAs, AlGaAs, cadmio, selenio y zinc, si bien en el primer punto cuántico se utlizó carbono y el desarrollo de éstos todavía sigue vigente. Suelen presentar un diámetro de entre 5 y 10 nanometros, mientras que una célula biológica normal tiene alrededor de unos mil; precisamente es este pequeño tamaño el que confiere a estos puntos unas propiedades ópticas y cuánticas especiales. La nanoestructura se comporta como un átomo “artificial” en el que los electrones pasan a formar parte de toda la estructura, Los puntos cuánticos pueden encontrarse embebidos en una matriz o también disueltos. Un ejemplo de puntos cuánticos embebidos en una matriz serían los que se encuentran en el papel monetario, son invisibles a simple vista pero si se les aplica radiación ultravioleta en un detector de billetes falsos se observan claramente. También los podemos encontrar en los diodos láser de los lectores CD y DVD, con lo cual podemos ver que ya sson muy habituales ya en nuestros días

Se han postulado un gran número de aplicaciones para este tipo de estructuras, Leer más »

    En lo que ha supuesto una nueva colaboración entre nanotecnología y medicina, un grupo de científicos norteamericanos ha conseguido desarrollar un novedoso método de detección temprana del virus respiratorio sincitial (RSV).   

      Este virus es uno de los que afecta con mayor frecuencia a niños menores de 5 años, llegando a provocar diversas infecciones respiratorias e incluso neumonía. Los actuales métodos de detección del virus RSV se prolongan entre 2 y 6 días, lo que conlleva un retraso en el conveniente tratamiento de la enfermedad.
    Mediante la utilización de un sistema de puntos cuánticos, científicos de la Universidad de Vanderbilt han conseguido detectar el virus RSV en tan sólo unas horas. Este sencillo y eficaz método se fundamenta en las propiedades luminiscentes de los puntos cuánticos. El sistema de puntos cuánticos unidos a los anticuerpos correspondientes, se adhiere al virus RSV y a las células infectadas, permitiendo así su rápida identificación.
    Este nuevo sistema de detección basado en la nanotecnología, no sólo es más rápido que los anteriores métodos, sino que además es más sensible, permitiendo detectar el virus incluso en las primeras etapas de la infección, como así se explica en el artículo publicado en la revista Nanoletters. Esta ventaja posibilita la rápida identificación de los pacientes infectados, evitando así el contagio de este virus altamente infeccioso. Además, la detección temprana aumenta la efectividad de los medicamentos antivíricos, a la vez que reduce el uso indebido de antibióticos.
    En un futuro, este grupo de científicos pretende ampliar este método de detección, de modo que permita detectar de un modo simultáneo otros virus importantes.