Puede llevar una computadora completa en su bolsillo hoy porque los componentes tecnológicos se han ido haciendo cada vez más pequeños desde la década de 1950. Pero para crear futuras generaciones de productos electrónicos, como teléfonos más potentes, células solares más eficientes o incluso computadoras cuánticas, los científicos deberán idear una tecnología completamente nueva en las escalas más pequeñas.

Un área de interés son los nanocristales. Estos pequeños cristales pueden ensamblarse en muchas configuraciones, pero los científicos han tenido problemas para descubrir cómo hacer que se comuniquen entre sí.

Un nuevo estudio presenta un gran avance para hacer que los nanocristales funcionen juntos electrónicamente. Publicado el 25 de marzo en Ciencia,  la investigación puede abrir las puertas a futuros dispositivos con nuevas capacidades.

"Llamamos a estos bloques de construcción súper atómicos porque pueden otorgar nuevas habilidades, por ejemplo, permitir que las cámaras vean en el rango infrarrojo", dijo el profesor de la Universidad de Chicago Dmitri Talapin, autor correspondiente del artículo. "Pero hasta ahora, ha sido muy difícil ensamblarlos en estructuras y  que hablen entre ellos. Ahora, por primera vez, no tenemos que elegir. Esta es una mejora transformadora".  

En su artículo, los científicos establecen reglas de diseño que deberían permitir la creación de muchos tipos diferentes de materiales, dijo Josh Portner, Ph.D. estudiante de química y uno de los primeros autores del estudio.

Un pequeño problema

Los científicos pueden hacer crecer nanocristales a partir de muchos materiales diferentes:los metales, los semiconductores y los imanes producirán cada uno propiedades diferentes. Pero el problema era que cada vez que intentaban ensamblar estos nanocristales en matrices, los nuevos supercristales crecían con largos "pelos" a su alrededor.

Estos pelos dificultaron que los electrones saltaran de un nanocristal a otro. Los electrones son los mensajeros de la comunicación electrónica; su capacidad para moverse fácilmente es una parte clave de cualquier dispositivo electrónico.

Los investigadores necesitaban un método para reducir los pelos alrededor de cada nanocristal, para poder empaquetarlos con más fuerza y ​​reducir los espacios entre ellos. "Cuando estas brechas son más pequeñas por solo un factor de tres, la probabilidad de que los electrones salten es aproximadamente mil millones de veces mayor", dijo Talapin, profesor del Servicio Distinguido Ernest DeWitt Burton de Química e Ingeniería Molecular en UChicago y científico principal en Laboratorio Nacional de Argonne. "Cambia mucho con la distancia".

Para afeitarse los pelos, buscaron entender qué estaba pasando a nivel atómico. Para ello, necesitaron la ayuda de potentes rayos X en el Centro de Materiales a Nanoescala en Argonne y la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, así como potentes simulaciones y modelos de la química y la física en juego. Todo esto les permitió comprender lo que estaba sucediendo en la superficie y encontrar la clave para aprovechar su producción.

Parte del proceso para hacer crecer los supercristales se realiza en solución, es decir, en líquido. Resulta que a medida que los cristales crecen, experimentan una transformación inusual en la que coexisten las fases gaseosa, líquida y sólida. Al controlar con precisión la química de esa etapa, podrían crear cristales con exteriores más duros y delgados que podrían empaquetarse mucho más juntos. "Comprender su comportamiento de fase fue un gran paso adelante para nosotros", dijo Portner.

La gama completa de aplicaciones sigue sin estar clara, pero los científicos pueden pensar en múltiples áreas a las que podría conducir la técnica. "Por ejemplo, tal vez cada cristal podría ser un qubit en una computadora cuántica; acoplar qubits en matrices es uno de los desafíos fundamentales de la tecnología cuántica en este momento", dijo Talapin.

Portner también está interesado en explorar el inusual estado intermedio de la materia que se observa durante el crecimiento de los supercristales:"La coexistencia de tres fases como esta es lo suficientemente rara como para pensar en cómo aprovechar esta química y construir nuevos materiales".

El estudio incluyó a científicos de la Universidad de Chicago, la Technische Universität Dresden, la Universidad Northwestern, la Universidad Estatal de Arizona, SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley. + Explora más

Los enlaces de nanocristales podrían conducir a una mejor electrónica, dicen los científicos