Nanotecnología

Es posible que en nuestro día a día macroscópico nunca nos hayamos interesado por estos pequeños dispositivos, que sin embargo, son de vital importancia para muchas técnicas de detección con las que caracterizar lo que nos rodea.  Los NEMS o sistemas nanoelectromecánicos, están haciendo posible la detección a un nivel impensable hace unos años. Pero… ¿qué son los NEMS?

Para poder introducir el concepto de NEM debemos aumentar un poco la escala de tamaño y comenzar hablando de los MEMS, los precursores de estos. Los MEMS o sistemas microelectromecánicos, son aquellos dispositivos que aúnan la ciencia de los semiconductores con la ingeniería mecánica creando lo que se conoce como dispositivos electromecánicos, pero a muy pequeña escala. 

La tecnología de los dispositivos electromecánicos se conoce desde hace ya tiempo, el primer ‘ingenio’ de este tipo fue creado en 1875 por Charles Agustine de Coulomb, para medir la carga eléctrica, no en vano sus unidades llevan su nombre.  

Todos los dispositivos electromecánicos constan de dos componentes principales, independientemente de su tamaño, un elemento mecánico y un transductor.

El elemento mecánico reacciona como respuesta a una fuerza aplicada, estacionaria o que varía con el tiempo (que es la que se quiere detectar), la reacción suele ser un movimiento de dicho elemento.  Un ejemplo de elemento mecánico es el cantilever de un microscopio. 

Cantilever. Fuente: http://www.cenat.ac.cr

Las fuerzas aplicadas, son las señales que se desean medir y pueden abarcar desde cambios de presión, hasta la presencia de absorbatos químicos, pasando por  variaciones de temperatura que hagan variar la elasticidad o la tensión interna causando una variación en la frecuencia de vibración.

El transductor convierte la energía mecánica en energía eléctrica o en señales ópticas y viceversa.  Pueden ser de muy distintos tipos, pero todos están basados en los mecanismos físicos relacionados con los materiales piezoeléctricos o magnetocinéticos, con el nanomagnetismo y el efecto túnel, así como con la electrostática y la óptica.

Transductor piezoeléctrico. Fuente: www.fisa.com 

Los NEMS son capaces de integrar todo lo visto anteriormente en tamaños muy pequeños, secciones de 10nm y masas de unos pocos de átomos-gramo,  lo que permitirá la detección de pequeñísimos desplazamientos y de fuerzas extremadamente débiles, como por ejemplo fuerzas moleculares. 

Algunas de las ventajas que presentan los NEMS debido a su pequeño tamaño y masa son:

- Aumento de la frecuencia natural de vibración angular directamente proporcional a la disminución de longitud, lo que proporciona una alta frecuencia de respuesta, es decir, respuestas rápidas a las variaciones.

- Disipan muy poca energía por lo que son muy sensibles a los mecanismos externos de damping (amortiguamiento), muy importante en los sensores.

- Disminución del ruido termomecánico y de las fluctuaciones mecánicas aleatorias, lo que incrementa la sensibilidad de estos dispositivos a las fuerzas externas que se quieren medir.

- La pequeña masa efectiva del elemento mecánico extremadamente sensible a masas adicionales, con lo que aumenta su sensibilidad. Kamil Ekinci integrante de Caltech ha propuesto como sensor más sensible aquel que estaría compuesto sólo por unos cuantos átomos adsorbidos sobre la superficie de un soporte.

- Son además dispositivos de una gran selectividad, debido a su pequeño tamaño.

- La potencia consumida es del orden de microwatios, unos tres o cuatro órdenes de magnitud inferior a los dispositivos electrónicos convencionales.

- Pueden fabricarse de silicio, arseniuro de galio y arseniuro de indio o de otros materiales compatibles, esto implica que el resto de dispositivos auxiliares pueden integrarse en el mismo chip, creando circuitos complejos, lo que disminuye la problemática de coordinar distintos elementos no compatibles en escalas nanométricas.