(Phys.org) —Las redes de máquinas a escala nanométrica ofrecen interesantes aplicaciones potenciales en la medicina, industria, protección y defensa del medio ambiente, pero hasta ahora ha habido un problema muy pequeño:la capacidad limitada de las antenas a nanoescala fabricadas con componentes metálicos tradicionales.

Con antenas fabricadas con materiales convencionales como el cobre, la comunicación entre nanomáquinas de baja potencia sería prácticamente imposible. Pero al aprovechar las propiedades electrónicas únicas del material conocido como grafeno, los investigadores ahora creen que están en camino de conectar dispositivos alimentados por pequeñas cantidades de energía extraída.

Basado en una red de panal de átomos de carbono, el grafeno podría generar un tipo de onda de superficie electrónica que permitiría a las antenas de solo una micra de largo y de 10 a 11 nanómetros de ancho hacer el trabajo de antenas mucho más grandes. Si bien aún no se ha demostrado el funcionamiento de las nano antenas de grafeno, los investigadores dicen que sus modelos y simulaciones muestran que las nano-redes que utilizan el nuevo enfoque son factibles con el material alternativo.

"Estamos explotando la propagación peculiar de electrones en el grafeno para hacer una antena muy pequeña que puede irradiar a frecuencias mucho más bajas que las antenas metálicas clásicas del mismo tamaño". "dijo Ian Akyildiz, profesor de la Cátedra Ken Byers en Telecomunicaciones en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto de Tecnología de Georgia. "Creemos que esto es solo el comienzo de un nuevo paradigma de redes y comunicaciones basado en el uso del grafeno".

Patrocinado por la National Science Foundation, La investigación está programada para publicarse en la revista. Revista IEEE de áreas seleccionadas en comunicaciones ( IEEE JSAC ). Además de las antenas a nanoescala, los investigadores también están trabajando en transceptores a nanoescala basados ​​en grafeno y los protocolos de transmisión que serían necesarios para la comunicación entre nanomáquinas.

El desafío de las comunicaciones es que a escala micrométrica, las antenas metálicas tendrían que funcionar a frecuencias de cientos de terahercios. Si bien esas frecuencias pueden ofrecer ventajas en la velocidad de comunicación, su rango estaría limitado por pérdidas de propagación a solo unos pocos micrómetros. Y requerirían mucha potencia, más potencia de la que probablemente tengan las nanomáquinas.

Akyildiz ha estudiado nanorredes desde finales de la década de 1990, y había llegado a la conclusión de que la comunicación electromagnética tradicional entre estas máquinas podría no ser posible. Pero luego él y su Ph.D. estudiante, Josep Jornet, que se graduó en agosto de 2013 y ahora es profesor asistente en la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, comenzó a leer sobre las asombrosas propiedades del grafeno. Estaban especialmente interesados ​​en cómo se comportan los electrones en láminas de una sola capa del material.

"Cuando los electrones del grafeno son excitados por una onda electromagnética entrante, por ejemplo, comienzan a moverse de un lado a otro, ", explicó Akyildiz." Debido a las propiedades únicas del grafeno, esta oscilación global de la carga eléctrica da como resultado una onda electromagnética confinada en la parte superior de la capa de grafeno ".

Conocida técnicamente como onda de polaritón de plasmón superficial (SPP), el efecto permitirá que las nano antenas funcionen en el extremo inferior del rango de frecuencia de terahercios, entre 0,1 y 10 terahercios, en lugar de los 150 terahercios que requieren las antenas de cobre tradicionales a nanoescala. Para transmitir, las ondas SPP se pueden crear inyectando electrones en la capa dieléctrica debajo de la hoja de grafeno.

Materiales como el oro, La plata y otros metales nobles también pueden soportar la propagación de ondas SPP, pero solo a frecuencias mucho más altas que el grafeno. Los materiales convencionales como el cobre no soportan las olas.

Al permitir la propagación electromagnética a frecuencias más bajas de terahercios, las ondas SPP requieren menos energía, lo que las coloca dentro del rango de lo que podría ser factible para las nanomáquinas operadas por tecnología de recolección de energía impulsada por Zhong Lin Wang, profesor de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech.

"Con esta antena, podemos reducir la frecuencia en dos órdenes de magnitud y reducir las necesidades de energía en cuatro órdenes de magnitud, "dijo Jornet." Usando esta antena, creemos que las técnicas de recolección de energía desarrolladas por el Dr. Wang nos darían suficiente poder para crear un vínculo de comunicaciones entre nanomáquinas ".

Las nanomáquinas de la red que imaginan Akyildiz y Jornet incluirían varios componentes integrados. Además de los nanogeneradores recolectores de energía, habría detección a nanoescala, procesamiento y memoria, tecnologías que están en desarrollo por otros grupos. El trabajo de antena y transceptor a nanoescala que se está realizando en Georgia Tech permitiría a los dispositivos comunicar la información que detectan y procesan al mundo exterior.

"Cada uno de estos componentes tendría una medida a nanoescala, pero en total tendríamos una máquina de unos pocos micrómetros, ", dijo Jornet." Habría muchas compensaciones en el uso y el tamaño de la energía ".

Más allá de dar a las nanomáquinas la capacidad de comunicarse, Se podrían combinar cientos o miles de conjuntos de transceptores y antenas de grafeno para ayudar a que los teléfonos celulares de tamaño completo y las computadoras portátiles conectadas a Internet se comuniquen más rápido.

"La banda de terahercios puede aumentar las velocidades de datos actuales en las redes inalámbricas en más de dos órdenes de magnitud, ", Señaló Akyildiz." Las velocidades de datos en los sistemas celulares actuales son de hasta un gigabit por segundo en las redes avanzadas LTE o de 10 gigabits por segundo en los llamados sistemas de onda milimétrica o de 60 gigahercios. Esperamos velocidades de datos del orden de terabits por segundo en la banda de terahercios ".

Las propiedades únicas del grafeno, Akyildiz dice:son fundamentales para esta antena y otros dispositivos electrónicos futuros.

"El grafeno es un nanomaterial muy poderoso que dominará nuestras vidas en el próximo medio siglo, "La comunidad europea apoyará a un consorcio muy grande que involucra a muchas universidades y empresas con una inversión de mil millones de euros para realizar investigaciones sobre este material".

Hasta ahora, los investigadores han evaluado numerosos diseños de nano antenas utilizando técnicas de modelado y simulación en su laboratorio. El siguiente paso será fabricar una nano-antena de grafeno y operarla usando un transceptor también basado en grafeno.

"Nuestro proyecto muestra que el concepto de nano antenas basadas en grafeno es factible, especialmente cuando se tienen en cuenta modelos muy precisos de transporte de electrones en grafeno, ", dijo Akyildiz." Muchos desafíos permanecen abiertos, pero este es un primer paso hacia la creación de nanomáquinas avanzadas con muchas aplicaciones en la biomedicina, ambiental, campos industriales y militares ".