Uno de los problemas de larga data de trabajar con nanomateriales, sustancias a escala molecular y atómica, es controlar su tamaño. Cuando su tamaño cambia, sus propiedades también cambian. Esto sugiere que el control uniforme sobre el tamaño es fundamental para usarlos de manera confiable como componentes en la electrónica.

Dicho de otra manera, "si no controlas el tamaño, tendrá falta de homogeneidad en el rendimiento, "dice Mark Hersam." No quieres que algunos de tus teléfonos móviles funcionen, y otros no ".

Hersam, un profesor de ingeniería en ciencia de los materiales, química y medicina en la Universidad Northwestern, ha desarrollado un método para separar nanomateriales por tamaño, por lo tanto, proporciona una consistencia en las propiedades que de otro modo no estaría disponible. Es más, la solución vino directamente de las ciencias de la vida:bioquímica, De hecho.

La técnica, conocida como ultracentrifugación en gradiente de densidad, es un proceso de décadas de antigüedad que se utiliza para separar biomoléculas. El científico financiado por la National Science Foundation (NSF) teorizó correctamente que podría adaptarlo a nanotubos de carbono separados, hojas enrolladas de grafeno (una sola capa atómica de átomos de carbono unidos hexagonalmente), reconocidos desde hace mucho tiempo por sus posibles aplicaciones en computadoras y tabletas, teléfonos inteligentes y otros dispositivos portátiles, fotovoltaica, baterías y bioimagen.

La técnica ha demostrado ser tan exitosa que Hersam y su equipo ahora tienen dos docenas de patentes pendientes o emitidas, y en 2007 estableció su propia empresa, NanoIntegris, comenzó con $ 150, 000 NSF subvención para pequeñas empresas. La empresa ha podido aumentar la producción en 10, 000 veces, y actualmente cuenta con 700 clientes en 40 países.

"Ahora tenemos la capacidad de producir diez veces la demanda mundial de este material, "Dice Hersam.

NSF apoya a Hersam con $ 640, 000 beca de investigación individual concedida en 2010 por cinco años. También, dirige el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de Northwestern (MRSEC), qué fondos NSF, incluido el apoyo para aproximadamente 30 miembros de la facultad / investigadores.

Hersam también ha recibido recientemente una de las prestigiosas becas MacArthur de este año, a $ 625, 000 premio sin ataduras, popularmente conocido como una subvención "genio". Estos van a personas talentosas que han demostrado una extraordinaria originalidad y dedicación en sus campos, y están destinados a alentar a los beneficiarios a explorar libremente sus intereses sin temor a correr riesgos.

"Esto nos permitirá correr más riesgos en nuestra investigación, ya que no hay 'hitos' que tengamos que cumplir, " él dice, refiriéndose a un requisito frecuente de muchos financiadores. "También tengo un gran interés en la enseñanza, así que usaré los fondos para influir en tantos estudiantes como sea posible ".

El proceso de separación de nanotubos de carbono, que Hersam desarrolló, comienza con un tubo de centrífuga. En eso, "cargamos una solución a base de agua e introducimos un aditivo que nos permite ajustar la densidad de flotación de la solución en sí, " el explica.

"Lo que creamos es un gradiente en la densidad de flotación de la solución acuosa, con baja densidad en la parte superior y alta densidad en la parte inferior, ", continúa." Luego cargamos los nanotubos de carbono y los colocamos en la centrífuga, que impulsa a los nanotubos a través del gradiente. Los nanotubos se mueven a través del gradiente hasta que su densidad coincide con la del gradiente. El resultado es que los nanotubos forman bandas separadas en el tubo de centrífuga por densidad. Dado que la densidad del nanotubo es función de su diámetro, este método permite la separación por diámetro ".

Una propiedad que distingue a estos materiales de los semiconductores tradicionales como el silicio es que son mecánicamente flexibles. "Los nanotubos de carbono son muy resistentes, "Dice Hersam." Eso nos permite integrar la electrónica en sustratos flexibles, como la ropa, Zapatos, y muñequeras para el seguimiento en tiempo real de los diagnósticos biomédicos y el rendimiento deportivo. Estos materiales tienen la combinación correcta de propiedades para realizar dispositivos electrónicos portátiles ".

Él y sus colegas también están trabajando en tecnologías energéticas, como células solares y baterías "que pueden mejorar la eficiencia y reducir el costo de las células solares, y aumentar la capacidad y reducir el tiempo de carga de las baterías, ", dice." Las baterías y células solares resultantes también son mecánicamente flexibles, y por lo tanto se puede integrar con electrónica flexible ".

Es probable que incluso resulten impermeables. "Resulta que los nanomateriales de carbono son hidrófobos, para que el agua salga corriendo de ellos, " él dice.

Los materiales a escala nanométrica ahora "pueden realizar nuevas propiedades y combinaciones de propiedades sin precedentes, ", agrega." Esto no solo mejorará las tecnologías actuales, pero habilite nuevas tecnologías en el futuro ".