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Nanotubos y Nanodrive - Adiós silicio, hola nanoelectrónica

Resumen: ¿Quienes son?. Reseña histórica. Noticias resientes (estado del arte). Tubos retorcidos. Nanocircuitos. Los fullerenos. Propiedades y aplicaciones extremas de los nanotubos. Donde se destacan los nanotubos. Nanounidades de memoria.(V)
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Autor: JORGE ELIÉCER PELAEZ LONDOÑO

Índice

  1. Introducción
  2. Objetivos
  3. Quienes son?
  4. Reseña histórica
  5. Noticias resientes (estado del arte)
  6. Tubos retorcidos
  7. Nanocircuitos
  8. Los fullerenos
  9. Propiedades y aplicaciones extremas de los nanotubos
  10. Donde se destacan los nanotubos
  11. Nanounidades de memoria
  12. Conclusiones
  13. Anexos: mapa mental
  14. Referencias

     

INTRODUCCIÓN

La historia de la humanidad se ha visto por momentosinterrumpida por grandes revoluciones científicas y tecnológicas que hancambiado el curso de la historia, y en ocasiones el comportamiento y hábitosdel hombre.

En un futuro a mediano plazo viviremos la próxima revoluciónde la electrónica, donde pasaremos de la microelectrónica a la nanoelectrónica,donde la velocidad de procesamiento y el tamaño de los dispositivos disminuiráconsiderablemente.

En Mayo del 2002 IBM anuncia que ha mejorado sus transistoresde nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés) de tal forma que surendimiento es mayor que el de los más avanzados transistores de silicio. Unode los Investigadores del centro de investigaciones T.J. Watson Research Centerde IBM, situado en Nueva York, decía,

"Es como si hubiésemos desarrollado anteriormente unnuevo tipo de lámpara eléctrica que funcionaba, pero que necesitaba altosvoltajes, no era muy brillante y uno tenía que encender todas las luces de lacasa a la vez. Ahora, podemos hacer que las lámparas sean más brillantes, queusen menos potencia, y encenderlas y apagarlas individualmente".

Adicionalmente y de forma independiente al desarrollo einvestigaciones en nanotubos que se mostrara en el trabajo, se incluirá lapuesta en marcha de un dispositivo con tecnología nanométrica, una nanounidadde memoria del proyecto Milpiés de IBM, un dispositivo micromecánico concomponentes nanoscopicos, que podrá imponerse en un futuro en los limites físicosa los que se aproximan los dispositivos actuales de almacenamiento digital queimpedirán 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 altorendimiento y fidelidad; cuando el desarrollo de chips alcance la barrera físicaen que el silicio ya no pueda ser más pequeño. Es decir, un plazo aproximadode entre 10 a 15 años calculados por la ley de Moore.

OBJETIVOS

Con el desarrollo de este trabajo de quiere dar una gran visiónde la cantidad de innovaciones, y dispositivos electrónicos que esperamos paralas próximas décadas.

Orientar al lector a interesarse por las nuevas barreras quese están rompiendo, para la creación de mas variados y mejores productoselectrónicos que integren todo tipo de adelantos en la física de losmateriales, y descubrimientos en otras áreas del conocimientos que se puedanintegrar a la nanoelectrónica.

1. QUIENES SON?

-Mas 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 dememoria, inventada como un dispositivo nanotecnológico pensado y diseñado paraproducirse a escala industrial alrededor del 2005, es un proyecto de IBM llamadomilpiés un dispositivo micromecánico con componentes nanoscopicos

2. RESEÑA HISTÓRICA

Hace unos once años Sumio Iijima, sentado ante sumicroscopio electrónico en el laboratorio de Investigación Fundamental de NECen Tsukuba, observaba unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre unamota de hollín. Constituidas por carbono, y de forma tan regular y simétricacomo los cristales, estas macromoléculas de primorosa finura e impresionantelongitud no tardaron en llamarse nanotubos. Desde entonces han sido objeto deintensa investigación básica. Se ha dado paso un paso más. Ahora interesatambién la ingeniería. Muchas de las propiedades extraordinarias de losnanotubos, superlativa elasticidad, resistencia a la tracción y estabilidad térmica,han desatado la imaginación, que sueña con robots microscópicos, carroceríasde automóviles resistentes a las abolladuras y edificios a prueba deterremotos. Sin embargo, los primeros productos que incorporan nanotubos no lohacen en razón de tales atributos, sino en virtud de sus propiedades eléctricas.Algunos automóviles de General Motors incluyen piezas de plástico a las que seañaden nanotubos; el material plástico se carga eléctricamente durante lafase de pintura para que ésta se adhiere mejor. Muy pronto saldrán al mercadodos productos de iluminación y presentación visual basados en nanotubos.

A largo plazo, las aplicaciones más valiosas sacarán mayorpartido de las singulares propiedades electrónicas de los nanotubos. Enprincipio, lo nanotubos de carbono pueden desempeñar el mismo papel que cumpleel silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde elsilicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Aunque la industria electrónicaestá llevando a las dimensiones críticas de los transistores en los chipscomerciales por debajo de 200 nanómetros, unos 400 átomos de anchura, losingenieros 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 larevolución informática comenzarán alcanzar su límite físico infranqueable.Todavía hay enormes incentivos económicos para reducir aún más losdispositivos, porque la velocidad, la densidad y el rendimiento de los ingeniosmicroeléctricos aumentarán con la reducción del tamaño mínimo de loscomponentes. Los experimentos de los últimos años han dado esperanzas a losinvestigadores de que podrían fabricarse con nanotubos las conexiones y losdispositivos activos de un tamaño de diez nanómetros o inferior. Incorporadoslos nanotubos en circuitos electrónicos, éstos operarían más deprisa y sinconsumir tanta energía como los actuales.

Los primeros nanotubos de carbono que observó Iijima en 1991se denominaron TUBOS DE PAREDES MÚLTIPLES; Cada uno contenía cierto númerode 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 porlado NANOTUBOS DE PARED ÚNICA, formados exclusivamente de una capa de átomosde carbono. Ambos tipos de tubos, fabricados de modo parecido, gozan de muchaspropiedades similares; las obvias, su longitud y estrechez, enormes. El modelode pares única, de un nanómetro aproximado de diámetro, puede abarcar milesde nanómetros de longitud.

Los que confiere a estos tubos su estabilidad notable es laintensidad con que se unen los átomos de carbono entre sí, propiedad queexplica la dureza del diamante. En este mineral, los átomos de carbono se unenen un tetraedro de cuatro lados. Sin embargo, en los nanotubos los átomos sedisponen en anillos hexagonales, la misma estructura que caracteriza al gráfico;de hecho un nanotubo parece una lámina (o varias láminas apiladas) de gráficoenrollada en un cilindro sin costuras. No se sabe a ciencia cierta por qué losátomos se condensan en tubos, pero parece que pueden crecer añadiendo átomosa sus extremos, igual que una tejedora va agregando puntos a la manga de unjersey.

3. NOTICIASRESIENTES (Estado del Arte)

El campo de la Nanotecnología y los nanotubos aun esta en suetapa temprana de infancia, por esa razón se citarán a continuación algunasde las noticias más relevantes que han ocurrido en el transcurso de los pocos añoseste siglo, siendo un gran protagonista de innovaciones la Compañía IBM consus fabulosos Laboratorios de investigación.

3.1. Gran avance de IBM podría dar lugar aintegrados más pequeños

(30 de abril, 2001,www.cnnenespanol.com)

NUEVA YORK, Estados Unidos - IBM anunció que sus científicos han hecho unavance de tal magnitud en el ámbito de la tecnología utilizada para fabricartransistores, que algún día podría dar lugar a la creación de una nuevaclase de circuitos integrados comerciales mucho más rápidos y pequeños.

Los investigadores divulgaron que han construido la primera matriz detransistores hecha de nanotubos de carbono -minúsculas estructuras cilíndricasde carbono, unas 50.000 veces más delgadas que el cabello humano.

Según IBM, ya habían logrado construir transistores 500 veces más pequeñosque los actuales transistores de silicio mediante este material, pero reciénahora han descubierto un proceso que les permitiría fabricarlos en formamasiva.

"Podemos fabricar buenos semiconductores a partir de nanotubos decarbono", dice Tom Theis, director de ciencias físicas para eldepartamento de investigación de IBM.

"Lo que nuestra gente ha estado haciendo es tratar de descubrir cómohacerlos mejores y más rápidos para poder continuar estudiando sus propiedadesy desarrollándolos", agrega. "Nuestro objetivo a largo plazo esllegar a determinar si serán lo suficientemente buenos como para reemplazar alsilicio en los dispositivos microelectrónicos".

10 átomos de ancho

Los investigadores de IBM dicen que han descubierto unproceso mediante el cual pueden crear tandas de transistores nanotubulares detan sólo 10 átomos de ancho. Hasta ahora, los nanotubos debían ser ubicadosuno por uno u obtenidos por azar, informó IBM.

Los científicos están en busca de nuevos materiales y métodosde 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 aun punto en que sea físicamente imposible continuar miniaturizando losintegrados de silicio.

Los nanotubos de carbono constituyen la fibra más resistenteque pueda encontrarse en la naturaleza, debido a la fuerza de sus uniones, lamisma que hace tan duros a los diamantes. Es por ello que podrían serutilizados para construir toda clase de materiales ultra livianos y ultraresistentes. IBM estudia los nanotubos de carbono ya que son conductores eléctricosextremadamente buenos, dice Theis, lo cual los convierte en cables excelentes.

"Pueden transportar mayor corriente por área, máselectrones por cada pequeña sección de tubo que cualquier otro conductorconocido", dice. "Mucho más de lo que podría transportarse a travésde un cable de cobre, que actualmente se utiliza para los integrados".

Theis agrega que cuando los tubos son alineados en unaestructura recta pueden formar un cable, pero mediante una torcedura o muesca enla estructura se convierten en semiconductores.

Desarrollo inminente

Un semiconductor conduce sólo la cantidad de electricidadnecesaria para poder encenderlo o apagarlo aplicando un campo eléctrico. Asíes como funcionan los transistores, y como se trabaja actualmente con losintegrados de silicio.

"Lo mismo se puede hacer con un nanotubo decarbono", dice Theis.

El gran logro de IBM ha sido el de superar la tendencianatural de estas dos estructuras --la recta y la retorcida que producesemiconductores-- a adherirse una con otra. Si ello ocurre, se pierde lacapacidad de aplicar corriente al semiconductor.

El proceso desarrollado por IBM consiste en aplicar una máscarade protección sobre los tubos semiconductores, aislándolos efectivamente de laelectricidad. Luego se aplica una descarga eléctrica que destruye los tubos metálicosque no son semiconductores, dejando intactos a los que sí lo son.

IBM espera poder tener esta tecnología lista para eldesarrollo de productos en un plazo de tres años.

3.2. IBM sustituye el siliciopor los átomos de carbono

(20/05/2002, por www.Baquia.com)El viejo Gran Azul asegura en la publicación Applied Physics Letters habercreado un nuevo tipo de chip que supera con creces las prestaciones de lostradicionales fabricados con silicio, reduciendo significativamente su tamaño,por lo que puede ser la clave de futuras computadoras mucho más pequeñas ypotentes. La principal compañía fabricante de computadoras personales haempleado unos nanotubos, elaborados con átomos de carbono.

Pero de todas maneras, como asegura el director denanotecnología de IBM Research Phaedon Avouris, "el (pequeño) tamaño esmuy importante, pero esta ligeramente sobredimensionado". Lo realmentetrascendental es la potencia que demuestren estos chips, y lo cierto es quesuperan con creces a sus hermanos de silicio y metal ya que son capaces dedoblar la cantidad de electricidad que transportan.

Los investigadores llevan desde hace tiempo estudiandoposibles 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 imposibleseguir mejorando los chips si se continúa empleando ese material. Y ya se veíadesde hace bastante que la respuesta iba a estar en la Nanotecnología, laciencia que maneja las cosas a escala molecular y que aún está en su primerainfancia.

3.3. IBM demuestra que los nanotubos pueden sermejores que el silicio.

(22/05/2002, Dealer World, www.idg.es/dealer)IBM "International Business Machines Corporation" acaba de anunciarque ha mejorado sus transistores de nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas eninglés) 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 detubo con una configuración tal para constituir un transistor. Los científicosdel centro de investigaciones T.J. Watson Research Center de IBM, con sudirector Shalom Wind. situado en Nueva York, han logrado la mayor capacidad deconducción de corriente de cualquier transistor CNT hasta la fecha y más deldoble 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 chipsalcance la barrera física en que el silicio ya no pueda ser más pequeño. Esdecir, un plazo aproximado de entre 10 a 15 años.

Los prototipos desarrollados en los laboratorios mostraron excelentescaracterísticas eléctricas, con facilidad para encenderse y apagarse yconducir electricidad incluso a bajos voltajes. Este último avance esimportante si se tiene en cuenta que los anteriores prototipos necesitabantensiones de hasta 20 voltios para encenderse y apagarse.

Estos intentos previos se basaban en una oblea de silicio, usando el siliciomismo para controlar el flujo de electricidad. Esto funcionaba, pero significabaque todos los transistores tenían que encenderse y apagarse a la vez. Sinembargo, la nueva estructura establece la entrada y salida de electricidad sobreel 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 delgadonanotubo en lugar de una lámina plana de silicio". El nuevo transistor denanotubo de carbono puede encenderse con una tensión de 1 voltio o menos, comoresultado de esta capa aislante, y operar de manera independientemente.
Para ejemplificar este avance, Wind ponía un claro ejemplo. "Es como sihubiésemos desarrollado anteriormente un nuevo tipo de lámpara eléctrica quefuncionaba, pero que necesitaba altos voltajes, no era muy brillante y uno teníaque encender todas las luces de la casa a la vez. Ahora, podemos hacer que las lámparassean más brillantes, que usen menos potencia, y encenderlas y apagarlasindividualmente".

Esta investigación pone a la tecnología de nanotubos de carbono más cercade convertirse en una opción viable para reemplazar al silicio.

3.4. Proyecto 'MILLIPEDE' de IBM demuestradensidades de datos del orden de billones de bits.

Publicado en Junio del 2002, inaugural issue of IEEE Transactions onNanotechnology.

México, D.F., 26 de junio de 2002.- Una densidad de datos de 25 DVD´s, enun area 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 delorden de un billón de bits por pulgada cuadrada, 20 veces superiores a las máximasdensidades de almacenamiento magnético actualmente disponibles.

Esta notable densidad, suficiente para almacenar 25 millonesde páginas de texto en una superficie del tamaño de un sello postal, es uno delos logros científicos alcanzados por los investigadores que participan en elproyecto llamado en código "Millipede". En lugar de usar medios magnéticoso electrónicos tradicionales para almacenar datos, Millipede usa miles deafiladas puntas de escala nanométrica para crear muescas que representan bitsindividuales en una delgada película de plástico. El resultado es semejante auna versión nanotecnológica de la venerable "tarjeta perforada" paraprocesar datos.

Este método único es de escala más pequeña que lastecnologías tradicionales y, además de ser reescribible, puede operarse conmenos requisitos energéticos. Los científicos de IBM creen que es posiblealcanzar densidades de almacenamiento incluso mayores. "Puesto que unapunta de escala nanométrica puede singularizar átomos individuales, prevemosmejoras ulteriores más allá de este fantástico hito terabit", comentóGerd Binnig, ganador del Premio Nobel y una de las fuerzas impulsoras delproyecto Millipede. "Si bien las tecnologías de almacenamiento actualespueden estar llegando a sus límites fundamentales, este enfoque nanomecánicoes potencialmente válido para multiplicar miles de veces la densidad dealmacenamiento de datos".

La demostración terabit empleó una sola punta que hacíamuescas de sólo 10 nanómetros de diámetro, cada marca es 50.000 veces máspequeña que el punto en que concluye esta oración. Aún cuando el concepto seha demostrado usando un montaje experimental de más de 1.000 puntas, el equipode investigación está desarrollando ahora un prototipo que se espera completara principios del año próximo y que despliega más de 4.000 puntas simultáneaactivas en un campo de 7 mm cuadrados. Tales dimensiones permitirán empacar unsistema completo de almacenamiento de datos de gran capacidad en el formato máspequeño usado ahora por la memoria relámpago.

Aunque en el cercano plazo no se espera que la memoria relámpagoexceda capacidades de 1 a 2 GB, la tecnología Millipede podría empacar de 10 a15 GB de datos en el mismo formato diminuto, sin requerir más potencia paraoperar el dispositivo.

"El proyecto Millipede podría brindar tremendascapacidades de datos a dispositivos móviles tales como asistentes personalesdigitales, teléfonos celulares y relojes multifuncionales", comenta PeterVettiger, líder del proyecto Millipede. "Además de eso, estamosexplorando el uso de este concepto en otras aplicaciones diversas, por ejemploen procesos gráficos microscópicos de superficies grandes, en litografías deescala nanométrica y en la manipulación atómica o molecular".

4. TUBOSRETORCIDOS

La composición y la geometría de los nanotubos de carbonoengendran, con independencia de su formación, una complejidad electrónica única.Ello se debe, en parte, al tamaño, pues no olvidemos que la física cuánticamanda a escala nanométrica. Pero el propio grafito constituye, de suyo, unmaterial muy especial. Si la mayoría de los conductores eléctricos son ometales o semiconductores, el grafito pertenece al grupo restringido de lossemimetales, instalado, en un delicado equilibrio, en la zona de transiciónentre aquéllos. Combinando las propiedades semimetálicas del grafito con lasreglas cuánticas de niveles de energía y ondas electrónicas, los nanotubos decarbono surgen como conductores exóticos.

Impone cierta regla del mundo cuántico que los electrones secomporten como partículas; las ondas electrónicas se amplifican o cancelanentre sí. Por consiguiente, un electrón que se distribuya alrededor de lacircunferencia de un nanotubo puede autocancelarse por completo; y quedarán sólolos electrones con idéntica longitud de onda correcta. De todas las posibleslongitudes de onda electrónicas, o estados cuánticos, que haya en una láminaplana de grafito, sólo un pequeño conjunto estará permitido cuando se enrollepara formar un nanotubo. El conjunto dependerá de la circunferencia delnanotubo, como también de si el nanotubo se retuerce a la manera de losanuncios luminosos de una barbería.

Al rebanar unos cuantos estados electrónicos de un metal oun semiconductor simples no se producen muchas sorpresas. Los semimetales, encambio, son mucho más sensibles. Y, por tales, más interesantes los nanotubosde carbono. En una lámina de gráfico, el punto de Fermi, cierto estado electrónicoespecífico, confiere al gráfico casi toda la conductividad que esgrime; enningún otro estado gozan de libertad de movimiento los electrones. Sólo untercio de todos los nanotubos de carbono combina el diámetro correcto y elcorrespondiente grado de torsión para incluir este punto de Fermi especial ensu conjunto de estados permitidos. Estos nanotubos son auténticosnanofilamentos metálicos.

Los dos tercios restantes de nanotubos son semiconductores.Eso significa que necesitan, igual que el silicio, una aportación adicional deenergía para dejar fluir la corriente. Una ráfaga de luz o un voltaje puedenllevar los electrones desde los estados de valencia hasta los estados deconducción, donde se mueven con libertad. La cantidad de energía requeridadepende de la separación entre ambos niveles, es decir, del intervalo de bandade un semiconductor. Gracias a esos intervalos los semiconductores resultan tanútiles en los circuitos. Merced a un amplio repertorio de materiales condiferentes intervalos de banda, los ingenieros han creado la rica bateríaactual de dispositivos electrónicos.

Los nanotubos de carbono no tienen todos el mismo intervalode banda, porque para cada uno circunferencia existe un conjunto exclusivo deestados permitidos de valencia y de conducción. Los nanotubos de carbono notienen todos el mismo intervalo de banda, porque para cada circunferencia existeun conjunto exclusivo de estados permitidos de valencia y de conducción. Losnanotubos de menor diámetro cuentan con muy pocos estados muy separados enenergía. Al aumentar el diámetro de los nanotubos, se admiten cada vez másestados y la distancia entre ellos acorta. Acontece, pues, que nanotubos dediferente tamaño pueden tener intervalos de banda nulos (cero, igual que unmetal), de la magnitud del intervalo de banda del silicio o de casi cualquiervalor entre ambos extremos. Ningún otro material conocido puede afinarse consemejante facilidad. Pero el crecimiento de los nanotubos produce todavía unmontón de geometrías dispares. por eso los investigadores se afanan en la búsquedade mecanismos que nos garanticen tipos específicos de nanotubos.

Los nanotubos gruesos de pared múltiple pueden desarrollarincluso un comportamiento más complejo. Cada capa del tubo presenta una geometríaalgo distinta. Si pudiéramos diseñar a medida la composición de cada uno, sehabría cumplido el sueño de fabricar tubos con pared múltiple que seanautoaislantes o que transporten señales múltiples al instante, como cablescoaxiales nanoscópicos. Nuestro conocimiento y control del crecimiento de losnanotubos se hallan muy lejos de tales metas. No obstante, al incorporarnanotubos en circuitos operativos hemos comenzado, por lo menos, a desentrañarsus propiedades básicas.

5.NANOCIRCUITOS

(llegando a los Terahertz en la velocidad de conmutación delos transistores)

Varios grupos de investigación, han construido con éxitodispositivos electrónicos operativos a partir de nanotubos de carbono. Enalgunos transistores de efecto de campo (FET) utilizan nanotubos semiconductoressencillos entre dos electrodos metálicos para crear un canal por donde circulanlos electrones. La corriente que fluye a través del mismo puede activarse odesactivarse aplicando voltaje a un tercer electrodo inmediato. Los dispositivosbasados en nanotubos funcionan a temperatura ambiente con características eléctricasnotablemente similares a los dispositivos comerciales de silicio. Otros gruposde investigación han encontrado que el electrodo de la puerta puede cambiar laconductividad 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, elFET de nanotubo conmutaría sin errar y consumiendo mucha menos energía que undispositivo de silicio . En teoría un conmutador fabricado a nanoescalapodría trabajar a velocidades cronométricas de un terahertz o más, mil vecesmás deprisa que los procesadores disponibles.

Ante el amplio abanico de intervalos de banda yconductividades propios de los nanotubos, son múltiples las posibilidades quese abren para nanodispositivos adicionales. En el laboratorio, al medir unionesde nanotubos metálicos y semiconductores se ha observado que estas se comportancomo diodos, permitiendo que la electricidad circule en una sola dirección. Enlínea de principio, las combinaciones de nanotubos con diferentes intervalos debanda 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 versionesminúsculas de dispositivos al uso sino también otros nuevos que exploren losefectos cuánticos.

Imagen de nanotubos depositados sobre electrodos de Oro (Au)fabricados

mediante litografía por haz de electrones.

Hasta ahora, apresurémonos a decirlo, los circuitos connanotubos se han fabricado uno a uno y con sumo esfuerzo. Aunque aun no se hadeterminado un único protocolo de construcción de los nanotubos y cada grupode investigación sigue su propio protocolo para fijar un nanotubo a loselectrodos metálicos tradicionales, en todos se recure a la combinación delitografía tradicional para los electrodos con herramientas de gran resolución,como microscopios de fuerza atómica, para colocar los nanotubos. Ni que decirtiene que queda un largo camino hasta la producción industrial, compleja,automatizada y paralela de microchips como la de silicio sobre la que asienta laindustria informática.

5.1. COMO FABRICARLOS "transistorese hilos de interconexiones "

Partimos de que podamos pensar en la fabricación de unaestructura de circuitos, fundada en nanotubos, habrá que encontrar métodos dedesarrollo 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 unsustrato, se obtienen nanotubos que crecen donde se quiera. En Harvard se haencontrado una forma de unir nanotubos con nanofilamentos de silicio, hilvanandoconexiones 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, otrosse adelantaron en si fabricación. Sin saberlo, los hombres de Neandertalfabricación cantidades minúsculas de nanotubos en las hogueras con quecalentaban sus cuevas. Separados por el calor, los átomos de carbono serecombinan en el hollín; unos engendran glóbulos amorfos, otros unas esferasllamadas "buckybolas" y otros largas cápsulas cilíndricas, los"buckytubos" o nanotubos. La ciencia ha descubierto tres formas defabricar hollín que contiene una proporción notable de nanotubos. Hasta ahora,sin embargo, los tres métodos sufren algunas limitaciones importantes: todosproducen mezclas de nanotubos con una amplia gama de longitudes, muchos defectosy variedad de torsiones.

Una gran chispa

En 1992 Thomas Ebbeser y Pullickel M. Ajayan, del laboratoriode investigación Fundamental de NEC, publicaron en primer método de fabricaciónde cantidades macroscópicas de nanotubos. Consiste en conectar dos barras degrafito a una fuente de alimentación, separarlas unos milímetros y accionar uninterruptor. 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 acondensar en forma de nanotubos.

Rendimiento normal: Hasta un 30 por ciento en peso.

Ventaja: las altas temperaturas y los catalizadores metálicosañadidos a las barras puede producir nanotubos de pared única y múltiple conpocos defectos estructurales, si alguno.

Limitaciones: Los tubos tienden a ser cortos (50 micras omenos) 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 químicaen fase vapor (CVD). Se coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600 gramoscentígrados y lentamente se añade metano, gas, libera átomos de carbono, quese 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 lostres métodos para su aplicación a escala industrial. Podría emplearse parafabricar nanotubos largos, necesarios en las fibras empleadas en materialescompuestos.

Limitaciones: Los nanotubos fabricados así suelen ser depared múltiple y a veces están plagados de defectos. De ahí que los tubostengan sólo una décima de la resistencia a la tracción respecto a losfabricados por la descarga de arco.

Un Bombardeo con láser

Se acopaban un grupo de la Universidad de Rice, del bombardeode un metal con pulsos intensos de láser para producir moléculas metálicas másextravagantes cuando les llegó la noticia del descubrimiento de los nanotubos.En su dispositivo sustituyeron el metal por barras de grafito. No tardaron enproducir nanotubos de carbono utilizando pulsos de láser en lugar deelectricidad para generar el gas caliente de carbono a partir del que se formanlos naotubos. Ensayaron con varios catalizadores y lograron, por fin, lascondiciones 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 gamade diámetros que se pueden controlar variando la temperatura de reacción.

Limitaciones: Este método necesita laseres muy costosos.

Hablamos de tímidos pasos. Con todo, suficientes paraentrever la aplicación de nanotubos de carbono como transistores e hilos deinterconexiones en los circuitos de microchips. Estos filamentos, de unos 250nanómetros de anchura, son metálicos. A los ingenieros les encantaríanlograrlos mucho menores, para así integrar más dispositivos en la misma sección.Pero la miniaturización ulterior de los hilos metálicos ha de vencer dosdificultades imponentes. En primer lugar, no contamos todavía con un métodoeficaz para disipar el calor generado por los dispositivos; si apretaran más seprovocaría un rápido sobrecalentamiento. En segundo lugar, al afilas los hilosmetálicos y, en breve tiempo, los filamentos se degradarían, como fusiblesfundidos.

En teoría los nanotubos podrían resolver ambos problemas.Los nanotubos de carbono conducen el calor a la manera casi del diamante o alzafiro; idea que parece confirmada en experimentos provisionales. Los nanotubospodrían, pues, refrigerar eficientemente series muy densas de dispositivos.Además por ser los enlaces entre átomos de carbono mucho más fuertes que losde cualquier otro metal, los nanotubos pueden transportar enormes cantidades decorriente eléctrica; las medidas recientes muestran que un manojo de nanotubosde un centímetro cuadrado de sección transversal podría conducir unos milmillones de Amperé. Estas corrientes tan altas vaporizarían el cobre o el oro.

6. LOS FULLERENOS

Desde hace varios años se ha aprendido bastante sobre la estructura ypropiedades del carbono en sus formas alotrópicas conocidas: el grafito, eldiamante y fullerenos.

En 1985 se descubrió la tercera forma alotrópica de carbono, se trataba deuna sustancia donde cada molécula poseía sesenta átomos de carbono; estedescubrimiento fue una antesala y un incentivo a la búsqueda de nuevosmateriales llegando al descubrimiento coincidencial de los nanotubos.

Los fullerenos son mucho más abundantes de lo que pensamos, incluso esposible que sean más abundantes que el grafito y el diamante; los podemoshallar en el humo y el hollín de combustiones, los hallamos al estudiar lasestrellas y el espacio interestelar, o bien en las capas terrestres que nosmuestran las eras geológicas del planeta, también se han hallado fullerenos enlos meteoritos que caen a la tierra. Últimos estudios también señalan quecada organismo vivo presenta cierta cantidad de fullerenos en su composición,todos estos hechos, nos dan una noción del extenso campo de estudio y de lasnumerosas líneas de investigación que pueden nacer alrededor del estudio delos 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 generalpresentan un arreglo geométrico cuasi esférico o en forma de elipsoide. En1991 se detectó una forma más de carbono, el "nanotubo". Un nanotuboes un fullereno muy grande en forma lineal.

6.1. Como se pueden ver los nanotubos?

El desarrollo alcanzado por las áreas científicas conocidas comonanociencia y nanotecnología se debe, en parte, al descubrimiento y posterioresdesarrollos del microscopio de fuerzas (AFM) y de efecto túnel (STM). AmbasMicroscopías se han configurado como herramientas indispensables parainterrogar las propiedades de sistemas de tamaño nanométrico. El carácterlocal y el preciso control de las interacciones electromagnéticas permite aestas técnicas la investigación del estado químico, mecánico o eléctrico deestructuras nanométricas, con independencia de la naturaleza de lasnanoestructuras. Estas pueden ser de tipo semiconductor, moléculas orgánicas omoléculas biológicas. Las propiedades mencionadas de los microscopios defuerzas y de efecto túnel pueden ser aprovechadas para desarrollar nuevas técnicasde modificación y manipulación de superficies a escala nanométrica. Esos métodospueden

constituir las bases para el desarrollo de nuevas técnicas de litografíapor debajo de los 10nm.

Microscopio de Fuerza.

7. PROPIEDADES YAPLICACIONES EXTREMAS DE LOS NANOTUBOS

7.1. Estudio Teórico Experimental con DiferentesElementos en el Interior de un nanotubo.

La posibilidad de introducir metales, carburos u óxidos metálicos dentro denanotubos de carbono de multicapas, puede alterar significativamente suspropiedades mecánicas y electrónicas. Algunas de las aplicaciones que tendríanlugar al sintetizar nanotubos llenos con ciertos metales serían: 1) Producirdispositivos de alta densidad de almacenamiento de datos utilizando nanotubosllenos con materiales magnéticos en su

interior, formando así nanoalambres . 2) El uso de nanotubosde carbono como emisores de electrones para pantallas de TV y monitores decomputadoras ultra delgados. Sin embargo, para poder emplear de forma comerciallos nanotubos de carbono vacíos o llenos, es necesario controlar sucrecimiento, longitud, diámetro y cristalinidad, así como reducir sus costosde producción.

Hasta el momento sólo se ha reportado la formación de nanotubos alineadosllenos con hierro por un método llamado de pirolisis, afortunadamente muchastesis Doctórales en Nanotecnología o Electrónica están enfocando su caminoen la investigación la de fabricación controlada de nanotubos.

7.2. Tabla de propiedades.

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.

7.3. Tabla de Aplicaciones.

CIENCIA O FANTASÍA

 

LA IDEA

 

 

 

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 comportamientoelectrónico de sumo interés para los ingenieros. En 1995 un grupo de laUniversidad Rice observó que, cuando se colocaban erguidos y se cargaban eléctricamente,los nanotubos de carbono semejaban varillas o tubos de alumbrado, concentrandoel campo eléctrico en sus puntas. Pero mientras una varilla de alumbradoconduce un arco de tierra, un nanotubo emite electrones desde su punta a unavelocidad prodigiosa. Como son tan agudos, los nanotubos emiten electrones avoltajes menores que los electrodos fabricados con la mayoría de otrosmateriales, y sus vigorosos enlaces de carbono permiten que los nanotubos durenmás 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 mas 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.

Investigadores de la Universidad de Houston encontraron pistas desuperconductividad en estos nanotubos. No es una resistencia cero, pero es lo máscerca que nadie se haya acercado nunca.

Actualmente no hay pruebas de ningún superconductor que funcione a unatemperatura superior a menos 143 grados, pero si descubriesen un material capazde conducir la electricidad sin resistencia a temperatura ambiente no se perderíacalor y energía, lo que significarían circuitos electrónicos mucho más rápidos.

Técnicamente se están estudiando los efectos de los campos magnéticos enfibras huecas de carbón llamadas "nanotubos de carbón multipared".Se cree que la resistencia a la conductividad no llega a ser cero porque lasconexiones entre tubos no son superconductoras.

8.2 Los nanotubos método seguro dealmacenar y transportar hidrógeno.

(Publicado en febrero del 2002) El desarrollo futuro de sistemas que tengancomo combustible el hidrógeno dependerá de si es posible o no desarrollar un métodoseguro de transporte y almacenamiento del hidrógeno. Un coche que funcionaragracias a la combustión del hidrógeno con el oxígeno, sólo produciría aguacomo residuo. Sobre el papel, es el coche ecológico perfecto. Pero su realizaciónse enfrenta a numerosos retos, entre ellos el de disponer de una forma segura detransportar y almacenar el hidrógeno. Hoy por hoy, el hidrógeno se almacena ytransporta a bajas temperaturas y en botellas de aire comprimido que deben sertratadas con sumo cuidado, ya que este gas es muy inestable y cualquier golpepuede ser peligroso.

Los nanotubos de carbono han sido propuestos como candidatos a almacenargrandes 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, trabajaen un proyecto con la empresa estadounidense Air Products para descubrir cómoalmacenar hidrógeno en nanotubos de carbono.

 Almacenan el hidrógeno como si fueran esponjas, aunque no se sabe biencómo

«Se ha comprobado que los nanotubos de carbono almacenan hidrógeno, aunqueno se sabe muy bien cómo», En diversos experimentos, explican losinvestigadores, se ha comprobado que cuando se depositan nanotubos de carbono enel 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 cantidadsaliente de gas es menor que la entrante. Esa diferencia es la correspondienteal hidrógeno que ha quedado incorporado en el nanotubo, de forma comparable acomo 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 almacenarhidrógeno, 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 hidrógenocon el nanotubo de carbono, si se mantiene la estructura molecular o no.

Esto es precisamente lo que están estudiando en el Instituto de Ciencia deMateriales de Barcelona, a través de simulaciones por ordenador. Con estassimulaciones y modelos teóricos, los investigadores diseñan los experimentosque luego se realizan en la sede de Air Products en los EE.UU.

8.3 Sensores Químicos conlos Nanotubos.

Dos grupos de investigación, uno de la Universidad de California en Berkeleyy otro de la universidad de Stanford, han mostrado que los nanotubos de carbonopodrían constituir óptimos sensores químicos, capaces de detectar diminutasconcentraciones de gases tóxicos.

La detección de moléculas gaseosas es crítica en el control ambiental, enel control de procesos químicos, en misiones espaciales y en agricultura ymedicina. Sin ir más lejos, la detección del dióxido de nitrógeno (NO2)desempeña un papel importante en el análisis de la contaminación resultantede 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 portubos adheridos lateralmente unos a otros por débiles fuerzas de van del Waals.

El carácter eléctrico, metálico o semiconductor, de los nanotubos dependede los detalles estructurales, como la forma precisa de cortar y enrollar lahoja grafítica, así como de la presencia de defectos e impurezas. Cadaconfiguración diferente es sensible a una molécula gaseosa especifica.

La extrema sensibilidad de las propiedades eléctricas a la presencia de moléculasgaseosas absorbidas en el tubo constituyen el motivo que ha llevado a proponerel uso de los nanotubos de carbono como novedosos sensores químicos.

El cambio sustancial en la resistencia, así como el cambio drástico delpoder termoeléctrico, demuestran que los nanotubos actúan como sensores de oxígenosumamente sensibles.

10. NANOUNIDADES DE MEMORIA

Aunque esta aplicación no esta directamente relacionada con los nanotubos,se

Muchos ingenieros conocen la emoción de haber diseñado un producto nuevoque luego se utiliza por doquiera. Los investigadores del laboratorio deinvestigación de IBM en Zurich, esperan gozar de este privilegio dentro de tresaños, un placer más raro: sacar a la venta un tipo de máquina del todo nuevo.

Se habla mucho de nanotecnología en estos tiempos, la nueva frontera dondelos entresijos de las máquinas no miden más de 1um. Las investigación desistemas microelectromecánicos (SMEM) – dispositivos de piezas móvilesmicroscópicas fabricadas con las misma técnicas con los que se construyen loschips informáticos -, ha armado mucho revuelo, pese a que no ofrece todavíamuchos productos comerciales. Como pueden atestiguar, ya que han invertido hastaahora seis años en uno de los primeros proyectos encaminados a crear undispositivo nanomecánico que pueda fabricarse en masa, a escalas tan diminutasla 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 unsello de correos para la cámara digital o el reproductor portátil de MP3. Noalmacenará unas decenas de megabytes de vídeo o audio, como las típicastarjetas de memoria "flash" (microcircuitos de memoria permanente),sino varios gigabytes –cantidad suficiente para guardas un buen numero de CDmusicales o varias películas-. Se podrán borrar y rescribir datos de ella. Serábastante rápida y gastará una cantidad moderada de energía.

  Si milpiés impresiona es por otra razón: porque guarda losdatos 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 pormedio de transistores. Después de décadas de progreso espectacular, esas técnicasveteranas han enfilado su recta final; ante ellas se alzan importanteslimitaciones físicas.

Características técnicos

El núcleo del proyecto Millipede es una matriz bidimensional de diminutasvigas voladizas de silicio en forma de u, de 0,5 micrómetros de espesor y 70micrómetros de largo. Cada diminuta viga voladiza termina en una puntaorientada hacia abajo, cuyo largo es inferior a 2 micrómetros. El montajeexperimental 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 delsilicio. Un refinado diseño asegura el nivelamiento preciso de la matriz depuntas respecto al medio de almacenamiento y amortigua tanto las vibracionescomo los impulsos externos. Una electrónica multiplexada con respecto altiempo, similar a la usada en los chips DRAM, direcciona cada punta para suoperación en paralela. El accionamiento electromagnético mueve con precisiónel medio de almacenamiento debajo de la matriz, en la dirección de los ejes delas "x" y de las "y", lo que permite a cada punta leer yescribir en su propio campo de almacenamiento de 10 micrómetros de lado. Lacorta 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 puntascrean pozos cónicos en pistas lineales que representan "unos"digitales. Para producir un pozo, la corrienete eléctrica circula a través dela pestaña; de esa forma se calienta una región dopada de sicilio a 400 gradosCelsius, que permite a la estructura pretensada del brazo flexionarse hastahundir la punta en el polímero. La ausencia de pozo es un "cero".

BORRADO DE UN BIT: El último prototipo del proyecto milpiés borra un bitexistente calentando la punta a 400 grados Celsius y abriendo otro pozo justo allado del pozo previamente grabado, que entonces se rellena (según la muestra).Otro método de borrado inserta la punta caliente en el pozo; el plásticorecupera entonces su forma plana original.

LECTURA DE UN BIT: Para leer datos, las puntas se calientan primero hastaunos 300 grados centígrados. Cuando una punta de barrido encuentra un pozo y seintroduce en él, transfiere calor al plástico, Así disminuye su temperatura ysu resistencia eléctrica, pero esta última sólo en una porción mínima,alrededor de una parte en unos pocos miles. Un procesador digital de señalconvierte esta señal de salida, o su ausencia en una secuencia de datos.

La capacidad de reescritura de este concepto se ha demostrada en más de100.000 ciclos de escritura/sobreescritura. Si bien el régimen binario de laspuntas individuales es del orden de kilobits por segundo, lo que representa unosmegabits en toda la matriz, circuitos electrónicos más rápidos permitiránque las palancas operen a velocidades considerablemente más altas. Losexperimentos nanomecánicos realizados en el Almaden Research Center de IBMdemostraron que las puntas individuales podían apoyar caudales binarios dehasta 1-2 megabits por segundo.

El consumo energético depende en gran medida del régimen binario al que seopera el dispositivo. Cuando se opera a velocidades de transferencia de unospocos megabits por segundo, Millipede consume aproximadamente 100 miliwatts, esdecir, una cantidad situada en la gama de la memoria relámpago(flash) yconsiderablemente por debajo de la grabación magnética.

El experimento de 1.024 puntas logró una densidad de superficie de 200gigabits (miles de millones de bits, Gb) por pulgada cuadrada. Ello representauna capacidad potencial de unos ,5 gigabytes (miles de millones de bytes, GB) enuna area de tres milimetros cuadrados. La generación siguiente de Millipedetendrá cuatro veces más puntas (4.096) en una matriz de 7 mm cuadrados (64 x64).

Para más información con animaciones computarizadas consultar en:

http://www.research.ibm.com/resources/news/20020611_millipede.shtml

CONCLUSIONES

Concienciar a los ingenieros electrónicos de la importancia en la creaciónde diminutos circuitos a partir de los atributos de los nanotubos, o tendenciasreformadoras como la del Milpiés, es de gran importancia para continuar con elcrecimiento tecnológico de la humanidad y no detenerse ante las limitaciones físicasde las tecnologías convencionales de pastillas de silicio.

11. ANEXOS: MAPA MENTAL

Criterios de Evaluación.

CRITERIO

Punto de vista del Evaluador

Punto de vista del Evaluado

Actualidad del Estado del Arte

10%

Contenido y Calidad del contenido en el Marco Teórico de la consulta

25%

Motivación e impacto personal del trabajo en el que realizó la consulta como en el lector. (Cumplimiento del Objetivo)

25%

Enfoque en la temática tratada e información con términos de ingeniería.

15%

Fuentes Consultadas

10%

Presentación

15%

 

REFERENCIAS

     

  1. Eder Zavala López, Oxana Vasilievna Kharissova, Síntesis denanotubos y fullerenos; Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No 14.
  2. R. Garcia, Nanofabricación, Nanoelectrónica Y Caracterización Por Microscopías de Fuerzas y de Efecto Túnel
  3. Nanotubos de carbono, Nuevos sensores químicos; Investigación y Ciencia, No 295, abril de 2001.
  4. Peter Vettiger, G. Cross, Gerd Binnig, otros, The "Millipede" – Nanotechnology Entering Data Storage; IEEE Transactions on Nanotechnology, vol. 1, n.º 1, páginas 39-55; marzo, 2002.
  5. Peter Vettiger y Gerd Binnig, Nanounidades de memoria ; Investigación y Ciencia, No 318, páginas 27 – 33; marzo de 2003.
  6. Philip G. Collis y Phaedon Avouris. Introducción de los nanotubos en el dominio de la electrónica; Investigación y Ciencia, No 293, febrero de 2001.
  7. Humberto Terrones, Instituto de física, Universidad Nacional Autónoma de México. Haces de nanotubos – Producción controlada; Investigación y Ciencia, No 266, noviembre de 1998.
  8. Internet: www.ibm.com,www.Baquia.com,www.idg.es/dealer,www.Noticias.com.

 

Autor:
JORGE ELIÉCER PELAEZ LONDOÑO

pelaezj@javeriana.edu.co

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