¿Cómo se llega a conocer un material que no se puede ver?

Esa es una pregunta que los investigadores que estudian los nanomateriales, objetos con características en escalas submicrométricas, como puntos cuánticos, nanopartículas y nanotubos:buscan una respuesta.

Aunque los descubrimientos recientes, incluida una microscopía de súper resolución que ganó el Premio Nobel en 2014, han mejorado enormemente la capacidad de los científicos para usar la luz para aprender sobre estos objetos a pequeña escala, la longitud de onda de la radiación de inspección es siempre mucho mayor que la escala de los nanoobjetos que se estudian. Por ejemplo, Los nanotubos y nanocables, los componentes básicos de los dispositivos electrónicos de próxima generación, tienen diámetros que son cientos de veces más pequeños de lo que la luz podría resolver. Los investigadores deben encontrar formas de sortear esta limitación física a fin de lograr una resolución espacial por debajo de la longitud de onda y explorar la naturaleza de estos materiales para las computadoras del futuro.

Hoy dia, un grupo de científicos:John A. Rogers, Eric Seabron, Scott MacLaren y Xu Xie de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign; Slava V. Rotkin de la Universidad de Lehigh; y, William L. Wilson, de la Universidad de Harvard, informan sobre el descubrimiento de un método importante para medir las propiedades de los materiales de nanotubos utilizando una sonda de microondas. Sus hallazgos han sido publicados en ACS Nano en un artículo titulado:"Reflectividad de microondas de la sonda de exploración de nanotubos de carbono de pared simple alineados:obtención de imágenes de la estructura electrónica y el comportamiento cuántico a nanoescala".

Los investigadores estudiaron nanotubos de carbono de pared simple. Estos son unidimensionales, nanomateriales similares a cables que tienen propiedades electrónicas que los convierten en excelentes candidatos para las tecnologías electrónicas de próxima generación. De hecho, el primer prototipo de una computadora de nanotubos ya ha sido construido por investigadores de la Universidad de Stanford. El IBM T.J. Watson Research Center está desarrollando transistores de nanotubos para uso comercial.

Para este estudio, los científicos hicieron crecer una serie de líneas de nanotubos paralelas, similar a la forma en que se usarán los nanotubos en los chips de computadora. Cada nanotubo tenía aproximadamente 1 nanómetro de ancho, diez veces más pequeño de lo esperado para su uso en la próxima generación de electrónica. Para explorar las propiedades del material, luego utilizaron microscopía de impedancia de microondas (MIM) para obtener imágenes de nanotubos individuales.

"Aunque las imágenes de campo cercano por microondas ofrecen una herramienta 'no destructiva' extremadamente versátil para caracterizar materiales, no es una elección inmediatamente obvia, "explicó Rotkin, profesor con doble cargo en el Departamento de Física y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Lehigh. "En efecto, la longitud de onda de la radiación utilizada en el experimento fue incluso más larga que la que se usa típicamente en microscopía óptica, alrededor de 30 centímetros, que es aproximadamente 100, 000, 000 veces más grande que los nanotubos que medimos ".

Añadió:"El nanotubo, en este caso, es como una aguja muy brillante en un pajar muy grande ".

El método de imágenes que desarrollaron muestra exactamente dónde están los nanotubos en el chip de silicio. Más importante, la información entregada por la señal de microondas de los nanotubos individuales reveló qué nanotubos eran y no podían conducir corriente eléctrica. Inesperadamente, finalmente pudieron medir la capacitancia cuántica de nanotubos, una propiedad muy singular de un objeto del nanomundo, en estas condiciones experimentales.

“Comenzamos nuestra colaboración buscando comprender las imágenes tomadas por la microscopía de microondas y terminamos desvelando el comportamiento cuántico del nanotubo, que ahora se puede medir con resolución atomística, "dijo Rotkin.

Como herramienta de inspección o técnica de metrología, este enfoque podría tener un impacto tremendo en las tecnologías futuras, permitiendo la optimización de las estrategias de procesamiento, incluido el crecimiento escalable de nanotubos enriquecidos, purificación post-crecimiento, y fabricación de mejores contactos para dispositivos. Ahora se puede distinguir en un simple paso, entre nanotubos semiconductores que son útiles para la electrónica y los metálicos que pueden hacer que una computadora falle. Además, este conjunto de modos de imagen arroja luz sobre las propiedades cuánticas de estas estructuras 1D.