Nanotecnología

Con el paso de los años, el crecimiento acelerado de la civilización, y el deseo irrefrenable de sostener el nivel de vida adquirido por los países desarrollados, ha ido aumentando inevitablemente la demanda de energía.

Hasta ahora la mayoría de la energía se obtiene a partir de los combustibles fósiles. No obstante, se trata de un recurso escaso que provoca consecuencias nefastas para el efecto invernadero, por lo que en los últimos años ha ido creciendo la preocupación por encontrar fuentes de energía alternativas.  

Para reducir las emisiones de efecto invernadero, sería necesario introducir nuevas tecnologías más eficientes y menos contaminantes, especialmente a nivel energético, con la sustitución progresiva de los actuales combustibles, carbón, petróleo o gas natural por otros con tasas de emisión más bajas y la potenciación de fuentes de energía renovables.

En esta vía, ha ido aumentando el interés por fuentes de energía alternativas como la energía solar. No obstante, partiendo de las tecnologías actuales, el aprovechamiento de la energía solar resulta más caro que la generación de energía tradicional.

Desde antiguo se conoce que el sol es la fuente de energía para toda la vida de la tierra. Las hojas de las plantas se pueden considerar como diminutas fábricas en las que a través de la luz del sol se transforman el dióxido de carbono y el agua en moléculas vitales como son los hidratos de carbono y el oxígeno a través del proceso de la fotosíntesis.

Por ello, desde los años 70, se ha intentado conseguir células solares mejores basadas en este principio. De esta forma surgen las células solares fotoelectroquímicas (conocidas como células de Grätzel o células DSC –Dye Solar Cell-) basadas en semiconductores nanoestructurados sensitivizados con colorante.

Los semiconductores compuestos III-V forman una familia muy grande, con propiedades muy diversas (figura 1). Nos podemos encontrar con compuestos de gap directo o indirecto, y con parámetros de red de entre 3 Å hasta casi 6,5 Å, lo que ofrece la posibilidad de cubrir un rango de longitudes de onda muy amplio.

                                          Figura 1

De esta familia, los más recientes son los semiconductores basados en nitruros, como pueden ser el AlN, GaN o InN. Los tres cristalizan en la estructura wurtzita (hexagonal), con parámetros de red de entre 3,1 Å y 3,55 Å, aunque también pueden estabilizarse en una estructura cúbica metaestable. Los 6,2 eV de gap del AlN, los 3,46 eV del GaN y los 0,8 eV del InN hacen que combinando los tres compuestos para formar ternarios se pueda tener un margen de maniobra en longitudes de onda que va desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, existiendo multitud de posibilidades.

El nitruro de mayor interés actualmente es el GaN, que suele combinarse con los otros dos nitruros formando ternarios como el AlGaN o el InGaN. El interés que tienen estos nitruros es que son semiconductores de gap ancho, con emisión en azul, lo que posibilita por un lado fabricar dispositivos que emitan en dicho color, y por otro obtener una mayor resolución de lectura de datos grabados debido a que la longitud de onda es menor. Pero su utilidad no acaba ahí, puesto que las características del enlace covalente entre el galio y el nitrógeno hacen que sea un compuesto especialmente apto para aplicaciones de electrónica de potencia (transistores de alta frecuencia…), donde se debe disipar una gran cantidad de calor, así como para entornos de gran agresividad química. En cambio, el nitruro de galio masivo tiene la desventaja de que sólo cuenta con sustratos muy específicos de crecimiento, como puede ser el zafiro, ya que en los demás los defectos que se crean en la interfase hacen que las

Una gran variedad de dispositivos electrónicos utilizan estructuras de pozos cuánticos múltiples, pero el hecho de utilizar este tipo de estructuras en el sistema InGaN/GaN plantea un inconveniente, ya que la eficiencia cuántica interna del dispositivo disminuye con la fracción molar de InN [1]. Esto se debe a problemas relacionados con los dominios desordenados que pueden aparecer en la aleación InGaN, ya que los gaps que ven los portadores son distintos en función de si la estructura está ordenada o desordenada (alloy scattering). Estos gaps forman una heteroestructura de tipo II, con lo que los portadores, al estar espacialmente separados son incapaces de recombinarse eficientemente. La solución a este problema consiste en confinar los pozos de InGaN en nanohilos, formando estructuras de punto cuántico y eliminando la inhomogeneidad estructural causada por la aleación.

Es curioso, pero entre todas las lecciones que recuerdo de mi etapa en el colegio, en la antigua EGB, junto a cosas como agujeros negros, superconductividad, el Big Bang y trenes que volaban… que nos contaban para, sabiamente, captar nuestra atención, me acuerdo del día que nos contó, nuestro genial profesor de Ciencias (D. José Luis), la diferencia entre conductores, semiconductores y aislantes. Y lo cierto es que los semiconductores no me gustaron mucho, la verdad, me parecieron un poco sosos, algo… mediocres, porque ¿qué es eso de conducir, pero a medias? Nada. No me convencían en absoluto.

Y llegó el último año de colegio, antes de pasar a la Universidad, en el que tuve que hacer un trabajo sobre el transistor. Fue una experiencia divertida, aunque me costó enterarme de que "Silicon" no se traducía por "silicona" sino por "silicio", y descubrí que el transistor, estaba basado en semiconductores. Esas cosas que yo había despreciado unos años antes resultaban ser la base de toda la tecnología en la que vivimos inmersos. Pero la verdad, tampoco me emocioné tantísimo. Supongo que es algo así como la rueda: un grandísimo invento, pero nadie llora de emoción cuando sale a la calle.

Hasta que llegué a la Universidad y una vez pasados los tres primeros cursos descubrí que los semiconductores son mucho más que una cosa que "conduce, sí, pero a medias", y también son más cosas que sólo el transistor. O ¿qué pensaba? ¿Qué los punteros láser que venden en las tiendas de todo 1€ llevan incorporada una cavidad resonante de medio metro de longitud (pero "metros de los pequeñitos") en la que producir una inversión de población y la consiguiente emisión láser? No señor, lo que estos punteros de 1 € y una gran cantidad de aparatos con aplicaciones en investigación, cirugía o posicionamiento llevan dentro es un semiconductor. Igual que los LEDs, esas bombillitas que ya tenemos en todos lados que consumen poco e iluminan mucho y que se encuentran desde en los semáforos de la calle hasta en los ratones ópticos de sobremesa. Los semiconductores no sólo estaban por doquier, sino que eran parte de aparatos muy diversos con aplicaciones muy distintas. Además, ya no sólo conducían la electricidad, sino que también podían recoger y emitir luz.

Ahora bien, el mundo sigue avanzando imparable en su desarrollo tecnológico, pero su objetivo primordial ya no es la miniaturización de las cosas, no, porque la palabra "miniaturización", irónicamente, se le ha quedado grande. El James Bond del futuro no llevará una cámara de alta definición en su alfiler de corbata, además llevará una impresora láser y un compartimento para guardar el ticket del parking. Ahora el futuro está en la nanotecnología.

El gran problema y la gran ventaja de la nanotecnología no es que todo sea más pequeño y difícil de manejar, tampoco la gran disipación que se puede producir si se intenta pasar mucha corriente por una región tan pequeña, ni la gran fricción que sufren los materiales por el importante valor de la relación superficie - volumen, sino que la Física subyacente es la Física Cuántica, un modelo que puede ser complicado de manejar con sistemas sencillos y que, cuando se aplica a cosas complejas, como se pretende con la nanotecnología, da lugar a fenómenos completamente inesperados o difícilmente controlables, aunque, siempre, muy interesantes. Como decía Ivan K. Schuller (un investigador de San Diego nacido en Rumanía que habla español con acento chileno) en una charla que dio hace poco en la UCM:"Cuando se empuja a la Ciencia para buscar cosas aplicadas uno se encuentra aquello que espera encontrar, pero cuando se empuja a la Ciencia para apretar los límites de la Física uno se encuentra lo inesperado, que es mucho más interesante desde el punto de vista práctico." Leer más »