sábado, 26 de junio de 2010

El grafano dopado debería superconducir a 90K


Nuevos cálculos revelan que el grafano p-dopado debería superconducir a 90ºK, haciendo posible una generación completamente nueva de dispositivos enfriados por nitrógeno líquido.

Hay un problema con los superconductores de alta temperatura. Hace más de dos décadas que se descubrió que ciertos óxidos de cobre pueden superconducir a temperaturas superiores a 30 K.

Esos años estaban llenos de promesas, hipérboles y ferviente investigación. Los físicos saben ahora que los óxidos de cobre superconducen de una forma completamente distinta a los supercondcutores convencionales BCS (por Bardeen, Cooper y Schrieffer, que desarrollaron la teoría que hay bajo ellos). Y, de nuevo, nadie está de acuerdo en, precisamente, cuál es el nuevo mecanismo. Ni siquiera se ha creado un supreconductor que sea útil a temperatura ambiente, es decir, por encima de la temperatura del nitrógeno líquido.

Incluso con el resurgimiento del entusiasmo del año pasado tras el descubrimiento de que el diboruro de magnesio superconducía a altas temperaturas, probablemente de la misma forma que los BCS de la vieja escuela, pronto se dio paso al malestar cuando los físicos descubrieron que eran incapaces de basarse en tal avance para crear mejores superconductores. Es tentador pensar que los superconductores nunca superarán la barrera del nitrógeno líquido.


Pero hoy se recupera la esperanza gracias a un fascinante conjunto de cálculos llevados a cabo por Gianluca Savini de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido y un par de colegas. Calcularon las propiedades del grafano p-dopado a partir de sus principios básicos y dicen que debería superconducir a la templada temperatura de 90K o más, bien dentro del rango de enfriamiento del nitrógeno líquido.

Es más, el grafano p-dopado debería superconducir de la misma forma que lo hacen los viejos superconductores BCS. Esto es curioso debido a que todo el mundo cree que la superconductividad BCS no puede funcionar a temperaturas altas.
La razón es la energía de la interacción entre los electrones superconductores y el material que los rodea. En los superconductores BCS comunes ésta se cree que es de apenas una decena de meVs. En los óxidos de cobre, no obstante, estas interacciones tienen una energía de unos cientos de meVs. Esta diferencia es la que hace que los físicos crean que los superconductores BCS nunca trabajarán a la temperatura de los óxidos de cobre.
Y aunque el descubrimiento del diboruro de magnesio superconductor desafía esa idea – la energía de estas interacciones en el MgB2 es mucho mayor. Parece haber tres factores que se unen para hacerlo posible, dicen Savini y compañía. El primero es la energía característica de los fonones en el MgB2 la cual se debe a la extensión de los enlaces y desempeña una parte importante al ayudar a los superconducotres a través de la estructura. Segundo es la densidad de estados de los electrones en el material y finalmente señalan al equilibrio entre el acoplamiento electrón-fonón y la interacción repulsiva electrón-electrón en MgB2.
¿Podría ser posible encontrar materiales en los que estas cantidades puedan ser manipuladas aún más? Puedes apostar que sí. Savini y sus colegas observaron que el diamante p-dopado tiene dos de estas características pero superconduce sólo a 4K.
No obstante, calculan que el grafano p-dopado encaja perfectamente y debería superconducir a 90K en la forma de los viejos BCS. Es más, dicen que hay pistas de que los nanocables de diamante p-dopado podrían tener propiedades similares.
Las implicaciones de todo esto son asombrosas. Primero está la posibilidad de dispositivos superconductores útiles enfriados sólo por nitrógeno líquido. ¡Por fin!
Pero hay otra implicación más exótica: creando puertas similares a las de un transistor a partir del grafano dopado de distintas formas, debería ser posible crear dispositivos en los que pueda activarse y desactivarse la superconductividad. Esto hará posible una clase totalmente nueva de conmutadores.


Antes de todo eso, no obstante, alguien tiene que hacer el grafano p-dopado. Será difícil. El propio grafano apenas se fabricó por primera vez el año pasado en la Universidad de Manchester. Sería entretenido seguir la carrera para crear y probar la versión p-dopada.
Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
Sección 2.

Cuasicristales Naturales

Desde hace siglos se sabe que los sólidos pueden ser cristalinos o amorfos. En un sólido cristalino o cristal, los átomos o moléculas están organizados de forma simétrica en celdas que se repiten periódicamente en el espacio, mientras que en un sólido amorfo no existe esa simetría.


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e1/Penrose_tiling.jpg

Las simetrías de un cristal son de dos tipos: de traslación y de rotación. La simetría de traslación significa que la estructura del cristal es periódica, o sea que es la misma alrededor de todas sus celdas elementales. La simetría de rotación implica que la estructura del cristal se mantiene invariante si se le aplica una rotación de un cierto ángulo. En nuestro mundo tridimensional, esos ángulos de rotación están limitados a unos pocos valores, en concreto, 180º, 120º, 90º y 60º, o dicho de otro modo, las simetrías de rotación de los cristales sólo pueden ser de orden 2, 3, 4 ó 6. (Una simetría de rotación de orden 6, por ejemplo, significa que si la rotación se aplica 6 veces, se vuelve a la posición inicial; ésta es la rotación de 60º.) Esta limitación viene impuesta por la forma que deben tener las celdas elementales para, como en un rompecabezas, encajar unas con otras y llenar todo el espacio. Por la forma de esas celdas, todos los sólidos cristalinos se clasifican en sólo siete sistemas:

  • Cúbico (formado por cubos)
  • Tetragonal (formado por prismas rectos cuadrangulares)
  • Hexagonal (formado por prismas rectos de base hexagonal)
  • Ortorrómbico (formado por prismas rectos de base rómbica)
  • Monoclínico (formado por prismas oblicuos de base rombica)
  • Romboédrico (formado por paralelepípedos cuyas caras son rombos)
  • Triclínico (formado por paralelepípedos cualesquiera)

Sin embargo, en 1982, un grupo de investigadores de Israel, Francia y EE.UU. descubrió una aleación artificial de aluminio y magnesio cuya estructura presentaba una simetría de rotación de orden 5. El material no era amorfo, puesto que presentaba una estructura simétrica, ni cristalino, puesto que la simetría de rotación de orden 5 es incompatible con la simetría de traslación. Para describir este nuevo material, se acuñó el término "cuasicristal". Un cuasicristal se define como un sólido que presenta una estructura ordenada pero no periódica.

La estructura de los cuasicristales, aunque todavía no se entiende bien, se ha relacionado con las teselaciones aperiódicas, conjuntos finitos de figuras geométricas con las que es posible cubrir el plano de una manera no periódica. Aunque formalmente las teselaciones aperiódicas se empezaron a estudiar en el siglo XX, algunas de sus propiedades se han encontrado en motivos decorativos islámicos medievales.

Hasta ahora, todos los cuasicristales conocidos se habían fabricado artificialmente, y se pensaba que una estructura tan compleja no podía existir en la naturaleza. Pero un grupo de científicos de Italia y EE.UU. acaba de descubrir en las montañas Koryak, en el extremo oriente de Rusia, un mineral, compuesto por aluminio, hierro y cobre, cuya estructura es cuasicristalina.

Los cuasicristales no tienen solamente un interés teórico; ya se utilizan en la fabricación de rodamientos y de superficies antiadherentes para sartenes, por ejemplo. Son buenos aislantes térmicos y eléctricos, y muy resistentes al frotamiento.

Cuasicristales por Youtube


Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
Sección 2

Memristor: computadoras más rápidas y baratas

El "memristor" es un componente de computadora que ofrece funciones de memoria y lógica en un paquete sencillo. Tiene el potencial de transformar la industria de semiconductores, permitiendo chips y computadoras más pequeñas, más rápidas, y más baratas.
memristor
Un ingeniero eléctrico de la Universidad de Michigan ha dado un paso hacia ese objetivo con la creación de un chip compuesto de memristores de escala nanométrica que puede almacenar hasta un kilobit de información. Anteriormente, sólo unos pocos circuitos memristores se habían demostrado en vez de una matriz a gran escala debido a cuestiones de fiabilidad y reproducibilidad. Aunque un kilobit no es una enorme cantidad de información, los investigadores lo consideran un avance que hará más escalable la tecnología para poder almacenar muchos más datos.
"Hemos demostrado matrices de memoria compatibles con un semiconductor complementario de óxido metálico, (CMOS, por sus siglas en inglés) de ultra alta densidad y la tecnología utilizada en la actualidad para microchips basados en un sistema de silicio memristive. Este es un primer paso importante" decía Wei Lu, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación.
La Ley de Moore que predice que la tecnología duplicará el número de transistores que caben en un circuito integrado cada dos años, se ha mantenido válida desde a mediados del año 1960. Cuantos más transistores en un chip, más rápido puede funcionar. Pero se vuelve más difícil de lograr.
Este aumento de transistores ahora se enfrenta a varios retos fundamentales y prácticos incluidos el aumento de la disipación de energía a medida que los transistores se reducen de tamaño, las dificultades en el establecimiento de todas las interconexiones necesarias, y el alto coste para reducir las variaciones de los dispositivos. Los memristores tienen una estructura más sencilla y son atractivos para aplicaciones tales como las memorias porque es mucho más fácil colocar un gran número de ellos en un solo chip para lograr la máxima densidad.
La densidad de un chip de memoria basado en memristor puede ser al menos una orden de magnitud, es decir de un factor de 10, superior a los chip basados en transistores actuales. Tales circuitos de alta densidad también pueden ser muy rápidos. Uno puede guardar datos en una memoria de memristor a tres órdenes de magnitud más rápido que una memoria flash de hoy, por ejemplo.
Otro beneficio de la memoria de memristor es que no es volátil, como lo es la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM, por sus siglas en inglés) actual. DRAM, se sobrescribe varias veces por segundo debido a que se desvanece con el tiempo. La memoria de memristor no tendría que sobrescribirse porque es más estable.
Los memristores podrían abrir paso a la memoria universal. Ya que los memristores pueden ser incluidos en los circuitos integrados, ofrecen una gran esperanza para circuitos robustos de lógica inspirados en la biología. Cada neurona en el cerebro humano está conectada a otras 10.000 neuronas mediante las sinapsis, está claro que los ingenieros no pueden lograr ese tipo de conectividad con los circuitos basados en transistores actuales. Sin embargo los circuitos de memristor podrían superar este problema.
Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
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Investigadores desarrollan la primera pantalla táctil de grafeno

El uso del grafeno en el mundo de la electrónica no sólo se limita a la fabricación de los procesadores de próxima generación, sino que también podría ser utilizado en un futuro cercano en la fabricación de pantallas táctiles con una vida útil casi ilimitada, a un bajo costo y bastante flexibles.


Lo anterior es el resultado de sendas investigaciones realizadas en paralelo en la Universidad de Texas (Estados Unidos) y en la Universidad de Corea del Sur, en las que han logrado fabricar láminas rectangulares de grafeno con la capacidad de conducir electrones y de ser totalmente transparentes.

En el caso de las investigaciones realizadas en Estados Unidos se logró fabricar una lámina cuya diagonal mide 76 centímetros y que, gracias a las propiedades conductivas del grafeno, puede ser utilizada como pantalla táctil.

Por su parte los investigadores de Corea del Sur han logrado fabricar láminas de mayor dimensión que sus pares de Texas, con la finalidad de que sean utilizadas como reemplazo de las actuales pantallas. El objetivo principal de estos investigadores busca encontrar un material menos contaminante que los que, en la actualidad, se utilizan en la fabricación de las pantallas.

Claro que para demostrar que el grafeno puede ser utilizado como materia prima para la fabricación de pantallas, los investigadores deben demostrar que las hojas fabricadas con este material tienen una excelente calidad, dejando de lado los problemas de fracturas o discontinuidades que en la actualidad afectan su rendimiento.


Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
Sección 2

Vía libre para sustituir el silicio por grafeno en la fabricación electrónica

Tomás Palacios. Investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Este joven español dirige un equipo dedicado al grafeno, un material sobre el que se construirá la electrónica del futuro.
Tomás Palacios visitó Madrid para  impartir una conferencia sobre sus investigaciones con nuevos  materiales.










Tomás Palacios (Jaén, 1978) dejó boquiabierto al medio centenar de asistentes que decidieron acudir a la conferencia que impartió recientemente en Madrid, dentro de los cursos organizados en la Campus Party Europa. El equipo que dirige desde 2006 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) parece llamado a revolucionar la electrónica. Palacios se sonroja cuando se le mencionan diferentes foros en Internet donde se le augura un futuro Nobel de Física, una timidez que desaparece al hablar de unos elementos tan desconocidos como imprescincibles en la informática del futuro: el grafeno y el nitruro de galio. El investigador recibió el año pasado el premio que la Fundación Nacional de Ciencias de EEUU otorga a jóvenes investigadores.
Algunos consideran que su trabajo acabará con los procesadores de silicio, que dará lugar a una nueva etapa en la electrónica. ¿Exageran?
Un poco. Siempre vamos a tener silicio en la electrónica, como el cemento va a estar siempre en la construcción. Lo que sí vamos a hacer es incorporar materiales que aporten nuevas posibilidades, que construyan la electrónica del futuro.
¿Cuáles son esos materiales?
Mi equipo trabaja con el grafeno y el nitruro de galio, que se utiliza en los transistores empleados en los teléfonos móviles y en los LED y láseres azules. Es decir, todo aquel que tenga una PlayStation 3 con un lector Blu-ray tiene un dispositivo de nitruro de galio en su casa.
¿Qué aporta el grafeno a la electrónica?
El grafeno se obtiene del grafito, está formado por una capa atómica de carbono y es el material más delgado que conocemos. Pese a ello, también es el más fuerte, cinco veces más que el acero. Además, sus propiedades electrónicas son mucho mejores que las de cualquier otro material conocido. Básicamente, el grafito, que es el material que tenemos en las minas de los lápices, está formado por muchas capas de grafeno. El gran descubrimiento que posibilitó la revolución del grafeno llegó en el año 2004 en la Universidad de Manchester, cuando se consiguió aislar una de esas capas de grafeno del grafito.








¿Cuál es su utilidad práctica?
Mi grupo está trabajando en tres aplicaciones. La primera es electrónica. Con el grafeno se pueden fabricar transistores que tienen el potencial de ser entre diez y cien veces más rápidos que los de silicio. También es una única capa de átomos de carbono, lo que quiere decir que cualquier cosa que suceda en la superficie va a afectar a las propiedades del grafeno. Por tanto, es un material muy bueno para sensores, detección de moléculas, contaminación, virus, etc. Mi grupo está trabajando en biosensores. Por último, es un material transparente y conductor, por lo que se puede utilizar para células solares.
¿Por qué es un material tan desconocido?
Se estudia desde hace 50 años, pero hasta hace seis se creía que era imposible aislarlo. Cuando se logró, empezamos a hacer experimentos. Lo que hace mi grupo dentro del departamento de ingeniería electrónica del MIT es intentar encontrar aplicaciones para este nuevo material, como la fabricación de transistores.
¿Los chips de grafeno podrían multiplicar la velocidad de los superordenadores?
Esa es la esperanza de muchas empresas. Hay compañías como IBM e Intel que están interesadas en este material. Mi opinión es que esa aplicación va a ser una de las últimas que veamos para el grafeno, ya que es una de las más difíciles. La primera, que veremos previsiblemente a principio del año que viene, es utilizarlo como metal transparente para paneles solares, teléfonos móviles o monitores. En los dispositivos con una pantalla plana necesitas un material que sea conductor y transparente. Lo que se utiliza ahora es el indio, un elemento muy caro. Por eso se buscan alternativas.




Intel realiza sus propios estudios con el grafeno. ¿Comparte sus conocimientos con ellos?
En algunos proyectos se trabaja de forma independiente, pero también hay mucha colaboración entre empresas y universidades. Parte de mi financiación para estudiar el grafeno proviene de un consorcio de empresas de electrónica donde están compañías como IBM o Intel.
Una vez que conocemos las posibilidades del grafeno, ¿por qué no se comercializan chips que lo integren?
Hasta hace muy poco tiempo era muy difícil obtener suficiente grafeno como para hacerlo viable desde el punto de vista comercial. El método con el que se descubrió es lo que se llama método de la cinta adhesiva. Básicamente, se cogía un trozo de grafito que está formado por muchas capas de grafeno, se le pegaba cinta adhesiva, y al despegarlo, si había suerte, una capa de grafeno se había quedado adherida. Eso es lo que los físicos han utilizado en los últimos años para investigar, aunque por supuesto, no es viable desde el punto de vista comercial. Este ha sido uno de los frenos, aunque recientemente diversos grupos han encontrado maneras para obtener cantidades mayores de grafeno, lo que abre las puertas a nuevas aplicaciones. Otro de los frenos ha sido encontrar la aplicación idónea del grafeno. Mi grupo cree que esa aplicación son transistores, biosensores y metales transparentes.
¿Cuándo tendremos chips de grafeno en los ordenadores?
Vamos a tener monitores de grafeno antes que chips. Para esto último van a pasar al menos diez años. El grafeno se usará en los chips de dos formas: en los transistores y en el metal que se utiliza para conectarlos. En mi opinión, esa segunda opción llegará antes que la primera. En el laboratorio ya estamos haciendo chips para móviles, que van a estar en el mercado en dos o tres años y permitirán que tanto la velocidad de Internet que se puede alcanzar con el teléfono como la velocidad de transmisión inalámbrica sean mucho mayores. No todo en la informática son microprocesadores.
¿Regresaría a España para seguir investigando?
Nunca se puede afirmar algo rotundamente, pero hoy por hoy estoy muy contento en el MIT. En EEUU hay muchas facilidades para que un científico relativamente joven como yo tenga su propio grupo de trabajo e independencia para trabajar en lo que quiera.
Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
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Nanoestructuras Híbridas detectan magnetismo en la nanoescala


nanoestructuras
Un desafío clave de la investigación en nanotecnología está en conocer cómo se comportan los diferentes materiales con longitudes de sólo "una milmillonésima de un metro". Cuando se reduce a esos diminutos tamaños, muchos materiales de la vida cotidiana muestran nuevas propiedades interesantes y potencialmente beneficiosas. Ahora un grupo de ingenieros de Rensselaer han descubierto nuevas nanoestructuras híbridas que podrían allanar el camino hacia nuevos dispositivos de almacenamiento de datos, así como mejoras en sistemas de suministros farmacológicos.

El comportamiento magnético es un tipo de fenómeno que pueden cambiar significativamente dependiendo del tamaño del material. Sin embargo, el gran reto de la observación de las propiedades magnéticas de materiales a nanoescala ha impedido un estudio más profundo del tema.
Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer han desarrollado y demostrado un nuevo método para detectar el comportamiento magnético de los nanomateriales. Para ello crearon un nuevo proceso en la creación de una única multi-capa de nanotubos de carbono que se encuentra incrustado con nanoestructuras de cobalto. Las agrupaciones de cobalto tienen medidas que oscilan entre 1 y 10 nanómetros.
Después de una serie de experimentos, el equipo de ingenieros ha llegado a la conclusión de que la conductividad eléctrica de los nanotubos de carbono es lo suficientemente sensible para detectar y ser afectado por trazas de actividad magnética, como los presentes en el cobalto incorporado en las nanoestructuras. Con ello se demostró en primera instancia la detección de campos magnéticos de estos pequeños imanes individuales mediante un nanotubo de carbono.
Los resultados completos del estudio se detallan en un artículo titulado; "Detección de la actividad magnética a nanoescala a través de un único nanotubo de carbono", recientemente publicado por la revista "Nano Letters".
Dado que los grupos de cobalto en este sistema están incrustados en el interior del nanotubo más que en la superficie, esto no causa la dispersión de electrones y, por tanto, no parecen afectar al atractivo de las propiedades conductoras de acogida de nanotubos de carbono. Desde un punto de vista genérico, estas nanoestructuras híbridas pertenecen a una nueva clase de materiales magnéticos.
Estas nuevas nanoestructuras híbridas abren nuevas vías de investigación únicas en física aplicada, allanando así el camino para una mayor funcionalidad en nanotubos de carbono utilizando la electrónica magnética con un gran grado de libertad, pudiendo dar lugar a importantes aplicaciones espintrónicas.
Las posibles aplicaciones de este material con las nuevas generaciones de sensores de conductividad a nanoescala, dará lugar a nuevos avances en dispositivos de almacenamiento digital, además de un mayor desarrollo de la espintrónica, que ofrecerá nuevas aplicaciones en campos médicos.
Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
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Los Materiales Nanoestructurados

¿Que son los materiales nanoestructurados?

• Una clase general de estos materiales son aquellos con una microestructura modulada de cero a tres dimensiones con un tamaño de escala menor de 100 nm.
• Materiales con átomos agrupados ordenadamente en agrupaciones de tamaño nanométrico, los cuales son la base para construir estructuras mayores de este tipo de materiales.
• Cualquier material con una dimensión menor de 1-100nm.

Los materiales convencionales tienen un tamaño de grano que va desde los micrómetros a cientos de milímetros y contiene cientos de billones de átomos cada uno. Con un tamaño de grano nanométrico tan sólo contiene 900 átomos cada uno. Como el tamaño del grano es pequeño, hay un significativo incremento en la fracción de intercaras y fronteras de grano por volumen.

Dicho de otra forma, los granos nanoestructurados son entre mil y cien veces más pequeños que los de un material común, y además, dentro del mismo volumen poseen el 0.001 por ciento de átomos. Esta característica influye en las propiedades fisico-químicas del material. Usando una variedad de métodos de síntesis, es posible producir materiales nanoestructurados en forma de películas delgadas, envolturas de materiales, en polvos y prácticamente con cualquier forma.

Richard W. Siegel es uno de los pioneros mundiales en la investigación, fabricación y promoción de los materiales nanoestructurados. En el año 1985 comenzó su experimentación en el campo de la nanoestructuración dentro de las instalaciones del Laboratorio Nacional de Argonne. Debido al éxito que obtuvo en su trabajo, decidió explotar comercialmente sus descubrimientos con la creación de una empresa que llamó Nanophase Technologies Corporation, la cual es actualmente líder mundial en el campo de la industrialización y comercialización de materiales nanoestructurados.

Clases de materiales nanoestructurados: Hay cientos de tipos diferentes de materiales nanoestructurados. Esa gama va desde agrupaciones de átomos cero dimensional a una estructura ordenada en tres dimensiones. Cada una de estas clases tiene una dimensión en torno a un tamaño de nanómetros, como se ve en la figura 1. Las agrupaciones de átomos son definidos como una formación cero dimensional. Cualquier material formado por multitud de capas, con cada capa de un grosor en el rango de los nanómetros se clasifica como una estructura con una dimensión. Los materiales formado por una única capa que contiene un grano en su estructura extra fino (de diámetro en torno al nanómetro) se le denomina estructura con dos dimensiones. La última clase es la consistente en la estructura tres dimensional que son microestructuras o materiales en nanofase.
materiales-nanoestructurados.jpg

Síntesis:

Los métodos empleados para producir materiales nanoestructurados son numerosos, con cada método tenemos ventajas y desventajas. Las agrupaciones de átomos son típicamente sintetizadas vía condensación de vapor, el cuál consiste en la evaporación de un metal sólido seguido de una rápida condensación para formar agrupaciones del tamaño nanométrico. Siegel fue quien aplicó por primera vez este método para crear materiales nanoestructurados en cantidades industriales, el cuál patentó llamándolo como Síntesis Física de Vapor.

De este proceso resultan polvos que son esencialmente aglomeraciones de agrupaciones de átomos de tamaño nanométrico. Estos polvos pueden ser usados como masilla para componer otros materiales o consolidar la mayor parte de él. Lo más importante de este proceso es que mediante el control del ritmo de evaporación, la determinación del tipo correcto de gas y el manejo adecuado de su presión atmosférica, se puede modificar la resistencia a la fractura, la plasticidad, la elasticidad, el color, la transparencia, la resistencia a la corrosión, la reacción química, el comportamiento eléctrico y magnético, y la resistencia térmica y acústica de cualquier material nanoestructurado.

Cientos de diferentes métodos han sido desarrollados usando la condensación del vapor. Esto incluye condensar gas inerte, condensar vapor de elementos químicos, ablación láser, deposición de un haz de electrones…

Ejemplos:

Síntesis química: Ambos, metales y cerámicas pueden ser producidos usando una variedad de enfoque químico en la forma de sol gel (es una ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla) o descomposición térmica. Estos métodos proveen de grandes cantidades de aglomeraciones de tamaño nanométrico a bajo coste. El proceso químico también permite un control efectivo de la estequiometria del producto final. Sin embargo, el precursor químico puede dejar residuos que contaminen la superficie de la partícula, lo que puede llevar a dar problemas en la compactación y sinterización. Por otra parte, los polvos producidos por medio de técnicas químicas en ambiente húmedo a menudo tienen dificultades con aglomerarse.

Otros métodos:

Un método común para producir nanoestructuras en forma de polvos es a través de la deformación mecánica. Este proceso produce materiales nanoestructurados a través de una gran deformación mecánica que produce un alargamiento del grano beta precursor del material. El tamaño final del grano es función de la cantidad de energía aportada durante el proceso, la temperatura y la atmósfera, también influye en el tamaño del grano final. La mayor desventaja de este método es la posibilidad de contaminar durante el proceso por las grandes fuerzas y energías que se ven envueltas.

Los materiales nanoestructurados en tres dimensiones son también sintetizados a través de cristalización térmica de un material amorfo. Mediante el control de la nucleación y crecimiento durante el recocido de un material amorfo, uno puede producir la mayor parte del material con un tamaño de grano menor de 20nm. Este proceso está limitado por la composición del material el cuál en forma de cristal metálico tiene una microestructura amorfa.

Aplicaciones:

La empresa Nanophase Technologies Corporation fabrica y comercializa una línea de producción que abarca actualmente materiales abrasivos, catalizadores, cosméticos, magnéticos, pigmentos y recubrimientos, componentes electrónicos y cerámicas estructurales. Este último conjunto de productos permite la fabricación de partes estructurales mediante el proceso de moldeo en malla que, en un futuro inmediato, será utilizado principalmente por la industria automotriz y aeroespacial en la construcción de estructuras, motores y laminados.

Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
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Fullereno



El carbono es un elemento curioso. Se presenta en formas y colores diversos. Quizá los más comunes son sólidos negros (coke, grafito) pero también se puede presentar como el cristalino y duro diamante. Efectivamente, los diamantes están pura y simplemente formados por átomos de carbono. Claro está que en los diamantes esos átomos de carbono están ordenados de una forma muy especial, que sólo se consigue bajo presiones muy altas. Así que en este caso esas piedras tan preciosas  son escasas y caras no debido a su composición sino a las extrañas condiciones bajo las que se forman.
En cualquier caso el garfito es un material muy común y barato que se puede encontrar en las minas de los lápices. Los cristales de diamante son tan escasos y difíciles de extraer que llegamos a pagar el equivalente de muchos, muchos, muchos lápices para conseguir uno y usarlo en rituales de apareamiento.
En el grafito los átomos de carbono forman capas en las que cada átomo está rodeado por otros tres átomos idénticos a él formando una estructura hexagonal. En el diamante cada átomo de carbono está enlazado a cuatro vecinos iguales dispuestos en forma de tetrahedro.




La estructura de cada uno de estos dos materiales, es decir, el orden interno de sus átomos, es lo que determina sus propiedades. El enlace en tres dimensiones de los átomos de carbono en el diamante da lugar a una estructura más robusta y por tanto a cristales más duros que en el caso del grafito. En este último el enlace se limita a las dos dimensiones de las capas, que pueden deslizarse fácilmente entre sí lo cual da lugar a un material blando que se usa como lubricante sólido.
Todo esto se sabe desde hace ya muchos años. Pero hace poco el carbono irrumpió con fuerza de nuevo en el mundo de los materiales gracias a una aparición estelar con nuevas ropas. En 1985 se descubrió una nueva forma del carbono (de hecho una familia entera de nuevas formas). El primer miembro de esta familia y el mejor conocido es una forma con estructura esférica, compuesta por 60 átomos de  carbono, y que se muestra en la siguiente figura:




Esta bola de fórmula C60 se conoce también como "buckminsterfullerene" o simplemente "fullereno" (pronunciado 'fulereno') en honor del ingeniero americano R. Buckminster Fuller. Fuller había diseñado, ya en 1967, para la EXPO en Montreal, una cúpula geodésica en la que usaba elementos hexagonales junto con alguno pentagonal para curvar la superficie. La molécula de fullereno es verdaderamente un asombroso conjunto de 60 átomos de carbono (esferas azules en el dibujo de arriba), todos ellos equivalentes, indistinguibles, cada uno enlazado a otros tres carbonos, como en el grafito, pero con una topología peculiar,  formando parte de dos hexágonos y un pentágono que da lugar a una estructura cerrada.
Esta nueva forma del carbono se puede aislar a partir del hollín que se produce al hacer saltar un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito. Algo así como un experimento de relámpagos a escala de laboratorio.
Otros fullerenos y materiales similares han seguido al C60 en los titulares, entre ellos el C70, una molécula con forma de balón de football americano, también estructuras de capas concéntricas como las cebollas y nanotubos cilíndricos (tubos de dimensiones en nanometros, es decir 0.000000001 metros). La historia de los fullerenos es un ejemplo perfecto de un extraordinario nuevo producto químico, fruto de una excelente investigación básica, que ha dado lugar a un nuevo campo de la investigación química y al desarrollo de nuevos materiales que encontrarán sin duda numerosas aplicaciones en toda clase de dispositivos de alta tecnología.
Y ¿qué decir de su curiosa forma? Bueno... podemos asegurar que Buckminster Fuller no fue la única persona capaz de combinar sabiamente hexágonos y pentágonos para formar una esfera. Algún otro humano anónimo ya tuvo la misma idea porque el C60 es ¡exactamente idéntico a un balón de fútbol!

Fuente: http://www.cienciateca.com/ctshotmol.html
Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
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Efecto Wigner

El Efecto Wigner

Este efecto es un efecto muy curioso (y peligroso) que se da en moderadores que están formados por una estructura cristalina (berilio y grafito, especialmente este último).

Los neutrones de alta velocidad (los que se producen tras el bombardeo alfa a elementos ligeros y especialmente los producidos en una fisión) tienen mucha energía cinética, a veces de hasta 10 MeV.

En un moderator, estos neutrones chocan contra átomos ligeros, perdiendo así energía hasta ser neutrones térmicos.
Pero en cada choque, los neutrones pueden desplazar a ese átomo.

El grafito, por ejemplo, tiene esta estructura cristalina:

Si un neutrón choca contra un átomo de Carbono, este quedará desencajado, saldrá fuera de su estructura. ¿Y que es lo que pasa con este átomo?

Muy simple: que "guardará" parte de la energía cinética que le a dado el neutrón. Es como la energía potencial: un objeto, por el simple hecho de estar de 10 m de altura del suelo, tiene más energía que otro que esté a 5 m de altura.

Si tenemos un bloque de grafito actuando de moderador de un flujo de neutrones de alta velocidad, ese grafito irá guardando una energía que puede resultar muy peligrosa, ya que se puede disparar toda de golpe, causando una gran explosión como el fuego de Windscale.

¿Como evitarlo? Muy simple: teniendo ese bloque de grafito a gran temperatura. Al contrario de lo que pueda parecer, si está a alta temperatura el efecto Wigner no pueder aparecer porque los átomos tienen más libertad y se pueden reodenar sin problemas, sin que se acumule la energía. En el grafito es un mínimo de 250 ºC.
Por supuesto, a altas temperaturas cuidado con el grafito: en contacto con oxígeno puede explotar, como pasó en Chernobyl.

Si teneis en casa un bloque de grafito usado como moderador, no pasa nada, a no ser que vuestro flujo de neutrones sea alto (me refiero a más de 10^5 neutrones/min durante un tiempo prolongado).

Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido
Sección 2

Nanotubos de Carbono

Un poco de historia.
Corría el año 1991, cuando en el laboratorio de Investigación Fundamental de NEC, ubicado en la ciudad japonesa de Tsukuba, el investigador Sumio Iijima utilizaba su microscopio electrónico para observar unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín. Antes de seguir leyendo, y para tener una idea de las dimensiones de estas fibras, debemos saber que un manómetro es una unidad de longitud, y equivale a un metro dividido en mil millones de partes. O la millonésima parte de un milímetro.
De forma tan regular y simétrica como si se tratase de un cristal, estas fibras constituidas por carbono eran macromoléculas de una impresionante longitud, que debido a su forma no tardaron en llamarse "nanotubos".
Una vez superada la atracción debida a la novedad del descubrimiento, se comenzaron a realizar estudios, descubriendo propiedades extraordinarias como su superlativa elasticidad, resistencia a la tracción y estabilidad térmica. Sin embargo, quince años mas tarde, los primeros productos que incorporan nanotubos no lo hacen en razón de tales atributos, sino en virtud de sus propiedades eléctricas.
Los nanotubos de carbono que observó Iijima se denominaron nanotubos de paredes múltiples, dado que cada uno contenía cierto número de cilindros huecos de átomos de carbono uno dentro de otros, en forma concéntrica. Dos años después, Iijima con la colaboración de Donald Iijima, perteneciente a IBM, crearon los primeros nanotubos de pared única, formados exclusivamente de una capa de átomos de carbono. Ambos tipos de tubos, fabricados de modo parecido, gozan de muchas propiedades similares; las más obvias, su enorme longitud y pequeño diámetro. El modelo de pared única, de un nanómetro aproximado de diámetro, puede tener miles de nanómetros de longitud.
Estructura del Nanotubo.
Los que confiere a estos tubos su notable estabilidad es la manera en que se disponen los átomos de carbono dentro de la macromolécula. De hecho, esta misma característica es la que diferencia al diamante del grafito común. Como aprendimos en el colegio, el grafito esta compuesto por moléculas individuales de carbono unidas sin ningún tipo de organización en particular. Esta amorfosidad le confiere una muy débil resistencia (la mina de un lápiz esta hecha de grafito). En cambio, en un diamante, cuyos componentes son los mismos átomos de carbono que componen el grafito, la organización es sumamente regular, simétrica en los 3 ejes espaciales, características que le confieren esa notable dureza. En este mineral, los átomos de carbono se unen en un tetraedro de cuatro lados.
Un nanotubo es una tercera forma de agrupar átomos de carbono para lograr una estructura más grande. Podemos imaginar un nanotubo como una gran lamina de un átomo de grosor, dispuestos en los vértices de anillos hexagonales adyacentes que comparten un lado, mas o menos como la forma de un panal de abejas. Esta "lamina" esta enrollada sobre si misma para formar el nanotubo, de la misma manera que podemos enrollar una hoja de papel para hacer un tubo. No esta demasiado claro por qué los átomos se agrupan de esta forma para crear tubos, pero parece que pueden crecer añadiendo átomos a sus extremos, igual que una maquina de tejer va agregando puntos a la manga de un pulóver.
Fabricación de nanotubos.

Aunque Sumio Iijima fue el primero en ver un nanotubo, lejos estuvo de ser el primero en fabricar uno. De hecho, y sin saberlo, los hombres de Neandertal fabricaban pequeñas cantidades de nanotubos en las hogueras con que calentaban sus cuevas. En efecto, una vez separados por el calor, los átomos de carbono se recombinan en el hollín; la mayoría generando glóbulos amorfos como en el grafito, y algunos se disponen en forma de nanotubos.
La ciencia ha descubierto tres formas de fabricar hollín que contiene una proporción notable de nanotubos, cada una con ventajas y limitaciones que comentaremos a continuación:
1) La gran chispa
El primer método para la fabricaron de nanotubos en cantidades macroscópicas se remonta a 1992, y se atribuye a dos investigadores también de NEC, Ebbeser y Pullickel M. Ajayan, Consiste en conectar dos barras de grafito a una fuente de alimentación, separarlas unos milímetros y accionar un interruptor. Al saltar una chispa de 100 amperes de intensidad entre las barras, el carbono se evapora en un plasma caliente. Parte del mismo se vuelve a condensar en forma de nanotubos. Este sistema proporciona un rendimiento de hasta un 30% en peso.
Su ventaja mas destacables es las altas temperaturas y los catalizadores metálicos añadidos a las barras puede producir nanotubos de pared única y múltiple con pocos defectos estructurales (o ninguno). Pero tienen la limitación que rara vez se producen tubos de mas de 50 micras de largo, y se encuentran depositados en formas y tamaños aleatorios.

2) El gas caliente
Este método, descubierto por Morinubo Endo, de la Universidad de Shinshu, consiste en la deposición química en fase vapor (CVD). Se coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600 grados centígrados y lentamente se va adicionando metano, un gas que libera átomos de carbono, que se van recombinando en forma de nanotubos.
Trabajando de esta manera se puede obtener entre un 20% y 100% del peso original en nanotubos, con la ventaja de ser el método más sencillo para aplicar a escala industrial. La limitación que pesa sobre su espalda es que los tubos así construidos suelen ser de pared múltiple y tienen frecuentemente defectos, de ahí que tengan sólo una décima de la resistencia a la tracción respecto a los fabricados por la descarga de arco.

3) El rayo láser
Un grupo de científicos de la universidad de Rice estaba experimentando el bombardeo de un metal con pulsos intensos de láser para producir moléculas metálicas extravagantes cuando les llegó la noticia del descubrimiento de los nanotubos. Simplemente sustituyeron el metal por barras de grafito en su dispositivo y no tardaron en producir nanotubos de carbono utilizando pulsos de láser en lugar de electricidad para generar el gas caliente de carbono a partir del que se forman los nanotubos. Luego de ensayar con varios catalizadores, lograron por fin las condiciones en que se producen cantidades muy grandes de nanotubos de pared única, logrando rendimientos de alrededor de un 70 por ciento. La ventaja del láser es que permite producir nanotubos de pared única con una gama de diámetros que se pueden controlar variando la temperatura de la reacción. La desventaja radica en el altísimo costo de los láseres implicados.
Aplicaciones de los Nanotubos.

Los nanotubos han desatado la imaginación de la gente, que sueña con robots microscópicos, carrocerías de automóviles resistentes a las abolladuras, edificios a prueba de terremotos o micromáquinas capaces de reparar daños en el cuerpo humano. Sin embargo, los primeros productos que incorporan nanotubos no hacen aun nada de esto, sino en virtud de sus propiedades eléctricas. Automóviles de la General Motors incluyen piezas de plástico a las que se añaden nanotubos; de esta manera el material plástico se carga eléctricamente durante la fase de pintura para que ésta se adhiere mejor. Muy pronto saldrán al mercado dos productos de iluminación y presentación visual basados en nanotubos, uno de ellos una pantalla de TV de 42 pulgadas de diagonal.

Con el tiempo, las aplicaciones mas que mayor partido sacaran de las propiedades de los nanotubos son las que aprovechan sus características eléctricas. En principio, lo nanotubos de carbono pueden desempeñar el mismo papel que cumple el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular, donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. Aunque la industria electrónica continua llevando las dimensiones de los transistores en los chips comerciales por debajo de 200 nanómetros (esto representa solo unos 400 átomos de ancho), los ingenieros se enfrentan con grandes obstáculos para avanzar en la miniaturización. De aquí a 10 años, los materiales y los procesos sobre los que se ha basado la revolución informática comenzarán alcanzar su límite físico infranqueable, a pesar de los enormes incentivos económicos para reducir aún más los circuitos, porque la velocidad, la densidad y el rendimiento de los ingenios microeléctricos aumentan con la reducción del tamaño mínimo de los componentes. Los experimentos de los últimos años han dado esperanzas a los investigadores de que podrían fabricarse con nanotubos las conexiones y los dispositivos activos de un tamaño de diez nanómetros o inferior. Incorporados los nanotubos en circuitos electrónicos, éstos operarían más deprisa y sin consumir tanta energía como los actuales.

Según IBM, se puede entrever la aplicación de nanotubos de carbono como transistores e hilos de interconexiones en los circuitos de microchips. Actualmente, estos filamentos, de unos 250 nanómetros de anchura, son metálicos. Es deseable que sean menores, para así integrar más dispositivos en la misma superficie. Pero la miniaturización ulterior de los hilos metálicos ha de vencer dos dificultades importantes. En primer lugar, no existes todavía con un método eficaz para disipar el calor generado por los dispositivos; si apretaran más se provocaría un rápido sobrecalentamiento. En segundo lugar, el fenómeno de migración que se produce en los metales al circular una corriente eléctrica funde con el tiempo los hilos metálicos.
En teoría los nanotubos podrían resolver ambos problemas. Los nanotubos de carbono conducen el calor a la manera casi del diamante o al zafiro; idea que parece confirmada en experimentos provisionales. Los nanotubos podrían, pues, refrigerar eficientemente series muy densas de dispositivos. Además por ser los enlaces entre átomos de carbono mucho más fuertes que los de cualquier otro metal, los nanotubos pueden transportar enormes cantidades de corriente eléctrica; las medidas recientes muestran que un manojo de nanotubos de un centímetro cuadrado de sección transversal podría conducir unos mil millones de Amperes. Estas corrientes tan altas vaporizarían el cobre o el oro.
El futuro.

Si bien todo lo comentado parece maravilloso, como siempre lo mas impresionante aún esta por venir. La misma IBM, que posee varias patentes relacionadas con los nanotubos afirma que han construido la primera matriz de transistores hecha de nanotubos que son 500 veces más pequeños que los actuales transistores de silicio mediante este material, pero recién ahora han descubierto un proceso que les permitiría fabricarlos en forma masiva.
"Podemos fabricar buenos semiconductores a partir de nanotubos de carbono", dice Tom Theis, director de ciencias físicas para el departamento de investigación de IBM. Los investigadores dicen que han descubierto un proceso mediante el cual pueden crear tandas de transistores nanotubulares de tan sólo 10 átomos de ancho. Hasta ahora, los nanotubos debían ser ubicados uno por uno u obtenidos por azar, informó IBM. En otros campos, como la ingeniería civil, donde los nanotubos todavía siguen sin aplicaciones practicas, es donde se manejan proyectos que parecen extraídos de textos de ciencia ficción. De hecho, el mas ambicioso de ellos esta basado en una idea que se puede ver en libros de A. Clarke o de C. Shieffeld, y consiste en la construcción de un ascensor para ir al espacio.
Un ascensor espacial consiste en un peso ubicado en orbita geoestacionaria, a unos 30.000 km de la tierra, y un cable tendido entre este objeto y un punto debajo de el que actúa como anclaje. La idea es utilizar esta estructura para que un "ascensor" coloque carga o personas en el espacio sin tener que utilizar un cohete, de una forma sumamente segura y económica. Los ingenieros han calculado que el único material que posee la resistencia necesaria para soportar su propio peso al formar una columna de semejante longitud es… un nanotubo gigante.
Otras aplicaciones mas "sencillas" permitirían utilizar nanotubos como memorias de ordenador, de hecho IBM ha logrado grabar una densidad de datos de 25 DVD´s, en un área de 3mm cuadrados con su proyecto milpiés (Millipede). Esta notable densidad, suficiente para almacenar 25 millones de páginas de texto en una superficie del tamaño de un sello postal. En lugar de usar medios magnéticos o electrónicos tradicionales para almacenar datos, Millipede usa miles de afiladas puntas de escala nanométrica para crear muescas que representan bits individuales en una delgada película de plástico. El resultado es semejante a una versión nanotecnológica de la venerable "tarjeta perforada" para procesar datos.

Este método único es de escala más pequeña que las tecnologías tradicionales y, además de ser reescribible, puede operarse con menos requisitos de consumo. Los científicos de IBM creen que es posible alcanzar densidades de almacenamiento incluso mayores. "Puesto que una punta de escala nanométrica puede singularizar átomos individuales, prevemos mejoras ulteriores más allá de este fantástico hito ", comentó Gerd Binnig, ganador del Premio Nóbel y una de las fuerzas impulsoras del proyecto Millipede.
Estructura de un nanotubo
Microfotografía de un nanotubo

Mario Pedraza
Electrónica del Estado Sólido Sección 2