Toshiba muestra un prototipo de oblea de silicio de 90 nanómetros. Ver más imágenes de nanotecnología. Yoshikazu Tsuno / AFP / Getty Images En 1965, El ingeniero Gordon Moore predijo que el número de transistores en un circuito integrado - un precursor del microprocesador - se duplicaría aproximadamente cada dos años. Hoy dia, llamamos a esta predicción Ley de Moore , aunque en realidad no es una ley científica. La ley de Moore es más una Profecía autocumplida sobre la industria informática. Los fabricantes de microprocesadores se esfuerzan por cumplir con la predicción, porque si no lo hacen, sus competidores lo harán [fuente:Intel].
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Para colocar más transistores en un chip, los ingenieros tienen que diseñar transistores más pequeños. El primer chip tenía alrededor de 2, 200 transistores en él. Hoy dia, cientos de millones de transistores pueden caber en un solo chip de microprocesador. Aún así, las empresas están decididas a crear transistores cada vez más pequeños, metiendo más en chips más pequeños. Ya existen chips de computadora que tienen transistores a nanoescala (la nanoescala está entre 1 y 100 nanómetros; un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). Los transistores del futuro tendrán que ser aún más pequeños.
Entra en el nanoalambre, una estructura que tiene un asombroso relación de largo a ancho . Los nanocables pueden ser increíblemente delgados:es posible crear un nanocable con el diámetro de solo un nanómetro, aunque los ingenieros y científicos tienden a trabajar con nanocables de entre 30 y 60 nanómetros de ancho. Los científicos esperan que pronto podamos usar nanocables para crear los transistores más pequeños hasta ahora, aunque hay algunos obstáculos bastante difíciles en el camino.
En este articulo, veremos las propiedades de los nanocables. Aprenderemos cómo los ingenieros construyen nanocables y el progreso que han logrado en la creación de chips electrónicos utilizando transistores de nanocables. En la última sección, veremos algunas de las posibles aplicaciones de los nanocables, incluidos algunos usos médicos.
En la siguiente sección, Examinaremos las propiedades de los nanocables.
¿Qué tan delgado es delgado?
El cabello humano suele tener entre 60 y 120 micrómetros de ancho. Supongamos que ha encontrado un cabello excepcionalmente fino con un ancho de 60 micrómetros. Un micrómetro es 1, 000 nanómetros, así que tendrías que cortar ese pelo al menos 60, 000 veces a lo largo para hacer una hebra de un nanómetro de espesor.
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2007 HowStuffWorks Dependiendo de lo que esté hecho, un nanoalambre puede tener las propiedades de un aislante, un semiconductor o un metal. Los aisladores no llevan carga eléctrica, mientras que los metales transportan muy bien las cargas eléctricas. Los semiconductores caen entre los dos, llevar una carga en las condiciones adecuadas. Al disponer los cables semiconductores en la configuración adecuada, los ingenieros pueden crear transistores, que actúa como un cambiar o un amplificador .
Algunas propiedades interesantes (y contradictorias) que poseen los nanocables se deben a su pequeña escala. Cuando trabaja con objetos que están a nanoescala o más pequeños, empiezas a entrar en el reino de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica puede resultar confusa incluso para los expertos en la materia, y muy a menudo desafía la física clásica (también conocida como física newtoniana).
Por ejemplo, normalmente, un electrón no puede atravesar un aislante. Si el aislante es lo suficientemente delgado, aunque, el electrón puede pasar de un lado del aislante al otro. Se llama túnel de electrones , pero el nombre realmente no te da una idea de lo extraño que puede ser este proceso. El electrón pasa de un lado del aislante al otro sin penetrar realmente en el aislante ni ocupar el espacio dentro del aislante. Se podría decir que se teletransporta de un lado a otro. Puede evitar la formación de túneles de electrones utilizando capas más gruesas de aislante, ya que los electrones solo pueden viajar a distancias muy pequeñas.
Otra propiedad interesante es que algunos nanocables son conductores balísticos . En conductores normales, los electrones chocan con los átomos del material conductor. Esto ralentiza los electrones a medida que viajan y crea calor como subproducto. En conductores balísticos, los electrones pueden viajar a través del conductor sin colisiones. Los nanocables pueden conducir la electricidad de manera eficiente sin el subproducto de un calor intenso.
A nanoescala, Los elementos pueden mostrar propiedades muy diferentes de las que esperamos. Por ejemplo, al por mayor, el oro tiene un punto de fusión de más de 1, 000 grados centígrados. Al reducir el oro a granel al tamaño de nanopartículas, disminuyes su punto de fusión, porque cuando reduces cualquier partícula a la nanoescala, hay un aumento significativo en la relación superficie-volumen. También, a nanoescala, el oro se comporta como un semiconductor, pero a granel es un conductor.
Otros elementos también se comportan de manera extraña a nanoescala. Al por mayor, el aluminio no es magnético, pero los grupos muy pequeños de átomos de aluminio son magnéticos. Las propiedades elementales con las que estamos familiarizados en nuestra experiencia diaria, y las formas en que esperamos que se comporten, pueden no aplicarse cuando reducimos esos elementos al tamaño de un nanómetro.
Todavía estamos aprendiendo sobre las diferentes propiedades de varios elementos a nanoescala. Algunos elementos, como el silicio, no cambian mucho a nivel de nanoescala. Esto los hace ideales para transistores y otras aplicaciones. Otros siguen siendo misteriosos y puede mostrar propiedades que no podemos predecir en este momento.
En la siguiente sección, Descubriremos cómo los ingenieros fabrican nanocables.
Nanotubos de carbono y puntos cuánticosLos nanocables son solo una estructura interesante que los ingenieros y científicos están explorando a nanoescala. Otros dos objetos importantes a nanoescala son los nanotubos de carbono y los puntos cuánticos. Un nanotubo de carbono es una estructura cilíndrica que parece una hoja enrollada de grafito. Sus propiedades dependen de cómo se enrolle el grafito en el cilindro:al hacer rodar los átomos de carbono en una dirección, puedes crear un semiconductor. Pero enrollarlos de otra manera puede hacer que un material sea 100 veces más resistente que el acero. Los puntos cuánticos son conjuntos de átomos que juntos actúan como un átomo gigante, aunque por gigante todavía estamos hablando de nanoescala. Los puntos cuánticos son semiconductores.
Cables de fibra óptica David Ritter, SXC Los especialistas en nanociencia hablan de dos enfoques diferentes para construir cosas en la nanoescala: enfoque de arriba hacia abajo y el enfoque de abajo hacia arriba . Un enfoque de arriba hacia abajo esencialmente significa que toma una gran cantidad del material que planea usar para los nanocables y lo corta hasta que tenga el tamaño correcto. Un enfoque de abajo hacia arriba es un proceso de ensamblaje en el que las partículas más pequeñas se unen para formar una estructura más grande.
Aunque podemos construir nanocables usando cualquier enfoque, nadie ha encontrado la manera de hacer factible la producción en masa. Ahora, los científicos e ingenieros tendrían que dedicar mucho tiempo a fabricar una fracción de la cantidad de nanocables que necesitarían para un chip de microprocesador. Un desafío aún mayor es encontrar una manera de organizar los nanocables correctamente una vez que estén construidos. Las pequeñas escalas hacen que sea muy difícil construir transistores automáticamente, ahora mismo, los ingenieros suelen manipular los cables en su lugar con herramientas mientras observan todo a través de un potente microscopio.
Un ejemplo de un enfoque de arriba hacia abajo es la forma en que los científicos fabrican nanocables de fibra óptica. Los cables de fibra óptica transportan información en forma de luz. Para hacer un nanoalambre de fibra óptica, Los ingenieros comienzan primero con un cable de fibra óptica normal. Hay algunos enfoques diferentes para reducir un cable de fibra óptica a nanoescala. Los científicos podrían calentar una varilla hecha de zafiro, enrollar el cable alrededor de la varilla, y tira del cable, estirándolo para crear un nanoalambre. Otro método utiliza un pequeño horno hecho de un pequeño cilindro de zafiro. Los científicos dibujan el cable de fibra óptica a través del horno y lo estiran en un nanoalambre delgado. Un tercer procedimiento llamado cepillado de llama usa una llama debajo del cable de fibra óptica mientras los científicos lo estiran [fuente:Gilberto Brambilla y Fei Xu].
En la siguiente sección, veremos las formas en que los científicos pueden hacer crecer nanocables de abajo hacia arriba.
Mirando la nanoescalaEl microscopio de un nanocientífico no es del mismo tipo que encontrarás en el laboratorio de química de una escuela secundaria. Cuando bajes a la escala atómica, se trata de tamaños que en realidad son más pequeños que la longitud de onda de la luz visible. En lugar de, un nanocientífico podría usar un microscopio de efecto túnel o un microscopio de fuerza atómica . Los microscopios de túnel de barrido utilizan una corriente eléctrica débil para sondear el material escaneado. Los microscopios de fuerza atómica escanean superficies con una punta increíblemente fina. Ambos microscopios envían datos a una computadora, que reúne la información y la proyecta gráficamente en un monitor.
Deposición de vapor químico (CVD) es un ejemplo de enfoque de abajo hacia arriba. En general, CVD se refiere a un grupo de procesos en los que los sólidos se forman a partir de una fase gaseosa. Depósito de científicos catalizadores (como nanopartículas de oro) sobre una base, llamado a sustrato . Los catalizadores actúan como un sitio de atracción para la formación de nanocables. Los científicos colocan el sustrato en una cámara con un gas que contiene el elemento apropiado, como el silicio, y los átomos del gas hacen todo el trabajo. Primero, los átomos del gas se unen a los átomos de los catalizadores, luego, átomos de gas adicionales se unen a esos átomos, etcétera, creando una cadena o alambre. En otras palabras, los nanocables se ensamblan solos.
Una nueva forma de construir nanocables es imprimirlos directamente en el sustrato apropiado. Un equipo de investigadores de Zúrich fue pionero en este método. Primero, tallaron un oblea de silicio de modo que las porciones elevadas de la oblea coincidieran con la forma en que querían que se dispusieran los nanocables. Usaron la oblea como un sello presionándolo contra un caucho sintético llamado PDMS . Luego dibujaron un líquido lleno de nanopartículas de oro, llamado a suspensión coloidal , a través del PDMS. Las partículas de oro se asentaron en los canales creados por el sello de la oblea de silicio. Ahora, el PDMS se convirtió en un molde capaz de transferir una "impresión" de nanocables de oro a otra superficie. Los moldes PDMS se pueden utilizar repetidamente y pueden desempeñar un papel en la producción en masa de circuitos de nanocables en el futuro [fuente:Nature Nanotechnology].
Varios laboratorios han creado transistores utilizando nanocables, pero su creación requiere mucho tiempo y mano de obra. Los transistores de nanocables funcionan tan bien o mejor que los transistores actuales. Si los científicos pueden encontrar una manera de diseñar una forma de producir y conectar transistores de nanocables juntos de manera eficiente, allanará el camino hacia los más pequeños, microprocesadores más rápidos, lo que permitirá a la industria de la computación mantenerse al día con la Ley de Moore. Los chips de computadora continuarán haciéndose más pequeños y más poderosos.
La investigación sobre la producción de nanocables continúa en todo el mundo. Muchos científicos creen que es solo cuestión de tiempo antes de que a alguien se le ocurra una forma viable de producir en masa nanocables y transistores de nanocables. Ojalá, si y cuando llegamos a ese punto, También tendremos una forma de organizar los nanocables de la forma que queramos para que podamos utilizarlos en todo su potencial.
En la siguiente sección, aprenderemos sobre las aplicaciones potenciales de la tecnología de nanocables.
Nanocables de cosecha propia de la naturalezaHasta hace poco, los científicos creían que todos los nanocables eran hechos por el hombre, pero hace un par de años los biólogos descubrieron que las bacterias pueden desarrollar sus propios nanocables. Una bacteria llamada Geobacter sulfurreducens vierte electrones en átomos de metal (los electrones son un subproducto del consumo de combustible de la bacteria). Si hay escasez de metal en el entorno de la bacteria, Crecerá un apéndice de nanocables para conducir electrones al metal más cercano, permitiendo que la bacteria consuma más combustible. Los científicos esperan construir pilas de combustible orgánicas utilizando bacterias como Geobacter sulfurreducens para producir electricidad.
El CEO de Intel, Paul Ortelli, sostiene una oblea de chips de computadora con circuitos de 32 nanómetros. Justin Sullivan / Getty Images Quizás el uso más obvio de los nanocables sea en la electrónica. Algunos nanocables son muy buenos conductores o semiconductores, y su tamaño minúsculo significa que los fabricantes podrían instalar millones de transistores más en un solo microprocesador. Como resultado, la velocidad de la computadora aumentaría dramáticamente.
Los nanocables pueden jugar un papel importante en el campo de las computadoras cuánticas. Un equipo de investigadores de los Países Bajos creó nanocables a partir de arseniuro de indio y los adjunto a electrodos de aluminio . A temperaturas cercanas al cero absoluto, el aluminio se convierte en superconductor, lo que significa que puede conducir electricidad sin ninguna resistencia. Los nanocables también se convirtieron en superconductores debido a la efecto de proximidad . Los investigadores pudieron controlar la superconductividad de los nanocables ejecutando varios voltajes a través del sustrato debajo de los cables [fuente:New Scientist].
Los nanocables también pueden desempeñar un papel importante en dispositivos de tamaño nanométrico como nanorobots . Los médicos podrían usar los nanorobots para tratar enfermedades como el cáncer. Algunos diseños de nanorobot tienen sistemas de energía a bordo, lo que requeriría estructuras como nanocables para generar y conducir energía.
Utilizando piezoeléctrico material, Los nanocientíficos podrían crear nanocables que generen electricidad a partir de energía cinética . El efecto piezoeléctrico es un fenómeno que presentan ciertos materiales:cuando se aplica fuerza física a un material piezoeléctrico, emite una carga eléctrica. Si aplica una carga eléctrica a este mismo material, vibra. Los nanocables piezoeléctricos podrían proporcionar energía a sistemas de tamaño nanométrico en el futuro, aunque en la actualidad no existen aplicaciones prácticas.
Hay cientos de otras aplicaciones potenciales de nanocables en electrónica. Investigadores en Japón están trabajando en interruptores atómicos que algún día podrían reemplazar a los interruptores semiconductores en dispositivos electrónicos. Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable esperan que coaxial nanocables mejorará la eficiencia energética de las células solares. Debido a que todavía estamos aprendiendo sobre las propiedades de los nanocables y otras estructuras a nanoescala, podría haber miles de aplicaciones que aún no hemos considerado.
Para obtener más información sobre los nanocables y temas relacionados, siga los enlaces de la página siguiente.
Nanocables en medicinaNo todas las aplicaciones de los nanocables se encuentran en el campo de la electrónica. En la Universidad de Arkansas, Los investigadores están utilizando nanocables para revestir implantes de titanio. Los médicos han descubierto que el tejido muscular a veces no se adhiere bien al titanio, pero cuando se recubre con los nanocables, el tejido se puede anclar al implante, reduciendo el riesgo de falla del implante.
Los científicos del Instituto Gladstone de Enfermedades Cardiovasculares están experimentando con nanocables y células madre. Esperan que al hacer pasar una corriente eléctrica a través de un nanoalambre hasta la célula madre puedan dirigir cómo se diferencia la célula [fuente:Berkeley Lab].
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