- OBJETIVOS
- QUIENES SON?
- RESEÑA HISTÓRICA
- NOTICIAS RECIENTES (Estado del Arte)
- TUBOS RETORCIDOS
- NANOCIRCUITOS
- COMO FABRICARLOS
- LOS FULLERENOS
- PROPIEDADES Y APLICACIONES EXTREMAS DE LOS NANOTUBOS
- DONDE SE DESTACAN LOS NANOTUBOS
- NANOUNIDADES DE MEMORIA
- CONCLUSIONES
INTRODUCCIÓN
La historia de la humanidad se ha visto por momentos interrumpidos por grandes revoluciones científicas y tecnológicas que han cambiado el curso de la historia, y en ocasiones el comportamiento y hábitos del hombre.
En un futuro a mediano plazo viviremos la próxima revolución de la electrónica, donde pasaremos de la microelectrónica a la nanoelectrónica, donde la velocidad de procesamiento y el tamaño de los dispositivos disminuirán considerablemente.
En Mayo del 2002 IBM anuncia que ha mejorado sus transistores de nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés) de tal forma que su rendimiento es mayor que el de los más avanzados transistores de silicio. Uno de los Investigadores del centro de investigaciones T.J. Watson Research Center de IBM, situado en Nueva York, decía,
"Es como si hubiésemos desarrollado anteriormente un nuevo tipo de lámpara eléctrica que funcionaba, pero que necesitaba altos voltajes, no era muy brillante y uno tenía que encender todas las luces de la casa a la vez. Ahora, podemos hacer que las lámparas sean más brillantes, que usen menos potencia, y encenderlas y apagarlas individualmente".
Adicionalmente y de forma independiente al desarrollo e investigaciones en nanotubos que se mostrara en el trabajo, se incluirá la puesta en marcha de un dispositivo con tecnología nanométrica, una nanounidad de memoria del proyecto Milpiés de IBM, un dispositivo micromecánico con componentes nanoscopicos, que podrá imponerse en un futuro en los limites físicos a los que se aproximan los dispositivos actuales de almacenamiento digital que impedirán que sus capacidades aumentes.
En pocas palabras estamos a puertas de una nueva oportunidad, un BUM en la miniaturización, y por consiguiente en todos los sistemas de alto rendimiento y fidelidad; cuando el desarrollo de chips alcance la barrera física en que el silicio ya no pueda ser más pequeño. Es decir, un plazo aproximado de entre 10 a 15 años calculados por la ley de Moore.
Con el desarrollo de este trabajo de quiere dar una gran visión de la cantidad de innovaciones, y dispositivos electrónicos que esperamos para las próximas décadas.
Orientar al lector a interesarse por las nuevas barreras que se están rompiendo, para la creación de más variados y mejores productos electrónicos que integren todo tipo de adelantos en la física de los materiales, y descubrimientos en otras áreas del conocimiento que se puedan integrar a la nanoelectrónica.
-Más resistentes que el acero, más livianos que el aluminio, más conductores que el oro, son los súper nanotubos. Fibras nanoscópicas, formadas por arreglos hexagonales de átomos de carbono.
-Ahora por su parte el nanodrive, es una nanounidad de memoria, inventada como un dispositivo nanotecnológico pensado y diseñado para producirse a escala industrial alrededor del 2005, es un proyecto de IBM llamado milpiés un dispositivo micromecánico con componentes nanoscopicos
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Hace unos once años Sumio Iijima, sentado ante su microscopio electrónico en el laboratorio de Investigación Fundamental de NEC en Tsukuba, observaba unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín. Constituidas por carbono, y de forma tan regular y simétrica como los cristales, estas macromoléculas de primorosa finura e impresionante longitud no tardaron en llamarse nanotubos. Desde entonces han sido objeto de intensa investigación básica. Se ha dado paso un paso más. Ahora interesa también la ingeniería. Muchas de las propiedades extraordinarias de los nanotubos, superlativa elasticidad, resistencia a la tracción y estabilidad térmica, han desatado la imaginación, que sueña con robots microscópicos, carrocerías de automóviles resistentes a las abolladuras y edificios a prueba de terremotos. Sin embargo, los primeros productos que incorporan nanotubos no lo hacen en razón de tales atributos, sino en virtud de sus propiedades eléctricas. Algunos automóviles de General Motors incluyen piezas de plástico a las que se añaden nanotubos; el material plástico se carga eléctricamente durante la fase de pintura para que ésta se adhiera mejor. Muy pronto saldrán al mercado dos productos de iluminación y presentación visual basados en nanotubos.
A largo plazo, las aplicaciones más valiosas sacarán mayor partido de las singulares propiedades electrónicas de los nanotubos. En principio, lo nanotubos de carbono pueden desempeñar el mismo papel que cumple el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Aunque la industria electrónica está llevando a las dimensiones críticas de los transistores en los chips comerciales por debajo de 200 nanómetros, unos 400 átomos de anchura, los ingenieros se enfrentan con grandes obstáculos para avanzar en la miniaturización. De aquí a 10 años, los materiales y los procesos sobre los que se ha basado la revolución informática comenzarán alcanzar su límite físico infranqueable. Todavía hay enormes incentivos económicos para reducir aún más los dispositivos, porque la velocidad, la densidad y el rendimiento de los ingenios microeléctricos aumentarán con la reducción del tamaño mínimo de los componentes. Los experimentos de los últimos años han dado esperanzas a los investigadores de que podrían fabricarse con nanotubos las conexiones y los dispositivos activos de un tamaño de diez nanómetros o inferior. Incorporados los nanotubos en circuitos electrónicos, éstos operarían más deprisa y sin consumir tanta energía como los actuales.
Los primeros nanotubos de carbono que observó Iijima en 1991 se denominaron TUBOS DE PAREDES MÚLTIPLES; Cada uno contenía cierto número de cilindros huecos de átomos de carbono anidados a la manera de una esponja. Dos años después, Iijima y Donald Bethune, éste de IBM, crearon cada uno por lado NANOTUBOS DE PARED ÚNICA, formados exclusivamente de una capa de átomos de carbono. Ambos tipos de tubos, fabricados de modo parecido, gozan de muchas propiedades similares; las obvias, su longitud y estrechez, enormes. El modelo de pares único, de un nanómetro aproximado de diámetro, puede abarcar miles de nanómetros de longitud.
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Los que confiere a estos tubos su estabilidad notable es la intensidad con que se unen los átomos de carbono entre sí, propiedad que explica la dureza del diamante. En este mineral, los átomos de carbono se unen en un tetraedro de cuatro lados. Sin embargo, en los nanotubos los átomos se disponen en anillos hexagonales, la misma estructura que caracteriza al gráfico; de hecho un nanotubo parece una lámina (o varias láminas apiladas) de gráfico enrollada en un cilindro sin costuras. No se sabe a ciencia cierta por qué los átomos se condensan en tubos, pero parece que pueden crecer añadiendo átomos a sus extremos, igual que una tejedora va agregando puntos a la manga de un jersey.
3. NOTICIAS RESIENTES (Estado del Arte)
El campo de la Nanotecnología y los nanotubos aun esta en su etapa temprana de infancia, por esa razón se citarán a continuación algunas de las noticias más relevantes que han ocurrido en el transcurso de los pocos años este siglo, siendo un gran protagonista de innovaciones la Compañía IBM con sus fabulosos Laboratorios de investigación.
3.1. Gran avance de IBM podría dar lugar a integrados más pequeños
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(30 de abril, 2001,www.cnnenespanol.com)
NUEVA YORK, Estados Unidos – IBM anunció que sus científicos han hecho un avance de tal magnitud en el ámbito de la tecnología utilizada para fabricar transistores, que algún día podría dar lugar a la creación de una nueva clase de circuitos integrados comerciales mucho más rápidos y pequeños.
Los investigadores divulgaron que han construido la primera matriz de transistores hecha de nanotubos de carbono -minúsculas estructuras cilíndricas de carbono, unas 50.000 veces más delgadas que el cabello humano.
Según IBM, ya habían logrado construir transistores 500 veces más pequeños que los actuales transistores de silicio mediante este material, pero recién ahora han descubierto un proceso que les permitiría fabricarlos en forma masiva.
"Podemos fabricar buenos semiconductores a partir de nanotubos de carbono", dice Tom Theis, director de ciencias físicas para el departamento de investigación de IBM.
"Lo que nuestra gente ha estado haciendo es tratar de descubrir cómo hacerlos mejores y más rápidos para poder continuar estudiando sus propiedades y desarrollándolos", agrega. "Nuestro objetivo a largo plazo es llegar a determinar si serán lo suficientemente buenos como para reemplazar al silicio en los dispositivos microelectrónicos".
10 átomos de ancho
Los investigadores de IBM dicen que han descubierto un proceso mediante el cual pueden crear tandas de transistores nanotubulares de tan sólo 10 átomos de ancho. Hasta ahora, los nanotubos debían ser ubicados uno por uno u obtenidos por azar, informó IBM.
Los científicos están en busca de nuevos materiales y métodos de producción que permitan aumentar aún más la capacidad de los integrados, ya que se espera que en el transcurso de esta década o la siguiente se llegue a un punto en que sea físicamente imposible continuar miniaturizando los integrados de silicio.
Los nanotubos de carbono constituyen la fibra más resistente que pueda encontrarse en la naturaleza, debido a la fuerza de sus uniones, la misma que hace tan duros a los diamantes. Es por ello que podrían ser utilizados para construir toda clase de materiales ultra livianos y ultra resistentes. IBM estudia los nanotubos de carbono ya que son conductores eléctricos extremadamente buenos, dice Theis, lo cual los convierte en cables excelentes.
"Pueden transportar mayor corriente por área, más electrones por cada pequeña sección de tubo que cualquier otro conductor conocido", dice. "Mucho más de lo que podría transportarse a través de un cable de cobre, que actualmente se utiliza para los integrados".
Theis agrega que cuando los tubos son alineados en una estructura recta pueden formar un cable, pero mediante una torcedura o muesca en la estructura se convierten en semiconductores.
Desarrollo inminente
Un semiconductor conduce sólo la cantidad de electricidad necesaria para poder encenderlo o apagarlo aplicando un campo eléctrico. Así es como funcionan los transistores, y como se trabaja actualmente con los integrados de silicio.
"Lo mismo se puede hacer con un nanotubo de carbono", dice Theis.
El gran logro de IBM ha sido el de superar la tendencia natural de estas dos estructuras –la recta y la retorcida que produce semiconductores– a adherirse una con otra. Si ello ocurre, se pierde la capacidad de aplicar corriente al semiconductor.
El proceso desarrollado por IBM consiste en aplicar una máscara de protección sobre los tubos semiconductores, aislándolos efectivamente de la electricidad. Luego se aplica una descarga eléctrica que destruye los tubos metálicos que no son semiconductores, dejando intactos a los que sí lo son.
IBM espera poder tener esta tecnología lista para el desarrollo de productos en un plazo de tres años.
3.2. IBM sustituye el silicio por los átomos de carbono
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(20/05/2002, por www.Baquia.com) El viejo Gran Azul asegura en la publicación Applied Physics Letters haber creado un nuevo tipo de chip que supera con creces las prestaciones de los tradicionales fabricados con silicio, reduciendo significativamente su tamaño, por lo que puede ser la clave de futuras computadoras mucho más pequeñas y potentes. La principal compañía fabricante de computadoras personales ha empleado unos nanotubos, elaborados con átomos de carbono.
Pero de todas maneras, como asegura el director de nanotecnología de IBM Research Phaedon Avouris, "el (pequeño) tamaño es muy importante, pero esta ligeramente sobredimensionado". Lo realmente trascendental es la potencia que demuestren estos chips, y lo cierto es que superan con creces a sus hermanos de silicio y metal ya que son capaces de doblar la cantidad de electricidad que transportan.
Los investigadores llevan desde hace tiempo estudiando posibles sustitutos del silicio, ya que se calcula teniendo en cuenta la ley de Moore (el número de transistores en un chip se dobla cada 18 meses) que en unos 10 o 15 años sería imposible seguir mejorando los chips si se continúa empleando ese material. Y ya se veía desde hace bastante que la respuesta iba a estar en la Nanotecnología, la ciencia que maneja las cosas a escala molecular y que aún está en su primera infancia.
3.3. IBM demuestra que los nanotubos pueden ser mejores que el silicio.
(22/05/2002, Dealer World, www.idg.es/dealer) IBM "International Business Machines Corporation" acaba de anunciar que ha mejorado sus transistores de nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés) de tal forma que su rendimiento es mayor que el de los más avanzados transistores de silicio.
Microfotografías electrónicas de los nanotubos
Los CNT "Carbon Nanotubes Transistors"son moléculas en forma de tubo con una configuración tal para constituir un transistor. Los científicos del centro de investigaciones T.J. Watson Research Center de IBM, con su director Shalom Wind. situado en Nueva York, han logrado la mayor capacidad de conducción de corriente de cualquier transistor CNT hasta la fecha y más del doble que los transistores de silicio más avanzados, según IBM. Sin embargo, no se espera que los CNT reemplacen al silicio hasta que el desarrollo de chips alcance la barrera física en que el silicio ya no pueda ser más pequeño. Es decir, un plazo aproximado de entre 10 a 15 años.
Los prototipos desarrollados en los laboratorios mostraron excelentes características eléctricas, con facilidad para encenderse y apagarse y conducir electricidad incluso a bajos voltajes. Este último avance es importante si se tiene en cuenta que los anteriores prototipos necesitaban tensiones de hasta 20 voltios para encenderse y apagarse.
Estos intentos previos se basaban en una oblea de silicio, usando el silicio mismo para controlar el flujo de electricidad. Esto funcionaba, pero significaba que todos los transistores tenían que encenderse y apagarse a la vez. Sin embargo, la nueva estructura establece la entrada y salida de electricidad sobre el propio nanotubo, añadiendo una delgada capa aislante de dióxido de silicio, lo que hace que se "parezca a un transistor de silicio, pero con un delgado nanotubo en lugar de una lámina plana de silicio". El nuevo transistor de nanotubo de carbono puede encenderse con una tensión de 1 voltio o menos, como resultado de esta capa aislante, y operar de manera independientemente. Para ejemplificar este avance, Wind ponía un claro ejemplo. "Es como si hubiésemos desarrollado anteriormente un nuevo tipo de lámpara eléctrica que funcionaba, pero que necesitaba altos voltajes, no era muy brillante y uno tenía que encender todas las luces de la casa a la vez. Ahora, podemos hacer que las lámparas sean más brillantes, que usen menos potencia, y encenderlas y apagarlas individualmente".
Esta investigación pone a la tecnología de nanotubos de carbono más cerca de convertirse en una opción viable para reemplazar al silicio.
3.4. Proyecto 'MILLIPEDE' de IBM demuestra densidades de datos del orden de billones de bits.
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Publicado en Junio del 2002, inaugural issue of IEEE Transactions on Nanotechnology.
México, D.F., 26 de junio de 2002.- Una densidad de datos de 25 DVD´s, en un área de 3mm2 fue lograda por IBM con su proyecto milpiés "Millipede". Sacando partido de diversas tecnologías innovadoras, científicos de IBM han demostrado densidades de almacenamiento de datos del orden de un billón de bits por pulgada cuadrada, 20 veces superiores a las máximas densidades de almacenamiento magnético actualmente disponibles.
Esta notable densidad, suficiente para almacenar 25 millones de páginas de texto en una superficie del tamaño de un sello postal, es uno de los logros científicos alcanzados por los investigadores que participan en el proyecto llamado en código "Millipede". En lugar de usar medios magnéticos o electrónicos tradicionales para almacenar datos, Millipede usa miles de afiladas puntas de escala nanométrica para crear muescas que representan bits individuales en una delgada película de plástico. El resultado es semejante a una versión nanotecnológica de la venerable "tarjeta perforada" para procesar datos.
Este método único es de escala más pequeña que las tecnologías tradicionales y, además de ser reescribible, puede operarse con menos requisitos energéticos. Los científicos de IBM creen que es posible alcanzar densidades de almacenamiento incluso mayores. "Puesto que una punta de escala nanométrica puede singularizar átomos individuales, prevemos mejoras ulteriores más allá de este fantástico hito terabit", comentó Gerd Binnig, ganador del Premio Nobel y una de las fuerzas impulsoras del proyecto Millipede. "Si bien las tecnologías de almacenamiento actuales pueden estar llegando a sus límites fundamentales, este enfoque nanomecánico es potencialmente válido para multiplicar miles de veces la densidad de almacenamiento de datos".
La demostración terabit empleó una sola punta que hacía muescas de sólo 10 nanómetros de diámetro, cada marca es 50.000 veces más pequeña que el punto en que concluye esta oración. Aún cuando el concepto se ha demostrado usando un montaje experimental de más de 1.000 puntas, el equipo de investigación está desarrollando ahora un prototipo que se espera completar a principios del año próximo y que despliega más de 4.000 puntas simultánea activas en un campo de 7 mm cuadrados. Tales dimensiones permitirán empacar un sistema completo de almacenamiento de datos de gran capacidad en el formato más pequeño usado ahora por la memoria relámpago.
Aunque en el cercano plazo no se espera que la memoria relámpago exceda capacidades de 1 a 2 GB, la tecnología Millipede podría empacar de 10 a 15 GB de datos en el mismo formato diminuto, sin requerir más potencia para operar el dispositivo.
"El proyecto Millipede podría brindar tremendas capacidades de datos a dispositivos móviles tales como asistentes personales digitales, teléfonos celulares y relojes multifuncionales", comenta Peter Vettiger, líder del proyecto Millipede. "Además de eso, estamos explorando el uso de este concepto en otras aplicaciones diversas, por ejemplo en procesos gráficos microscópicos de superficies grandes, en litografías de escala nanométrica y en la manipulación atómica o molecular".
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La composición y la geometría de los nanotubos de carbono engendran, con independencia de su formación, una complejidad electrónica única. Ello se debe, en parte, al tamaño, pues no olvidemos que la física cuántica manda a escala nanométrica. Pero el propio grafito constituye, de suyo, un material muy especial. Si la mayoría de los conductores eléctricos son o metales o semiconductores, el grafito pertenece al grupo restringido de los semimetales, instalado, en un delicado equilibrio, en la zona de transición entre aquéllos. Combinando las propiedades semimetálicas del grafito con las reglas cuánticas de niveles de energía y ondas electrónicas, los nanotubos de carbono surgen como conductores exóticos.
Impone cierta regla del mundo cuántico que los electrones se comporten como partículas; las ondas electrónicas se amplifican o cancelan entre sí. Por consiguiente, un electrón que se distribuya alrededor de la circunferencia de un nanotubo puede autocancelarse por completo; y quedarán sólo los electrones con idéntica longitud de onda correcta. De todas las posibles longitudes de onda electrónicas, o estados cuánticos, que haya en una lámina plana de grafito, sólo un pequeño conjunto estará permitido cuando se enrolle para formar un nanotubo. El conjunto dependerá de la circunferencia del nanotubo, como también de si el nanotubo se retuerce a la manera de los anuncios luminosos de una barbería.
Al rebanar unos cuantos estados electrónicos de un metal o un semiconductor simples no se producen muchas sorpresas. Los semimetales, en cambio, son mucho más sensibles. Y, por tales, más interesantes los nanotubos de carbono. En una lámina de gráfico, el punto de Fermi, cierto estado electrónico específico, confiere al gráfico casi toda la conductividad que esgrime; en ningún otro estado gozan de libertad de movimiento los electrones. Sólo un tercio de todos los nanotubos de carbono combina el diámetro correcto y el correspondiente grado de torsión para incluir este punto de Fermi especial en su conjunto de estados permitidos. Estos nanotubos son auténticos nanofilamentos metálicos.
Los dos tercios restantes de nanotubos son semiconductores. Eso significa que necesitan, igual que el silicio, una aportación adicional de energía para dejar fluir la corriente. Una ráfaga de luz o un voltaje pueden llevar los electrones desde los estados de valencia hasta los estados de conducción, donde se mueven con libertad. La cantidad de energía requerida depende de la separación entre ambos niveles, es decir, del intervalo de banda de un semiconductor. Gracias a esos intervalos los semiconductores resultan tan útiles en los circuitos. Merced a un amplio repertorio de materiales con diferentes intervalos de banda, los ingenieros han creado la rica batería actual de dispositivos electrónicos.
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Los nanotubos de carbono no tienen todos el mismo intervalo de banda, porque para cada uno circunferencia existe un conjunto exclusivo de estados permitidos de valencia y de conducción. Los nanotubos de carbono no tienen todos el mismo intervalo de banda, porque para cada circunferencia existe un conjunto exclusivo de estados permitidos de valencia y de conducción. Los nanotubos de menor diámetro cuentan con muy pocos estados muy separados en energía. Al aumentar el diámetro de los nanotubos, se admiten cada vez más estados y la distancia entre ellos acorta. Acontece, pues, que nanotubos de diferente tamaño pueden tener intervalos de banda nulos (cero, igual que un metal), de la magnitud del intervalo de banda del silicio o de casi cualquier valor entre ambos extremos. Ningún otro material conocido puede afinarse con semejante facilidad. Pero el crecimiento de los nanotubos produce todavía un montón de geometrías dispares. por eso los investigadores se afanan en la búsqueda de mecanismos que nos garanticen tipos específicos de nanotubos.
Los nanotubos gruesos de pared múltiple pueden desarrollar incluso un comportamiento más complejo. Cada capa del tubo presenta una geometría algo distinta. Si pudiéramos diseñar a medida la composición de cada uno, se habría cumplido el sueño de fabricar tubos con pared múltiple que sean autoaislantes o que transporten señales múltiples al instante, como cables coaxiales nanoscópicos. Nuestro conocimiento y control del crecimiento de los nanotubos se hallan muy lejos de tales metas. No obstante, al incorporar nanotubos en circuitos operativos hemos comenzado, por lo menos, a desentrañar sus propiedades básicas.
(llegando a los Terahertz en la velocidad de conmutación de los transistores)
Varios grupos de investigación, han construido con éxito dispositivos electrónicos operativos a partir de nanotubos de carbono. En algunos transistores de efecto de campo (FET) utilizan nanotubos semiconductores sencillos entre dos electrodos metálicos para crear un canal por donde circulan los electrones. La corriente que fluye a través del mismo puede activarse o desactivarse aplicando voltaje a un tercer electrodo inmediato. Los dispositivos basados en nanotubos funcionan a temperatura ambiente con características eléctricas notablemente similares a los dispositivos comerciales de silicio. Otros grupos de investigación han encontrado que el electrodo de la puerta puede cambiar la conductividad del canal de nanotubo en un FET en un factor de un millón o más, equiparable a los FET de silicio. Debido a su minúsculo tamaño, sin embargo, el FET de nanotubo conmutaría sin errar y consumiendo mucha menos energía que un dispositivo de silicio . En teoría un conmutador fabricado a nanoescala podría trabajar a velocidades cronométricas de un terahertz o más, mil veces más deprisa que los procesadores disponibles.
Ante el amplio abanico de intervalos de banda y conductividades propios de los nanotubos, son múltiples las posibilidades que se abren para nanodispositivos adicionales. En el laboratorio, al medir uniones de nanotubos metálicos y semiconductores se ha observado que estas se comportan como diodos, permitiendo que la electricidad circule en una sola dirección. En línea de principio, las combinaciones de nanotubos con diferentes intervalos de banda podrían convertirse en diodos emisores de luz y quizás en laseres nanoscópicos. Nada parece ahora impedir la evolución de un nanocircuito dotado de conexiones, conmutadores y elementos de memoria realizados con nanotubos y otras moléculas. Con esta ingeniería molecular podrían obtenerse, por fin, no solo versiones minúsculas de dispositivos al uso sino también otros nuevos que exploren los efectos cuánticos.
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Imagen de nanotubos depositados sobre electrodos de Oro (Au) fabricados
mediante litografía por haz de electrones.
Hasta ahora, apresurémonos a decirlo, los circuitos con nanotubos se han fabricado uno a uno y con sumo esfuerzo. Aunque aun no se ha determinado un único protocolo de construcción de los nanotubos y cada grupo de investigación sigue su propio protocolo para fijar un nanotubo a los electrodos metálicos tradicionales, en todos se recure a la combinación de litografía tradicional para los electrodos con herramientas de gran resolución, como microscopios de fuerza atómica, para colocar los nanotubos. Ni que decir tiene que queda un largo camino hasta la producción industrial, compleja, automatizada y paralela de microchips como la de silicio sobre la que asienta la industria informática.
5.1. COMO FABRICARLOS "transistores e hilos de interconexiones "
Partimos de que podamos pensar en la fabricación de una estructura de circuitos, fundada en nanotubos, habrá que encontrar métodos de desarrollo de nanotubos posiciones, orientaciones, formas y tamaños específicos. En la universidad de Stanford y en otras instituciones se ha demostrado que, colocando partículas de níquel, hierro o algún otro catalizador sobre un sustrato, se obtienen nanotubos que crecen donde se quiera. En Harvard se ha encontrado una forma de unir nanotubos con nanofilamentos de silicio, hilvanando conexiones a los circuitos fabricados por los medios habituales.
5.1. FORMAS DE FABRICAR NANOTUBOS
Volatilizar, Hornear o Bombardear
Aunque Sumio Iijima fue el primero en ver un nanotubo, otros se adelantaron en si fabricación. Sin saberlo, los hombres de Neandertal fabricación cantidades minúsculas de nanotubos en las hogueras con que calentaban sus cuevas. Separados por el calor, los átomos de carbono se recombinan en el hollín; unos engendran glóbulos amorfos, otros unas esferas llamadas "buckybolas" y otros largas cápsulas cilíndricas, los "buckytubos" o nanotubos. La ciencia ha descubierto tres formas de fabricar hollín que contiene una proporción notable de nanotubos. Hasta ahora, sin embargo, los tres métodos sufren algunas limitaciones importantes: todos producen mezclas de nanotubos con una amplia gama de longitudes, muchos defectos y variedad de torsiones.
Una gran chispa
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En 1992 Thomas Ebbeser y Pullickel M. Ajayan, del laboratorio de investigación Fundamental de NEC, publicaron en primer método de fabricación de cantidades macroscópicas de nanotubos. Consiste en conectar dos barras de grafito a una fuente de alimentación, separarlas unos milímetros y accionar un interruptor. Al saltar una chispa de 100 amperes de intensidad entre las barras, el carbono se evapora en un plasma caliente. Parte del mismo se vuelve a condensar en forma de nanotubos.
Rendimiento normal: Hasta un 30 por ciento en peso.
Ventaja: las altas temperaturas y los catalizadores metálicos añadidos a las barras puede producir nanotubos de pared única y múltiple con pocos defectos estructurales, si alguno.
Limitaciones: Los tubos tienden a ser cortos (50 micras o menos) y depositarse en formas y tamaños aleatorios.
Un gas caliente
Morinubo Endo, de la Universidad de Shinshu en Nagano, introdujo, en la fabricación de nanotubos, el método de la deposición química en fase vapor (CVD). Se coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600 gramos centígrados y lentamente se añade metano, gas, libera átomos de carbono, que se pueden recombinar en forma de nanotubos.
Rendimiento normal: de 20 a casi 100 por cien.
Ventajas: la técnica de CVD es el más sencillo de los tres métodos para su aplicación a escala industrial. Podría emplearse para fabricar nanotubos largos, necesarios en las fibras empleadas en materiales compuestos.
Limitaciones: Los nanotubos fabricados así suelen ser de pared múltiple y a veces están plagados de defectos. De ahí que los tubos tengan sólo una décima de la resistencia a la tracción respecto a los fabricados por la descarga de arco.
Un Bombardeo con láser
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Se acopaban un grupo de la Universidad de Rice, del bombardeo de un metal con pulsos intensos de láser para producir moléculas metálicas más extravagantes cuando les llegó la noticia del descubrimiento de los nanotubos. En su dispositivo sustituyeron el metal por barras de grafito. No tardaron en producir nanotubos de carbono utilizando pulsos de láser en lugar de electricidad para generar el gas caliente de carbono a partir del que se forman los naotubos. Ensayaron con varios catalizadores y lograron, por fin, las condiciones en que se producen cantidades prodigiosas de nanotubos de pared única.
Rendimiento normal: Hasta un 70 por ciento.
Ventajas: Producen nanotubos de pared única con una gama de diámetros que se pueden controlar variando la temperatura de reacción.
Limitaciones: Este método necesita laseres muy costosos.
Hablamos de tímidos pasos. Con todo, suficientes para entrever la aplicación de nanotubos de carbono como transistores e hilos de interconexiones en los circuitos de microchips. Estos filamentos, de unos 250 nanómetros de anchura, son metálicos. A los ingenieros les encantarían lograrlos mucho menores, para así integrar más dispositivos en la misma sección. Pero la miniaturización ulterior de los hilos metálicos ha de vencer dos dificultades imponentes. En primer lugar, no contamos todavía con un método eficaz para disipar el calor generado por los dispositivos; si apretaran más se provocaría un rápido sobrecalentamiento. En segundo lugar, al afilas los hilos metálicos y, en breve tiempo, los filamentos se degradarían, como fusibles fundidos.
En teoría los nanotubos podrían resolver ambos problemas. Los nanotubos de carbono conducen el calor a la manera casi del diamante o al zafiro; idea que parece confirmada en experimentos provisionales. Los nanotubos podrían, pues, refrigerar eficientemente series muy densas de dispositivos. Además por ser los enlaces entre átomos de carbono mucho más fuertes que los de cualquier otro metal, los nanotubos pueden transportar enormes cantidades de corriente eléctrica; las medidas recientes muestran que un manojo de nanotubos de un centímetro cuadrado de sección transversal podría conducir unos mil millones de Amperé. Estas corrientes tan altas vaporizarían el cobre o el oro.
Desde hace varios años se ha aprendido bastante sobre la estructura y propiedades del carbono en sus formas alotrópicas conocidas: el grafito, el diamante y fullerenos.
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En 1985 se descubrió la tercera forma alotrópica de carbono, se trataba de una sustancia donde cada molécula poseía sesenta átomos de carbono; este descubrimiento fue una antesala y un incentivo a la búsqueda de nuevos materiales llegando al descubrimiento coincidencial de los nanotubos.
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Los fullerenos son mucho más abundantes de lo que pensamos, incluso es posible que sean más abundantes que el grafito y el diamante; los podemos hallar en el humo y el hollín de combustiones, los hallamos al estudiar las estrellas y el espacio interestelar, o bien en las capas terrestres que nos muestran las eras geológicas del planeta, también se han hallado fullerenos en los meteoritos que caen a la tierra. Últimos estudios también señalan que cada organismo vivo presenta cierta cantidad de fullerenos en su composición, todos estos hechos, nos dan una noción del extenso campo de estudio y de las numerosas líneas de investigación que pueden nacer alrededor del estudio de los fullerenos.
Los fullerenos son moléculas grandes como esferas. El más común es el C60 , pero hay de más carbonos como son, C70, C84, C240, C540 …, y también los hay de menos, los cuales por lo general presentan un arreglo geométrico casi esférico o en forma de elipsoide. En 1991 se detectó una forma más de carbono, el "nanotubo". Un nanotubo es un fullereno muy grande en forma lineal.
6.1. Como se pueden ver los nanotubos?
El desarrollo alcanzado por las áreas científicas conocidas como nanociencia y nanotecnología se debe, en parte, al descubrimiento y posteriores desarrollos del microscopio de fuerzas (AFM) y de efecto túnel (STM). Ambas Microscopías se han configurado como herramientas indispensables para interrogar las propiedades de sistemas de tamaño nanométrico. El carácter local y el preciso control de las interacciones electromagnéticas permite a estas técnicas la investigación del estado químico, mecánico o eléctrico de estructuras nanométricas, con independencia de la naturaleza de las nanoestructuras. Estas pueden ser de tipo semiconductor, moléculas orgánicas o moléculas biológicas. Las propiedades mencionadas de los microscopios de fuerzas y de efecto túnel pueden ser aprovechadas para desarrollar nuevas técnicas de modificación y manipulación de superficies a escala nanométrica. Esos métodos pueden
constituir las bases para el desarrollo de nuevas técnicas de litografía por debajo de los 10nm.
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Microscopio de Fuerza.
7. PROPIEDADES Y APLICACIONES EXTREMAS DE LOS NANOTUBOS
7.1. Estudio Teórico Experimental con Diferentes Elementos en el Interior de un nanotubo.
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La posibilidad de introducir metales, carburos u óxidos metálicos dentro de nanotubos de carbono de multicapas, puede alterar significativamente sus propiedades mecánicas y electrónicas. Algunas de las aplicaciones que tendrían lugar al sintetizar nanotubos llenos con ciertos metales serían: 1) Producir dispositivos de alta densidad de almacenamiento de datos utilizando nanotubos llenos con materiales magnéticos en su
interior, formando así nanoalambres . 2) El uso de nanotubos de carbono como emisores de electrones para pantallas de TV y monitores de computadoras ultra delgados. Sin embargo, para poder emplear de forma comercial los nanotubos de carbono vacíos o llenos, es necesario controlar su crecimiento, longitud, diámetro y cristalinidad, así como reducir sus costos de producción.
Hasta el momento sólo se ha reportado la formación de nanotubos alineados llenos con hierro por un método llamado de pirolisis, afortunadamente muchas tesis Doctórales en Nanotecnología o Electrónica están enfocando su camino en la investigación la de fabricación controlada de nanotubos.
Propiedad | Nanotubos de pared única | Por comparación |
Tamaño | 0.6 a 1.8 nanómetros de diámetro
| La litografía de haz electrónico puede crear líneas de 50 nm de ancho. |
Densidad | 1.33 a 1.40 g/cm3
| El aluminio tiene una densidad de 2.7 g/cm3
|
Resistencia a la tracción | 45 mil millones de pascales | Las aleaciones de acero de alta resistencia se rompen a alrededor de 2 mil millones de pascales. |
Elasticidad | Pueden doblarse a grandes ángulos y vuelven a su estado original sin daño. | Los metales y las fibras de carbón se fracturan ante similares esfuerzos. |
Capacidad de transporte de corriente | Estimada en mil millones de amperes por centímetro cuadrado | Los alambres de cobre se funden a un millón de amperes por centímetro cuadrado aproximadamente. |
Emisión de campo | Pueden activar fósforos con 1 a 3 voltios si los electrodos están espaciados una micra | Las puntas de molibdeno requieren campos de 50 a 100 voltios/m y tienen tiempos de vida muy limitados. |
Transmisión de Calor | Se predice que es tan alta como 6,000 vatios por metro por kelvin, a temperatura ambiente. | El diamante casi puro transmite 3,320 W/mK |
Estabilidad térmica | Estable aún a 2,800 grados Celsius en el vacío, y 750 °C en aire. | Los alambres metálicos en microchips funden entre 600 y 1000°C. |
CIENCIA O FANTASÍA | ||
| LA IDEA |
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Sondas químicas y genéticas.
"Hebra de ADN" | Un microscopio con punta de nanotubo puede localizar una hebra de ADN e identificar los marcadores químicos que revelan cual de las variables posibles de un gen presenta la hebra | |
Memoria mecánica "RAM no volátil" | Se ha ensayado una pantalla de nanotubos depositada sobre unos bloques de soporte como función de dispositivo de memoria binaria, con voltajes que fuerzan el contacto entre tubos (estado "encendido") o su separación (estado "apagado"). | |
Nanopinzas | Dos nanotubos, unidos a los electrodos en una barra de vidrio, se abren y cierran a través de un cambio de voltaje. Estas pinzas se emplean para aprisionar y mover objetos de 500 nanómetros de tamaño. | |
Sensores supersensibles | Los nanotubos semiconductores cambian se resistencia de un modo drástico cuando se exponen a álcalis, halógenos y otros gases a temperatura ambiente. Da ahí la esperanza en lograr mejores sensores químicos. | |
Almacenamiento de hidrógeno y iones | Los nanotubos podrían almacenar hidrógeno en su interior hueco y liberarlo gradualmente en pilas de combustible baratas y eficientes. Albergan también iones de litio, que podrían llevarnos a pilas de mayor duración | |
Materiales de máxima resistencia | Incrustados en un material compuesto, los nanotubos disfrutan de enorme elasticidad y resistencia a la tracción. Podrían emplearse en coches que reboten en un accidente o edificios que oscilen en caso de terremoto en lugar de agrietarse. | |
Microscopio de barrido de mayor resolución. "Esta aplicación esta lista para comercializarse" | Unidos a la punta de un microscopio de sonda de barrido, los nanotubos pueden amplificar la resolución lateral del instrumento en factor de diez o más, permitiendo representaciones claras de las proteínas y otras moléculas. | |
8. DONDE SE DESTACAN LOS NANOTUBOS
Los nanotubos de carbono muestran un segundo comportamiento electrónico de sumo interés para los ingenieros. En 1995 un grupo de la Universidad Rice observó que, cuando se colocaban erguidos y se cargaban eléctricamente, los nanotubos de carbono semejaban varillas o tubos de alumbrado, concentrando el campo eléctrico en sus puntas. Pero mientras una varilla de alumbrado conduce un arco de tierra, un nanotubo emite electrones desde su punta a una velocidad prodigiosa. Como son tan agudos, los nanotubos emiten electrones a voltajes menores que los electrodos fabricados con la mayoría de otros materiales, y sus vigorosos enlaces de carbono permiten que los nanotubos duren más sin ningún desperfecto.
Se había imaginado este comportamiento, llamado emisión de campo, para aprovecharlo en una técnica que sustituyera a los televisores y los monitores de ordenador, voluminosos y poco eficientes, con paneles planos de menos volumen y mayor rendimiento, sin disminuir el brillo. La idea, sin embargo, ha tropezado siempre con la fragilidad de los emisores de campo disponibles. Se confía en que los nanotubos puedan salvar ese escollo y despejar el camino para una alternativa a los tubos de rayos catódicos y los paneles de cristal líquido. Resulta de una sencillez asombrosa fabricar, a partir de nanotubos, un emisor de campo de alta corriente. Basta con mezclarlos con plásticos en una pasta compuesta, se untan sobre un electrodo y se aplica un voltaje. Algunos nanotubos de la capa apuntarán, indefectiblemente, hacia el electrodo opuesto y emitirán electrones. En el Instituto de Tecnología de Georgia, Stanford y otras instituciones se han encontrado ya métodos para el desarrollo de grupos de nanotubos erguidos en pequeñas rejillas ordenadas. Con una óptima densidad, estos grupos pueden emitir más de un ampere por centímetro cuadrado, suficiente para iluminar los fósforos en una pantalla y capaz de controlar relés de microondas y conmutadores de alta frecuencia en estaciones de telefonía móvil.
Sabemos de dos compañías empeñadas en la fabricación de bienes que utilizan nanotubos de carbono como emisores de campo. La Japonesa Ise Electronics ha ensayado compuestos de nanotubos para fabricar prototipos de bombillas de tubos de vacío en seis colores, cuyo brillo dobla el de las bombillas tradicionales, tiene una mayor duración y decuplican el ahorro energético. El primer prototipo ha funcionado bien durante más de 10.000 horas y aún no ha fallado. Los ingenieros de Samsung en Séul esparcen nanotubos en una película delgada sobre la electrónica de control y luego colocan encima vidrio revestido de fósforo para fabricar un prototipo de pantalla planta. Cuando realizaron la demostración del panel, en 1999, eran optimistas respecto a que la compañía pudiese tener el dispositivo que brillará como un tubo de rayos catódicos y consumirá una décima parte de potencia listo para su producción en el año en curso.
El tercer ámbito en el que los nanotubos de carbono muestran propiedades electrónicas especiales es de escala muy pequeña, allí donde revisten interés los efectos que dependen del tamaño. A ciertas escalas, nuestras ideas de filamentos con resistencia fracasan de forma estrepitosa y deben sustituirse por modelos de mecánica cuántica. Se trata de un reino, inalcanzable para la técnica de silicio, que pueden ofrecer nuevos descubrimientos sorprendentes; exigirá también bastante mayor investigación que en el caso de los nanocircuitos o los dispositivos de emisión de campo con nanotubos.
Entre los temas debatidos a resolver citemos el concerniente al movimiento preciso de los electrones a lo largo de un nanotubos sin defectos los electrones viajan "balísticamente", sin ninguna dispersión, que es el agente causal de la resistencia de los filamentos metálicos. Cuando los electrones pueden viajar largas distancias sin dispersión, mantienen sus estados cuánticos, fenómeno clave para observar la interferencia entre ondas electrónicas. Además, la falta de dispersión ayudaría a entender por qué los nanotubos conservan su estado de espín electrónico cuando se desplazan. (El espín electrónico es una propiedad cuántica). Apoyados en ese insólito comportamiento algunos se proponen construir dispositivos "espíntrónicos" que se activen o desactiven en respuesta al espín electrónico, en lugar de hacerlo en respuesta a su carga (lo que ocurre en los dispositivos electrónicos).
Asimismo, puede controlarse con exquisita precisión el flujo de electrones en el tamaño mínimo de un nanotubo. Se acaba de demostrar en los nanotubos el bloqueo de Coulomb, fenómeno en virtud del cual los electrones repelen cualquier pretensión de insertar simultáneamente más de un electrón en dichas estructuras. El fenómeno podría facilitar la construcción de transistores de un solo electrón, lo ultimo en electrónica sensible. Pero las propias mediciones abren interrogantes que la física actual no sabe despejar. Confinados en estos finísimos filamentos unidimensionales, los electrones se comportan de forma tan extraña que apenas parecen tales partículas.
Con el tiempo, pues, los nanotubos podrían ofrecer no sólo versiones menores y mejores de los dispositivos existentes, sino también algunos de nuevo cuño que dependerían por entero de los efectos cuánticos. Queda mucho, cierto, por conocer a propósito de dichas propiedades de los nanotubos antes de poderles sacarles partido. Sobre la mesa yacen ya algunas cuestiones. Sabemos que todos los dispositivos moleculares, incluidos los nanotubos, son muy sensibles al ruido producido por fluctuaciones eléctricas, térmicas y químicas. Se ha comprobado que, cuando se fija un contaminante(Oxígeno, por ejemplo) a un nanotubo, se resienten sus propiedades eléctricas. Esto, que puede ser útil para crear detectores químicos delicadamente sensibles, constituye un obstáculo para la fabricación de circuitos de una solo molécula. En el control de la contaminación reside el principal reto cuando una sola molécula puede marcar diferencia.
Pese a todo, con tantas vías de desarrollo en marcha, parece claro que ya no se trata de saber si los nanotubos se convertirán en componentes útiles de los ingenieros Electrónicos del futuro, sino simplemente cómo y cuándo.
8.1. Superconductividad a temperatura ambiente con nanotubos
(Publicado el 30 de Noviembre de 2001) Según algunos experimentos realizados recientemente, los nanotubos de carbón podrían conducir la electricidad sin resistencia a temperaturas superiores a la ebullición del agua. En caso de confirmarse estos serían los primeros superconductores que funcionarían a una temperatura "normal", sin necesidad de maquinaria térmica especial.
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Investigadores de la Universidad de Houston encontraron pistas de superconductividad en estos nanotubos. No es una resistencia cero, pero es lo más cerca que nadie se haya acercado nunca.
Actualmente no hay pruebas de ningún superconductor que funcione a una temperatura superior a menos 143 grados, pero si descubriesen un material capaz de conducir la electricidad sin resistencia a temperatura ambiente no se perdería calor y energía, lo que significarían circuitos electrónicos mucho más rápidos.
Técnicamente se están estudiando los efectos de los campos magnéticos en fibras huecas de carbón llamadas "nanotubos de carbón multipared". Se cree que la resistencia a la conductividad no llega a ser cero porque las conexiones entre tubos no son superconductoras.
8.2 Los nanotubos método seguro de almacenar y transportar hidrógeno.
(Publicado en febrero del 2002) El desarrollo futuro de sistemas que tengan como combustible el hidrógeno dependerá de si es posible o no desarrollar un método seguro de transporte y almacenamiento del hidrógeno. Un coche que funcionara gracias a la combustión del hidrógeno con el oxígeno, sólo produciría agua como residuo. Sobre el papel, es el coche ecológico perfecto. Pero su realización se enfrenta a numerosos retos, entre ellos el de disponer de una forma segura de transportar y almacenar el hidrógeno. Hoy por hoy, el hidrógeno se almacena y transporta a bajas temperaturas y en botellas de aire comprimido que deben ser tratadas con sumo cuidado, ya que este gas es muy inestable y cualquier golpe puede ser peligroso.
Los nanotubos de carbono han sido propuestos como candidatos a almacenar grandes cantidades de hidrógeno de forma segura. En el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB), el equipo del Laboratorio de Estructura Electrónica de los Materiales, trabaja en un proyecto con la empresa estadounidense Air Products para descubrir cómo almacenar hidrógeno en nanotubos de carbono.
Almacenan el hidrógeno como si fueran esponjas, aunque no se sabe bien cómo
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«Se ha comprobado que los nanotubos de carbono almacenan hidrógeno, aunque no se sabe muy bien cómo», En diversos experimentos, explican los investigadores, se ha comprobado que cuando se depositan nanotubos de carbono en el interior de una cámara a presión y se deja entrar hidrógeno en la cámara, más tarde, al dejar salir de nuevo el hidrógeno de la cámara, la cantidad saliente de gas es menor que la entrante. Esa diferencia es la correspondiente al hidrógeno que ha quedado incorporado en el nanotubo, de forma comparable a como quedaría atrapado un líquido en una esponja.
El fullereno, una molécula C60, tiene la forma de un icosaedro truncado, igual a la de un balón de fútbol. En el cual se cree que se podría almacenar hidrógeno, con una estabilidad mayor a la suministrada por los nanotubos.
Sin embargo, aunque estos experimentos son válidos, no aportan otros datos. Por ejemplo, se desconoce la cantidad precisa que puede almacenar un nanotubo. Tampoco se sabe cómo se almacena: es decir, si se enlaza químicamente el hidrógeno con el nanotubo de carbono, si se mantiene la estructura molecular o no.
Esto es precisamente lo que están estudiando en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, a través de simulaciones por ordenador. Con estas simulaciones y modelos teóricos, los investigadores diseñan los experimentos que luego se realizan en la sede de Air Products en los EE.UU.
8.3 Sensores Químicos con los Nanotubos.
Dos grupos de investigación, uno de la Universidad de California en Berkeley y otro de la universidad de Stanford, han mostrado que los nanotubos de carbono podrían constituir óptimos sensores químicos, capaces de detectar diminutas concentraciones de gases tóxicos.
La detección de moléculas gaseosas es crítica en el control ambiental, en el control de procesos químicos, en misiones espaciales y en agricultura y medicina. Sin ir más lejos, la detección del dióxido de nitrógeno (NO2) desempeña un papel importante en el análisis de la contaminación resultante de la combustión o de las emisiones de automóviles; la detección de amoniaco (NH3) recibe interés especial en entornos industriales, biológicos y médicos.
Los nanotubos sintetizados por diversas técnicas, crean tubos de pared única, tubos de paredes de varias capas, además "cuerdas" trenzadas por tubos adheridos lateralmente unos a otros por débiles fuerzas de van del Waals.
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El carácter eléctrico, metálico o semiconductor, de los nanotubos depende de los detalles estructurales, como la forma precisa de cortar y enrollar la hoja grafítica, así como de la presencia de defectos e impurezas. Cada configuración diferente es sensible a una molécula gaseosa específica.
La extrema sensibilidad de las propiedades eléctricas a la presencia de moléculas gaseosas absorbidas en el tubo constituyen el motivo que ha llevado a proponer el uso de los nanotubos de carbono como novedosos sensores químicos.
El cambio sustancial en la resistencia, así como el cambio drástico del poder termoeléctrico, demuestran que los nanotubos actúan como sensores de oxígeno sumamente sensibles.
Aunque esta aplicación no esta directamente relacionada con los nanotubos, se
Muchos ingenieros conocen la emoción de haber diseñado un producto nuevo que luego se utiliza por doquiera. Los investigadores del laboratorio de investigación de IBM en Zurich, esperan gozar de este privilegio dentro de tres años, un placer más raro: sacar a la venta un tipo de máquina del todo nuevo.
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Se habla mucho de nanotecnología en estos tiempos, la nueva frontera donde los entresijos de las máquinas no miden más de 1um. Las investigación de sistemas microelectromecánicos (SMEM) – dispositivos de piezas móviles microscópicas fabricadas con las misma técnicas con los que se construyen los chips informáticos -, ha armado mucho revuelo, pese a que no ofrece todavía muchos productos comerciales. Como pueden atestiguar, ya que han invertido hasta ahora seis años en uno de los primeros proyectos encaminados a crear un dispositivo nanomecánico que pueda fabricarse en masa, a escalas tan diminutas la ingeniería y la investigación científica se mezcla de modo inextricable.
En IBM este proyecto se llama Milpiés. Si siguen por el buen camino, alrededor de 2005 se podrá comprar una tarjeta de memoria del tamaño de un sello de correos para la cámara digital o el reproductor portátil de MP3. No almacenará unas decenas de megabytes de vídeo o audio, como las típicas tarjetas de memoria "flash" (microcircuitos de memoria permanente), sino varios gigabytes –cantidad suficiente para guardas un buen número de CD musicales o varias películas-. Se podrán borrar y rescribir datos de ella. Será bastante rápida y gastará una cantidad moderada de energía.
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Si milpiés impresiona es por otra razón: porque guarda los datos digitales de forma diferente del método seguido por los discos duros magnéticos, los discos compactos ópticos y los chips de memoria que inscriben los datos por medio de transistores. Después de décadas de progreso espectacular, esas técnicas veteranas han enfilado su recta final; ante ellas se alzan importantes limitaciones físicas.
Características técnicos
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El núcleo del proyecto Millipede es una matriz bidimensional de diminutas vigas voladizas de silicio en forma de u, de 0,5 micrómetros de espesor y 70 micrómetros de largo. Cada diminuta viga voladiza termina en una punta orientada hacia abajo, cuyo largo es inferior a 2 micrómetros. El montaje experimental actual contiene una matriz de 3 mm por 3 mm, con 1.024 (32 x 32) diminutas vigas voladizas, creadas por micromaquinaje en la superficie del silicio. Un refinado diseño asegura el nivelamiento preciso de la matriz de puntas respecto al medio de almacenamiento y amortigua tanto las vibraciones como los impulsos externos. Una electrónica multiplexada con respecto al tiempo, similar a la usada en los chips DRAM, direcciona cada punta para su operación en paralela. El accionamiento electromagnético mueve con precisión el medio de almacenamiento debajo de la matriz, en la dirección de los ejes de las "x" y de las "y", lo que permite a cada punta leer y escribir en su propio campo de almacenamiento de 10 micrómetros de lado. La corta distancia a cubrir asegura un bajo consumo energético.
Descripción de Funcionamiento
ESCRITURA DE UN BIT: Por medio del calor y de la fuerza mecánica, las puntas crean pozos cónicos en pistas lineales que representan "unos" digitales. Para producir un pozo, la corrienete eléctrica circula a través de la pestaña; de esa forma se calienta una región dopada de sicilio a 400 grados Celsius, que permite a la estructura pretensada del brazo flexionarse hasta hundir la punta en el polímero. La ausencia de pozo es un "cero".
BORRADO DE UN BIT: El último prototipo del proyecto milpiés borra un bit existente calentando la punta a 400 grados Celsius y abriendo otro pozo justo al lado del pozo previamente grabado, que entonces se rellena (según la muestra). Otro método de borrado inserta la punta caliente en el pozo; el plástico recupera entonces su forma plana original.
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LECTURA DE UN BIT: Para leer datos, las puntas se calientan primero hasta unos 300 grados centígrados. Cuando una punta de barrido encuentra un pozo y se introduce en él, transfiere calor al plástico, Así disminuye su temperatura y su resistencia eléctrica, pero esta última sólo en una porción mínima, alrededor de una parte en unos pocos miles. Un procesador digital de señal convierte esta señal de salida, o su ausencia en una secuencia de datos.
La capacidad de reescritura de este concepto se ha demostrada en más de 100.000 ciclos de escritura/sobreescritura. Si bien el régimen binario de las puntas individuales es del orden de kilobits por segundo, lo que representa unos megabits en toda la matriz, circuitos electrónicos más rápidos permitirán que las palancas operen a velocidades considerablemente más altas. Los experimentos nanomecánicos realizados en el Almaden Research Center de IBM demostraron que las puntas individuales podían apoyar caudales binarios de hasta 1-2 megabits por segundo.
El consumo energético depende en gran medida del régimen binario al que se opera el dispositivo. Cuando se opera a velocidades de transferencia de unos pocos megabits por segundo, Millipede consume aproximadamente 100 miliwatts, es decir, una cantidad situada en la gama de la memoria relámpago(flash) y considerablemente por debajo de la grabación magnética.
El experimento de 1.024 puntas logró una densidad de superficie de 200 gigabits (miles de millones de bits, Gb) por pulgada cuadrada. Ello representa una capacidad potencial de unos ,5 gigabytes (miles de millones de bytes, GB) en una área de tres milimetros cuadrados. La generación siguiente de Millipede tendrá cuatro veces más puntas (4.096) en una matriz de 7 mm cuadrados (64 x 64).
Concienciar a los ingenieros electrónicos de la importancia en la creación de diminutos circuitos a partir de los atributos de los nanotubos, o tendencias reformadoras como la del Milpiés, es de gran importancia para continuar con el crecimiento tecnológico de la humanidad y no detenerse ante las limitaciones físicas de las tecnologías convencionales de pastillas de silicio.
José R. Ibarra
Henry Ortiz
Juan R. Rosario
Agosto – Octubre 2004
Santo Domingo, Rep. Dom.