Nanotecnología

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.

La nanotecnología es la ciencia que trata de controlar y modificar la materia a escala nanométrica, es decir, a escala molecular. Dentro de la nanotecnología, se están haciendo grandes avances en lo que se refiere a la formación de nanoestructuras, y en particular a la formación de nanohilos. Los campos en los cuales se están aplicando son muy diversos, y van desde la producción de una nueva generación de LED, hasta la aplicación de nanohilos de Plata en dispositivos capaces de detectar explosivos.

Uno de los avances producidos por los nanohilos que más eco ha tenido recientemente, ha sido la aplicación de nanohilos de silicio en baterías de Litio produciendo un aumento en su capacidad de carga, realizado en la Universidad de Stanford.

En un principio las baterías recargables eran principalmente de Níquel-Cadmio (NiCd) y Níquel e Hidruro metálico (NiMH). Más tarde se empezaron a utilizar las baterías de iones Litio, las cuales son mucho más ligeras y poseen una mayor carga almacenada por unidad de volumen:

Otro factor importante es que no poseen la memoria de carga, la cual reducía la carga almacenada por la batería al realizar cargas incompletas.

Uno de los problemas que se tuvo que solventar antes de su comercialización era la obtención de un ánodo que no fuera tan reactivo (en un principio era de Li-metálico). Lo que desemboco en el desarrollo de electrolitos poliméricos y en la utilización de ánodos con una menor reactividad pero con una alta capacidad de almacenamiento de iones-litio, en la actualidad se utilaza el carbono en forma de grafito.

Otro de los elementos que se trato de utilizar como ánodo fue el silicio (Si), ya que es uno de los semiconductores mas utilizados gracias a su fácil obtención, y además posee una mayor capacidad de almacenaje que el carbono. Lo cual le convertía en un buen candidato. El problema de la utilización de este elemento es que en el proceso de almacenamiento y liberación de los iones-litio el Silicio es sometido a unas fuerzas de dilatación (en la captación de iones) y de compresión ( en la liberación de los iones) que producía una disminución drástica de su ciclo de vida.

En la actualidad este problema parece que se ha superado gracias a la aplicación de la nanotecnología, según ha publicado la Universidad de Stanford.

Para evitar la degradación del silicio en el proceso de dilatación y compresión han desarrollado unos nanohilos de Silicio, los cuales se obtienen a partir de un sustrato de acero inoxidable. Estos nanohilos conforman una especie de maraña la cual almacenara los iones-litio. Al almacenarlos los nanohilos aumentan aproximadamente cuatro veces su tamaño pero con la ventaja de que en este caso no sufren fracturas, lo que provoca que no se acorte el ciclo de vida de la batería.

Debido a la mayor capacidad de almacenamiento de los iones-litio por parte del Silicio, las baterías verían aumentada en 10 veces su capacidad de carga, es decir, antes una batería de ion-litio de un portátil duraba aproximadamente 2 horas, con estas nuevas baterías duraría alrededor de 20 horas.

Por lo tanto no nos extrañe que en un periodo no muy largo de tiempo esta nueva generación de baterías llegue al mercado, lo que supondrá no solo una mejora en el rendimiento de muchos aparatos electrónicos, sino que supondrá una nueva forma de almacenar la energía, la cual podrá abrir la puerta a otras formas de producir energía que en la actualidad no es del todo viables debido a que su almacenaje no es satisfactorio.

Pero aparte de explotar sus propiedades de luminiscencia, hay que tener en cuenta que el silicio nanoporoso tiene una gran superficie específica, lo que le confiere una alta reactividad química, así como una gran facilidad de oxidación. Esto hace que sobre su superficie puedan adsorberse moléculas y distintas especies, provocando un cambio en sus propiedades eléctricas, por lo que puede utilizarse como sensor de gases, humedad, pH, o biológico.

La idea de un sensor biológico es distribuir sobre la superficie una serie de captadores que sean capaces de detectar la presencia de un cierto tipo de molécula (figura 1). La inmovilización de moléculas biológicas sobre una superficie puede llevarse a cabo mediante un enlace covalente o un proceso físico de adsorción. Esta última técnica de enlace no covalente entre la molécula y la superficie se basa en interacciones iónicas, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals o interacciones hidrofóbicas. No obstante, este tipo de interacciones es bastante débil, y las moléculas se pueden desorber con un simple cambio de pH, de temperatura o de fuerza iónica del electrolito. Por tanto, para la utilización del silicio como detector biológico es más adecuado emplear un mecanismo de anclaje covalente.

                                  Figura 1

Las aminas, bases estructurales de las proteínas, son moléculas orgánicas que poseen un esqueleto carbonado y dos grupos funcionales, una amina –NH₂ y un ácido carboxílico –COOH. El método de anclaje de proteínas sobre la superficie se basa en reacciones de los grupos amina y diferentes compuestos químicos (figura 2: anclaje de la inmunoglobulina IgG a la superficie del silicio poroso oxidado vía la molécula DGA o EDAC, [2]). Para comprobar si la molécula captadora elegida sirve como detector de la proteína, se utilizan medidas de fluorescencia de la muestra de silicio sumergida en un medio acuoso. Partiendo de una muestra patrón no funcionalizada y teniendo en cuenta que las proteínas incluyen un grupo fluorescente, si la fluorescencia del silicio es mayor que la de la muestra patrón, la proteína se habrá acumulado en el silicio nanoporoso, mientras que si sucede lo contrario, significa que la proteína se ha quedado en el electrolito, y por tanto la molécula elegida como captador no es la adecuada.

                                  Figura 2  

[1] Canham, L. T., Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers, Appl. Phys. Lett. 57, 1046 (1990). 

[2] Mery, E., Intégration du silicium poreux dans des microsystèmes flluidiques: application aux laboratories sur puce, Tesis Doctoral defendida con fecha de 2006 en l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon.

El silicio es un material muy abundante en la corteza terrestre y con una tecnología muy desarrollada, pero con unas propiedades optoelectrónicas muy pobres debido a su estructura de bandas, y al hecho de que tiene un gap indirecto. Un hito en la historia del silicio fue el descubrimiento de su foto y electroluminiscencia a temperatura ambiente por L. T. Canham en 1990 [1], pero en su versión de silicio nanoporoso. Esto abrió el campo de investigación a nuevos dominios como el de los dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos, además de su uso como aislante eléctrico, captador bioquímico o parte de microsistemas de filtración y separación.

El silicio poroso es un material nanoestructurado de morfología esponjosa, formado por ramas interconectadas de silicio de tamaño nanométrico, que puede ser descrito en términos de hilos y puntos cuánticos. Los efectos de confinamiento cuántico que suceden en este tipo de estructuras hacen que el gap energético que ven los electrones en silicio poroso sea mayor que el correspondiente al silicio cristalino. A diferencia de otras nanoestructuras que necesitan de procedimientos de obtención altamente sofisticados, el silicio nanoporoso puede obtenerse a partir del silicio cristalino convencional por anodización electroquímica con ácido fluorhídrico, comido seco (con plasma) o comido húmedo (estos dos últimos métodos se limitan a la realización de láminas delgadas de unas pocas micras).         

El espectro de luminiscencia del silicio nanoporoso consta de tres bandas situadas en el azul, el rojo y el infrarrojo. El silicio poroso que se obtiene después de un tratamiento de anodizado exhibe únicamente la banda roja, y en algunos casos la banda infrarroja. La banda azul se observar cuando la muestra contiene una gran cantidad de oxígeno como consecuencia de algún proceso de oxidación. De la tres, la más interesante es la banda roja, ya que es la única que puede ser excitada eléctricamente.

Se han propuesto variados mecanismos para explicar la luminiscencia de la banda roja del silicio poroso, entre los que se pueden citar las especies y moléculas adheridas a la superficie, la existencia de silicio amorfo hidrogenado rodeando los nanocristales de silicio, estados superficiales localizados como consecuencia de átomos de silicio superficiales que sufren una distorsión en los enlaces para acomodarse a cambios en las condiciones locales, o bien efectos de confinamiento cuántico en las ramas nanométricas del silicio.

Este último mecanismo es el que goza de mayor aceptación, pues el confinamiento haría que, bajo el principio de incertidumbre de Heisenberg, la función de onda en el espacio de momentos estuviera deslocalizada, existiendo una mayor probabilidad de que ocurran procesos de recombinación banda a banda. Esto coincide con el hecho observado experimentalmente del corrimiento hacia el azul de la emisión al disminuir el tamaño nanométrico de las ramas de silicio, debido a un ensanchamiento en el gap que ven los electrones. Por tanto, parece que lo más probable es que los procesos de luminiscencia ocurran en los cristalitos nanométricos de silicio, y por tanto con un gap de energía definido.

Los mecanismos que justifican la luminiscencia de la banda infrarroja se deben a enlaces insaturados en la superficie de las ramas de silicio, y la banda azul se puede explicar en función de efectos de confinamiento cuántico o bien como consecuencia de recombinaciones vía defectos de oxígeno como pueden ser la existencia de oxígenos no puente.

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.

La nanotecnología es una palabra que define las ciencias y técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala que estudia, diseña, crea, sintetiza y manipula, materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, de modo que explota fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala.

De modo que manipulando la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas  por lo que se utiliza para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y sobre todo poco costosos con propiedades únicas.

Un ejemplo donde se utiliza la nanotecnología para obtener productos más baratos e incluso más eficientes mediante nanoestructuras es el de las células solares.

Para comenzar, hay que tener claro qué es una célula fotovoltaica. Pues bien, es un sistema semiconductor que absorbe luz, que es, la luz solar, y la convierte en energía eléctrica en sistemas fotovoltaicos fabricados con materiales semiconductores, de modo que, la célula solar convierte los fotones del sol en una corriente eléctrica.

El efecto fotovoltaico fue identificado por primera vez en 1839 por Becquerel quien observó  que la tensión que aparecía entre dos electrodos inmersos en electrolito dependía de la intensidad de luz que incidiese sobre ellos. Pero hasta 1954 no se diseñó la primera célula solar moderna, por Chapin, que fue de silicio. Al comienzo de estas investigaciones el principal motivo de su estudio era la de poder aplicarlas como fuente de suministro de energía a satélites espaciales, mientras que hoy en día, se espera que las células fotovoltaicas contribuyan al suministro de energía limpia

Volviendo a la explicación de lo que es una célula fotovoltáica, diremos que se basan en un efecto (fotovoltaico) en el cuál la luz que incide sobre el dispositivo semiconductor produce una diferencia del potencial entre las capas del mismo capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo.

¿A quién no se le ha acabado la batería del portátil, del móvil o de cualquier aparato cuando menos lo esperaba?? A casi todo el mundo le ha pasado alguna vez debido a la poca duración de las mismas pero cada vez son más las alternativas que van surgiendo para remediar este tipo de problemas tan incómodos. Unos de las alternativas que se proponen últimamente es un novedoso dispositivo que se ha inventado. Se trata de un cargador que han descubierto unos científicos de EEUU y Canadá capaz de almacenar energía mientras caminamos. Sólo hay que llevarlo con nosotros conectado.

Se han llevado a cabo diversos experimentos en los que se hacía caminar a personas en una cinta de correr demostrándose que se pueden generar unos 5 W poniéndose un aparato en cada pierna a dichas personas con tan sólo dar pasos a un ritmo normal, es decir, sin tener que hacer ningún esfuerzo adicional. Por lo que, para hacerse una idea, se obtendría una energía total como para que funcionasen has 10 teléfonos móviles.

Este nuevo dispositivo, permitiría poder cargar dispositivos que a menudo forman parte de nuestra vida diaria como pueden ser móviles, walmans o PDAs simplemente realizando la actividad de caminar sin suponernos ningún esfuerzo.

Y la nanotecnología, por supuesto es y va a ser, una herramienta que también va a ayudar a salvar este tipo de problemas. Investigadores de la Universidad de Stanford han reinventado las baterías recargables de ión Litio que normalmente son utilizadas por aparatos tan normales como los portátiles, MP3s, móviles, cámaras de video o otros muchos dispositivos de nuestro alrededor.

Con este nuevo tipo de alimentación, se genera 10 veces la cantidad de electricidad de las baterías de ión litio que hoy en día existen. De modo que si queremos utilizar un portátil durante en día no será necesario recargar su batería en ese periodo de tiempo ya que con este nuevo desarrollo la nueva batería podría durar hasta 20 horas.

En la actualidad las principales fuentes de recursos energéticos se basan en la quema de carburantes que contienen carbón. Esto no sólo conlleva efectos nocivos para el medio ambiente, sino que además constituye una fuente de energía no renovable.

Y la pregunta entonces sería… ¿cuál es una de las fuentes inagotables de energía que la naturaleza nos brinda? La respuesta es obvia: el sol.

El dispositivo capaz de convertir la energía solar en energía eléctrica recibe el nombre de CÉLULA SOLAR. La primera célula solar fue patentada por Russell Ohl en 1946, y obviamente su desarrollo y avances en este campo han sido constantes.

El material más comúnmente utilizado para la fabricación de las células solares es el silicio, el material sólido más abundante en la Tierra. Sus propiedades como semiconductor son óptimas para la fabricación de estos dispositivos. Sin embargo, su costo es muy elevado.

Por otro lado, y con la idea de intentar mejorar la eficiencia de las células (cantidad de energía del sol que son capaces de convertir a energía eléctrica), surgió la segunda generación de estos dispositivos, basado en heterouniones, es decir, células solares de diversos materiales que se colocan superpuestas unas encima de otras consiguiendo así que el porcentaje de energía solar transformada en energía eléctrica aumentase considerablemente.

Una de las primeras aplicaciones de la nanotecnología a las células solares fue la construcción de películas delgadas con Si nanocristalino. Sin embargo, sus costos de fabricación son muy elevados, no olvidando además la creciente caída de la disponibilidad del Si en el mercado.

Lo realmente fascinante llega con la aplicación de la nanotecnología a estos dispositivos mediante el uso de otros materiales que impliquen reducir los costos de la producción y aumentar eventualmente la eficiencia actual de las fotocélulas. Si contemplamos el horizonte de investigaciones que se han llevado a cabo desde el principio de la década de los noventa, nos encontramos con la fabricación de células solares orgánicas. Las ventajas de estos nuevos dispositivos frente a los fabricados con silicio son no solamente la reducción del coste por debajo de la mitad, sino la facilidad del proceso de fabricación. Cada célula solar nanoestructurada es impresa en un plástico base de forma que se crean “rollos de plástico” con una alta eficiencia en la recolección de luz, ya que cada célula actúa como una colector solar autónomo.

Estas nuevas células pesan menos, y son más flexibles, lo que permitiría que se pudieran introducir dentro de teléfonos móviles y portátiles, por ejemplo, o adaptarse con mucha mayor facilidad a las estructuras arquitectónicas, pudiendo incluso aplicarlas en forma de pintura sobre los muros.

En este aspecto, encontramos en la Web recientes estudios que prometen sacar a la venta sprays que “convertirían simples planchas de acero en paneles solares fotovoltaicos”. Esta nueva tecnología se basa en los llamados dispositivos DSSC (Dye-Sensitised Semi-conductor Cells) , también conocidos como células solares sensibilizadas. En general, están constituidas por óxido de titanio nanocristalino, recubierto con una monocapa de un compuesto orgánico que actúa como sensibilizador, debido a que el óxido de titanio es transparente a la luz visible. Esta monocapa, a diferencia del óxido de titanio, es capaz de absorber un rango amplio del espectro solar.
Su eficacia es muy elevada, aunque no alcanza la conseguida con las células basadas en silicio, pero su menor coste de producción hace ver en estos nuevos dispositivos un futuro muy prometedor.

A pesar de que las versiones que más prometen dentro de nuevo campo de las células solares son las que utilizan materiales híbridos orgánicos-inorgánicos (células solares fabricadas mediante nanocristales inorgánicos embebidos en una matriz plástica), comentadas ya anteriormente, también nos encontramos con investigaciones más recientes han llegado a fabricar células solares únicamente mediante una aglomeración de nanocristales inorgánicos (seleniuro de cadmio y telurio de cadmio), sin matriz orgánica. Este tipo de estructuras son más inestables en el aire, pero su durabilidad en el tiempo sería mucho mayor.

La última noticia en cuanto a avances en este campo, nos lleva al descubrimiento de un nuevo material, conocido como nanoflakes que en realidad es una estructura cristalina perfecta con el potencial de convertir hasta un 30% de la energía solar en electricidad, lo que duplicaría la eficiencia de los más punteros dispositivos actuales: “Su potencial es inconfundible. Podemos reducir los costes de producción de las células solares porque, gracias al uso de la nanotecnología, utilizamos menos cantidad del caro semiconductor silicio en el proceso”.

Concluyendo, podemos decir que el silicio siempre ha sido, y de momento es, el material más utilizado para la fabricación de células solares, por su alta tasa de conversión de la energía solar en energía eléctrica.  Sin embargo, con la aplicación de la nanotecnología a este campo, los nuevos dispositivos creados presentan tal cantidad de ventajas, que se espera que en muy poco tiempo su principal inconveniente (menor eficacia que el silicio) sea paliado y el salto en su uso sea cuántico. Las energías renovables son el futuro, y la energía solar es una fuente inagotable que debemos aprender a aprovechar para cubrir las necesidades de la humanidad.

Como es sabido la fabricación de células fotovoltaicas emplea silicio que aunque es el material más abundante en la corteza terrestre precisa un procesamiento para alcanzar la pureza necesaria para las células solares (mayor del 90%) que lo encarece. Por ello los fabricantes han empleado siempre los restos de silicio que la potente industria electrónica despreciaba. La energía fotovoltaica tiene cada vez una mayor demanda y se espera que junto con otras energías renovables consiga sustituir a las energías de origen fósil. Para alcanzar esto la industria fotovoltaica se encuentra ante el reto de buscar sus propios suministros de silicio y por ahora se considera una energía excesivamente cara. Alternativamente a las células fotovoltaicas de silicio se ha trabajado con otros semiconductores que por ahora son aún más caras. Una tercera posibilidad se esta actualmente estudiando. Son las llamadas células solares de colorantes que tienen ciertas ventajas como son la flexibilidad y el precio (pues están hechas de óxido de titanio, un electrolito orgánico y colorantes que permite absorber los fotones de la radiación electromagnética sin emplear semiconductores de gap estrecho que suelen sufrir una gran fotocorrosión).
Estas dos cualidades sitúan a este tipo de células en una gran ventaja frente a las células convencionales que carecen de dichas propiedades.
El principal problema de estas células es que no se han alcanzado grandes rendimientos.
Para mejorar este rendimiento la investigación trata de mejorar la captación y el transporte de los electrones.
Estas células consisten en un óxido como el de titanio que es recubierto por un colorante que le hace sensible a la radiación solar. Para mejorar esta absorción y posterior transporte de los electrones generados por los fotones se están utilizando estructuras nanocristalinas que aumenten el área de absorción y aumentando la corriente generada. Leer más »