Nanocables y nanotubos, Estructuras delgadas que tienen solo unas mil millonésimas de metro de diámetro pero muchos miles o millones de veces más largas, se han convertido en materiales calientes en los últimos años. Existen en muchas formas:hechas de metales, semiconductores, aislantes y compuestos orgánicos, y se están estudiando para su uso en electrónica, conversión de energía, óptica y detección química, entre otros campos.

El descubrimiento inicial de los nanotubos de carbono, diminutos tubos de carbono puro, esencialmente hojas de grafeno enrolladas en un cilindro, generalmente se le atribuye a un artículo publicado en 1991 por el físico japonés Sumio Ijima (aunque algunas formas de nanotubos de carbono se habían observado antes). Casi inmediatamente, Hubo una explosión de interés en esta forma exótica de material común. Nanocables:fibras cristalinas sólidas, en lugar de tubos huecos, ganó una prominencia similar unos años más tarde.

Debido a su extrema delgadez, tanto los nanotubos como los nanocables son esencialmente unidimensionales. "Son materiales cuasi unidimensionales, Silvija Gradečak, profesora asociada de ciencia e ingeniería de materiales del MIT, dice:"Dos de sus dimensiones están en la escala nanométrica". Esta unidimensionalidad confiere propiedades eléctricas y ópticas distintivas.

Por una cosa, significa que los electrones y fotones dentro de estos nanocables experimentan "efectos de confinamiento cuántico, "Dice Gradečak. Y, sin embargo, a diferencia de otros materiales que producen tales efectos cuánticos, como puntos cuánticos, La longitud de los nanocables les permite conectarse con otros dispositivos macroscópicos y con el mundo exterior.

La estructura de un nanoalambre es tan simple que no hay lugar para defectos, y los electrones pasan sin obstáculos, Gradečak explica. Esto evita un problema importante con los semiconductores cristalinos típicos, como los hechos de una oblea de silicio:siempre hay defectos en esas estructuras, y esos defectos interfieren con el paso de electrones.

Hecho de una variedad de materiales, Los nanocables se pueden "cultivar" en muchos sustratos diferentes mediante un proceso de deposición de vapor. Pequeñas perlas de oro fundido u otros metales se depositan sobre una superficie; el material del nanoalambre, en vapor, luego es absorbido por el oro fundido, finalmente creciendo desde la parte inferior de esa cuenta como una delgada columna del material. Al seleccionar el tamaño de la cuenta de metal, es posible controlar con precisión el tamaño del nanoalambre resultante.

Además, los materiales que normalmente no se mezclan fácilmente se pueden cultivar juntos en forma de nanocables. Por ejemplo, capas de silicio y germanio, dos semiconductores ampliamente utilizados, "son muy difíciles de cultivar juntos en películas delgadas, "Dice Gradečak." Pero en los nanocables, se pueden cultivar sin problemas ". Además, el equipo necesario para este tipo de deposición de vapor se usa ampliamente en la industria de los semiconductores, y se puede adaptar fácilmente para la producción de nanocables.

Si bien los diámetros de los nanocables y nanotubos son insignificantes, su longitud puede extenderse por cientos de micrómetros, incluso alcanzando longitudes visibles a simple vista. Ningún otro material conocido puede producir relaciones de longitud a diámetro tan extremas:millones de veces más largas que anchas.

Debido a esto, los alambres tienen una relación extremadamente alta de superficie a volumen. Eso los hace muy buenos como detectores, porque toda esa superficie puede tratarse para unirse con moléculas químicas o biológicas específicas. La señal eléctrica generada por esa unión se puede transmitir fácilmente a lo largo del cable.

Similar, la forma de los nanocables se puede utilizar para producir láseres de haz estrecho o diodos emisores de luz (LED), Gradečak dice. Estas pequeñas fuentes de luz algún día podrían encontrar aplicaciones dentro de chips fotónicos, por ejemplo, chips en los que la información se transmite por luz, en lugar de las cargas eléctricas que transmiten información en la electrónica actual.

En comparación con los nanocables sólidos, Los nanotubos tienen una estructura más compleja:esencialmente láminas de carbono puro de un átomo de espesor, con los átomos dispuestos en un patrón que se asemeja a una malla de alambre. Se comportan de muchas formas como materiales unidimensionales, pero en realidad son tubos huecos, como un largo Pajita para beber a escala nanométrica.

Las propiedades de los nanotubos de carbono pueden variar mucho dependiendo de cómo se enrollen, una propiedad llamada quiralidad. (Es similar a la diferencia entre formar un tubo de papel enrollando una hoja de papel a lo largo y en diagonal:las diferentes alineaciones de fibras en el papel producen una resistencia diferente en los tubos resultantes). En el caso de los nanotubos de carbono, La quiralidad puede determinar si los tubos se comportan como metales o como semiconductores.

Pero a diferencia del control de fabricación preciso que es posible con los nanocables, Hasta ahora, los métodos para fabricar nanotubos producen una mezcla aleatoria de tipos, que deben clasificarse para hacer uso de un tipo en particular. Además de los nanotubos de pared simple, también existen en formas de paredes dobles y de paredes múltiples.

Además de sus útiles propiedades electrónicas y ópticas, Los nanotubos de carbono son excepcionalmente fuertes. y se utilizan como fibras de refuerzo en materiales compuestos avanzados. "En cualquier aplicación donde la unidimensionalidad sea importante, tanto los nanotubos de carbono como los nanocables proporcionarían beneficios, "Dice Gradečak.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.