Adiós silicio, hola
nanoelectrónica
- Objetivos
- Quienes
son? - Reseña
histórica - Noticias resientes (estado del
arte) - Tubos
retorcidos - Nanocircuitos
- Los
fullerenos - Propiedades y aplicaciones
extremas de los nanotubos - Donde se destacan los
nanotubos - Nanounidades de
memoria - Conclusiones
- Anexos: mapa
mental - Referencias
La historia de la humanidad se
ha visto por momentos interrumpida por grandes revoluciones
científicas y tecnológicas que han cambiado el
curso de la historia, y en ocasiones el comportamiento
y hábitos del hombre.
En un futuro a mediano plazo viviremos la próxima
revolución
de la electrónica, donde pasaremos de la
microelectrónica a la nanoelectrónica, donde la
velocidad de
procesamiento y el tamaño de los dispositivos
disminuirá considerablemente.
En Mayo del 2002 IBM anuncia que ha mejorado sus
transistores
de nanotubos de carbono (CNT,
por sus siglas en inglés)
de tal forma que su rendimiento es mayor que el de los más
avanzados transistores de silicio. Uno de los Investigadores del
centro de investigaciones
T.J. Watson Research Center de IBM, situado en Nueva York,
decía,
"Es como si hubiésemos desarrollado anteriormente
un nuevo tipo de lámpara eléctrica que funcionaba,
pero que necesitaba altos voltajes, no era muy brillante y uno
tenía que encender todas las luces de la casa a la vez.
Ahora, podemos hacer que las lámparas sean más
brillantes, que usen menos potencia, y
encenderlas y apagarlas individualmente".
Adicionalmente y de forma independiente al desarrollo e
investigaciones en nanotubos que se mostrara en el trabajo, se
incluirá la puesta en marcha de un dispositivo con
tecnología
nanométrica, una nanounidad de memoria del
proyecto
Milpiés de IBM, un dispositivo micromecánico con
componentes nanoscopicos, que podrá imponerse en un futuro
en los limites físicos a los que se aproximan los
dispositivos actuales de almacenamiento
digital que impedirán que sus capacidades
aumentes.
En pocas palabras estamos a puertas de una nueva
oportunidad, un BUM en la miniaturización, y por
consiguiente en todos los sistemas de alto
rendimiento y fidelidad; cuando el desarrollo de chips alcance la
barrera física
en que el silicio ya no pueda ser más pequeño. Es
decir, un plazo aproximado de entre 10 a 15 años
calculados por la ley de
Moore.
Con el desarrollo de este trabajo de quiere dar una gran
visión de la cantidad de innovaciones, y dispositivos
electrónicos que esperamos para las próximas
décadas.
Orientar al lector a interesarse por las nuevas barreras
que se están rompiendo, para la creación de mas
variados y mejores productos
electrónicos que integren todo tipo de adelantos en la
física de los materiales, y
descubrimientos en otras áreas del conocimientos que se
puedan integrar a la nanoelectrónica.
-Mas resistentes que el acero, más
livianos que el aluminio,
más conductores que el oro, son los súper
nanotubos. Fibras nanoscópicas, formadas por arreglos
hexagonales de átomos de carbono.
-Ahora por su parte el nanodrive, es una nanounidad de
memoria, inventada como un dispositivo nanotecnológico
pensado y diseñado para producirse a escala industrial
alrededor del 2005, es un proyecto de IBM llamado milpiés
un dispositivo micromecánico con componentes
nanoscopicos
Hace unos once años Sumio Iijima, sentado
ante su microscopio
electrónico en el laboratorio de
Investigación Fundamental de NEC en
Tsukuba, observaba unas extrañas fibras
nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín.
Constituidas por carbono, y de forma tan regular y
simétrica como los cristales, estas macromoléculas
de primorosa finura e impresionante longitud no tardaron en
llamarse nanotubos. Desde entonces han sido objeto de intensa
investigación básica. Se ha dado paso un paso
más. Ahora interesa también la ingeniería. Muchas de las propiedades
extraordinarias de los nanotubos, superlativa elasticidad,
resistencia a la
tracción y estabilidad térmica, han desatado la
imaginación, que sueña con robots
microscópicos, carrocerías de automóviles
resistentes a las abolladuras y edificios a prueba de terremotos.
Sin embargo, los primeros productos que incorporan nanotubos no
lo hacen en razón de tales atributos, sino en virtud de
sus propiedades eléctricas. Algunos automóviles de
General Motors incluyen piezas de plástico a
las que se añaden nanotubos; 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.
A largo plazo, las aplicaciones más valiosas
sacarán mayor partido de las singulares propiedades
electrónicas de los nanotubos. 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 está llevando a las dimensiones
críticas de los transistores en los chips comerciales por
debajo de 200 nanómetros, unos 400 átomos de
anchura, 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. Todavía hay
enormes incentivos
económicos para reducir aún más los
dispositivos, porque la velocidad, la densidad y el
rendimiento de los ingenios microeléctricos
aumentarán 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.
Los primeros nanotubos de carbono que observó
Iijima en 1991 se denominaron TUBOS DE PAREDES
MÚLTIPLES; Cada uno contenía cierto
número de cilindros huecos de átomos de carbono
anidados a la manera de una esponja. Dos años
después, Iijima y Donald Bethune, éste de IBM,
crearon cada uno por lado 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 obvias, su longitud y
estrechez, enormes. El modelo de
pares única, de un nanómetro aproximado de
diámetro, puede abarcar miles de nanómetros de
longitud.
Los que confiere a estos tubos su estabilidad notable es
la intensidad con que se unen los átomos de carbono entre
sí, propiedad que
explica la dureza del diamante. En este mineral, los
átomos de carbono se unen en un tetraedro de cuatro lados.
Sin embargo, en los nanotubos los átomos se disponen en
anillos hexagonales, la misma estructura que
caracteriza al gráfico; de hecho un nanotubo parece una
lámina (o varias láminas apiladas) de
gráfico enrollada en un cilindro sin costuras. No se sabe
a ciencia cierta
por qué los átomos se condensan en tubos, pero
parece que pueden crecer añadiendo átomos a sus
extremos, igual que una tejedora va agregando puntos a la manga
de un jersey.
3. NOTICIAS RESIENTES (Estado del
Arte)
El campo de la Nanotecnología y los nanotubos aun
esta en su etapa temprana de infancia, por
esa razón se citarán a continuación algunas
de las noticias más relevantes que han ocurrido en el
transcurso de los pocos años este siglo, siendo un gran
protagonista de innovaciones la Compañía IBM con
sus fabulosos Laboratorios de investigación.
3.1. Gran avance de IBM podría dar
lugar a integrados más pequeños
(30 de abril, 2001,www.cnnenespanol.com)
NUEVA YORK, Estados Unidos –
IBM anunció que sus científicos han hecho un avance
de tal magnitud en el ámbito de la tecnología
utilizada para fabricar transistores, que algún día
podría dar lugar a la creación de una nueva clase
de circuitos
integrados comerciales mucho más rápidos y
pequeños.
Los investigadores divulgaron que han construido la
primera matriz de
transistores hecha de nanotubos de carbono -minúsculas
estructuras
cilíndricas de carbono, unas 50.000 veces más
delgadas que el cabello humano.
Según IBM, ya habían logrado construir
transistores 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.
"Lo que nuestra gente ha estado haciendo es tratar de
descubrir cómo hacerlos mejores y más
rápidos para poder
continuar estudiando sus propiedades y desarrollándolos",
agrega. "Nuestro objetivo a
largo plazo es llegar a determinar si serán lo
suficientemente buenos como para reemplazar al silicio en los
dispositivos microelectrónicos".
10 átomos de ancho
Los investigadores de IBM 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.
Los científicos están en busca de nuevos
materiales y métodos de
producción que permitan aumentar aún
más la capacidad de los integrados, ya que se espera que
en el transcurso de esta década o la siguiente se llegue a
un punto en que sea físicamente imposible continuar
miniaturizando los integrados de silicio.
Los nanotubos de carbono constituyen la fibra más
resistente que pueda encontrarse en la naturaleza,
debido a la fuerza de sus
uniones, la misma que hace tan duros a los diamantes. Es por ello
que podrían ser utilizados para construir toda clase de
materiales ultra livianos y ultra resistentes. IBM estudia los
nanotubos de carbono ya que son conductores eléctricos
extremadamente buenos, dice Theis, lo cual los convierte en
cables excelentes.
"Pueden transportar mayor corriente por área,
más electrones por cada pequeña sección de
tubo que cualquier otro conductor conocido", dice. "Mucho
más de lo que podría transportarse a través
de un cable de cobre, que
actualmente se utiliza para los integrados".
Theis agrega que cuando los tubos son alineados en una
estructura recta pueden formar un cable, pero mediante una
torcedura o muesca en la estructura se convierten en
semiconductores.
Desarrollo inminente
Un semiconductor conduce sólo la cantidad de
electricidad
necesaria para poder encenderlo o apagarlo aplicando un campo
eléctrico. Así es como funcionan los
transistores, y como se trabaja actualmente con los integrados de
silicio.
"Lo mismo se puede hacer con un nanotubo de carbono",
dice Theis.
El gran logro de IBM ha sido el de superar la tendencia
natural de estas dos estructuras –la recta y la retorcida que
produce semiconductores– a adherirse una con otra. Si ello
ocurre, se pierde la capacidad de aplicar corriente al
semiconductor.
El proceso desarrollado por IBM consiste en aplicar una
máscara de protección sobre los tubos
semiconductores, aislándolos efectivamente de la
electricidad. Luego se aplica una descarga eléctrica que
destruye los tubos metálicos que no son semiconductores,
dejando intactos a los que sí lo son.
IBM espera poder tener esta tecnología lista para
el desarrollo de productos en un plazo de tres
años.
3.2. IBM sustituye el silicio por los
átomos de carbono
(20/05/2002, por www.Baquia.com)
El viejo Gran Azul asegura en la publicación Applied
Physics Letters haber creado un nuevo tipo de chip que supera con
creces las prestaciones
de los tradicionales fabricados con silicio, reduciendo
significativamente su tamaño, por lo que puede ser la
clave de futuras computadoras
mucho más pequeñas y potentes. La principal
compañía fabricante de computadoras personales ha
empleado unos nanotubos, elaborados con átomos de
carbono.
Pero de todas maneras, como asegura el director de
nanotecnología de IBM Research Phaedon Avouris, "el
(pequeño) tamaño es muy importante, pero esta
ligeramente sobredimensionado". Lo realmente trascendental es la
potencia que demuestren estos chips, y lo cierto es que superan
con creces a sus hermanos de silicio y metal ya que son capaces
de doblar la cantidad de electricidad que transportan.
Los investigadores llevan desde hace tiempo estudiando
posibles sustitutos del silicio, ya que se calcula teniendo en
cuenta la ley de
Moore (el número de transistores en un
chip se dobla cada 18 meses) que en unos 10 o 15 años
sería imposible seguir mejorando los chips si se
continúa empleando ese material. Y ya se veía desde
hace bastante que la respuesta iba a estar en la
Nanotecnología, la ciencia que
maneja las cosas a escala molecular y que aún está
en su primera infancia.
3.3. IBM
demuestra que los nanotubos pueden ser mejores que el
silicio.
(22/05/2002, Dealer World, www.idg.es/dealer)
IBM "International Business Machines Corporation" acaba de
anunciar que ha mejorado sus transistores de nanotubos de carbono
(CNT, por sus siglas en inglés) de tal forma que su
rendimiento es mayor que el de los más avanzados
transistores de silicio.
Microfotografías electrónicas de los
nanotubos
Los CNT "Carbon Nanotubes Transistors"son
moléculas en forma de tubo con una configuración
tal para constituir un transistor. Los
científicos del centro de investigaciones T.J. Watson
Research Center de IBM, con su director Shalom Wind. situado en
Nueva York, han logrado la mayor capacidad de conducción
de corriente de cualquier transistor CNT hasta la fecha y
más del doble que los transistores de silicio más
avanzados, según IBM. Sin embargo, no se espera que los
CNT reemplacen al silicio hasta que el desarrollo de chips
alcance la barrera física en que el silicio ya no pueda
ser más pequeño. Es decir, un plazo aproximado de
entre 10 a 15 años.
Los prototipos desarrollados en los laboratorios
mostraron excelentes características eléctricas, con
facilidad para encenderse y apagarse y conducir electricidad
incluso a bajos voltajes. Este último avance es importante
si se tiene en cuenta que los anteriores prototipos necesitaban
tensiones de hasta 20 voltios para encenderse y
apagarse.
Estos intentos previos se basaban en una oblea de
silicio, usando el silicio mismo para controlar el flujo de
electricidad. Esto funcionaba, pero significaba que todos los
transistores tenían que encenderse y apagarse a la vez.
Sin embargo, la nueva estructura establece la entrada y salida de
electricidad sobre el propio nanotubo, añadiendo una
delgada capa aislante de dióxido de silicio, lo que hace
que se "parezca a un transistor de silicio, pero con un delgado
nanotubo en lugar de una lámina plana de silicio". El
nuevo transistor de nanotubo de carbono puede encenderse con una
tensión de 1 voltio o menos, como resultado de esta capa
aislante, y operar de manera independientemente.
Para ejemplificar este avance, Wind ponía un claro
ejemplo. "Es como si hubiésemos desarrollado anteriormente
un nuevo tipo de lámpara eléctrica que funcionaba,
pero que necesitaba altos voltajes, no era muy brillante y uno
tenía que encender todas las luces de la casa a la vez.
Ahora, podemos hacer que las lámparas sean más
brillantes, que usen menos potencia, y encenderlas y apagarlas
individualmente".
Esta investigación pone a la tecnología de
nanotubos de carbono más cerca de convertirse en una
opción viable para reemplazar al silicio.
3.4. Proyecto 'MILLIPEDE' de IBM demuestra
densidades de datos del orden
de billones de bits.
Publicado en Junio del 2002, inaugural issue of IEEE
Transactions on Nanotechnology.
México, D.F., 26 de junio de 2002.- Una densidad
de datos de 25 DVD´s,
en un area de 3mm2 fue lograda por IBM con su proyecto
milpiés "Millipede". Sacando partido de diversas
tecnologías innovadoras, científicos de IBM han
demostrado densidades de almacenamiento de datos del orden de un
billón de bits por pulgada cuadrada, 20 veces superiores a
las máximas densidades de almacenamiento magnético
actualmente disponibles.
Esta notable densidad, suficiente para almacenar 25
millones de páginas de texto en una
superficie del tamaño de un sello postal, es uno de los
logros científicos alcanzados por los investigadores que
participan en el proyecto llamado en código
"Millipede". 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
energéticos. 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
terabit", comentó Gerd Binnig, ganador del Premio Nobel y
una de las fuerzas impulsoras del proyecto Millipede. "Si bien
las tecnologías de almacenamiento actuales pueden estar
llegando a sus límites
fundamentales, este enfoque nanomecánico es potencialmente
válido para multiplicar miles de veces la densidad de
almacenamiento de datos".
La demostración terabit empleó una sola
punta que hacía muescas de sólo 10
nanómetros de diámetro, cada marca es 50.000
veces más pequeña que el punto en que concluye esta
oración. Aún cuando el concepto se ha
demostrado usando un montaje experimental de más de 1.000
puntas, el equipo de investigación está
desarrollando ahora un prototipo que se espera completar a
principios del
año próximo y que despliega más de 4.000
puntas simultánea activas en un campo de 7 mm cuadrados.
Tales dimensiones permitirán empacar un sistema completo
de almacenamiento de datos de gran capacidad en el formato
más pequeño usado ahora por la memoria
relámpago.
Aunque en el cercano plazo no se espera que la memoria
relámpago exceda capacidades de 1 a 2 GB, la
tecnología Millipede podría empacar de 10 a 15 GB
de datos en el mismo formato diminuto, sin requerir más
potencia para operar el dispositivo.
"El proyecto Millipede podría brindar tremendas
capacidades de datos a dispositivos móviles tales como
asistentes personales digitales, teléfonos celulares y
relojes multifuncionales", comenta Peter Vettiger, líder
del proyecto Millipede. "Además de eso, estamos explorando
el uso de este concepto en otras aplicaciones diversas, por
ejemplo en procesos gráficos microscópicos de
superficies grandes, en litografías de escala
nanométrica y en la manipulación atómica o
molecular".
La composición y la geometría
de los nanotubos de carbono engendran, con independencia
de su formación, una complejidad electrónica
única. Ello se debe, en parte, al tamaño, pues no
olvidemos que la física cuántica manda a escala
nanométrica. Pero el propio grafito constituye, de suyo,
un material muy especial. Si la mayoría de los conductores
eléctricos son o metales o
semiconductores, el grafito pertenece al grupo
restringido de los semimetales, instalado, en un delicado
equilibrio, en
la zona de transición entre aquéllos. Combinando
las propiedades semimetálicas del grafito con las reglas
cuánticas de niveles de energía y ondas
electrónicas, los nanotubos de carbono surgen como
conductores exóticos.
Impone cierta regla del mundo cuántico que los
electrones se comporten como partículas; las ondas
electrónicas se amplifican o cancelan entre sí. Por
consiguiente, un electrón que se distribuya alrededor de
la circunferencia de un nanotubo puede autocancelarse por
completo; y quedarán sólo los electrones con
idéntica longitud de onda correcta. De todas las posibles
longitudes de onda electrónicas, o estados
cuánticos, que haya en una lámina plana de grafito,
sólo un pequeño conjunto estará permitido
cuando se enrolle para formar un nanotubo. El conjunto
dependerá de la circunferencia del nanotubo, como
también de si el nanotubo se retuerce a la manera de los
anuncios luminosos de una barbería.
Al rebanar unos cuantos estados electrónicos de
un metal o un semiconductor simples no se producen muchas
sorpresas. Los semimetales, en cambio, son
mucho más sensibles. Y, por tales, más interesantes
los nanotubos de carbono. En una lámina de gráfico,
el punto de Fermi, cierto estado electrónico
específico, confiere al gráfico casi toda la
conductividad que esgrime; en ningún otro estado gozan de
libertad de
movimiento los
electrones. Sólo un tercio de todos los nanotubos de
carbono combina el diámetro correcto y el correspondiente
grado de torsión para incluir este punto de Fermi especial
en su conjunto de estados permitidos. Estos nanotubos son
auténticos nanofilamentos metálicos.
Los dos tercios restantes de nanotubos son
semiconductores. Eso significa que necesitan, igual que el
silicio, una aportación adicional de energía para
dejar fluir la corriente. Una ráfaga de luz o un voltaje
pueden llevar los electrones desde los estados de valencia hasta
los estados de conducción, donde se mueven con libertad.
La cantidad de energía requerida depende de la
separación entre ambos niveles, es decir, del intervalo de
banda de un semiconductor. Gracias a esos intervalos los
semiconductores resultan tan útiles en los circuitos.
Merced a un amplio repertorio de materiales con diferentes
intervalos de banda, los ingenieros han creado la rica
batería actual de dispositivos
electrónicos.
Los nanotubos de carbono no tienen todos el mismo
intervalo de banda, porque para cada uno circunferencia existe un
conjunto exclusivo de estados permitidos de valencia y de
conducción. Los nanotubos de carbono no tienen todos el
mismo intervalo de banda, porque para cada circunferencia existe
un conjunto exclusivo de estados permitidos de valencia y de
conducción. Los nanotubos de menor diámetro cuentan
con muy pocos estados muy separados en energía. Al
aumentar el diámetro de los nanotubos, se admiten cada vez
más estados y la distancia entre ellos acorta. Acontece,
pues, que nanotubos de diferente tamaño pueden tener
intervalos de banda nulos (cero, igual que un metal), de la
magnitud del intervalo de banda del silicio o de casi cualquier
valor entre
ambos extremos. Ningún otro material conocido puede
afinarse con semejante facilidad. Pero el crecimiento de los
nanotubos produce todavía un montón de
geometrías dispares. por eso los investigadores se afanan
en la búsqueda de mecanismos que nos garanticen tipos
específicos de nanotubos.
Los nanotubos gruesos de pared múltiple pueden
desarrollar incluso un comportamiento más complejo. Cada
capa del tubo presenta una geometría algo distinta. Si
pudiéramos diseñar a medida la composición
de cada uno, se habría cumplido el sueño de
fabricar tubos con pared múltiple que sean autoaislantes o
que transporten señales múltiples al instante, como
cables coaxiales nanoscópicos. Nuestro conocimiento y
control del
crecimiento de los nanotubos se hallan muy lejos de tales metas.
No obstante, al incorporar nanotubos en circuitos operativos
hemos comenzado, por lo menos, a desentrañar sus
propiedades básicas.
(llegando a los Terahertz en la velocidad
de conmutación de los transistores)
Varios grupos de
investigación, han construido con éxito
dispositivos electrónicos operativos a partir de nanotubos
de carbono. En algunos transistores de efecto de campo (FET)
utilizan nanotubos semiconductores sencillos entre dos electrodos
metálicos para crear un canal por donde circulan los
electrones. La corriente que fluye a través del mismo
puede activarse o desactivarse aplicando voltaje a un tercer
electrodo inmediato. Los dispositivos basados en nanotubos
funcionan a temperatura
ambiente con
características eléctricas notablemente similares a
los dispositivos comerciales de silicio. Otros grupos de
investigación han encontrado que el electrodo de la puerta
puede cambiar la conductividad del canal de nanotubo en un FET en
un factor de un millón o más, equiparable a los FET
de silicio. Debido a su minúsculo tamaño, sin
embargo, el FET de nanotubo conmutaría sin errar y
consumiendo mucha menos energía que un dispositivo de
silicio . En teoría
un conmutador fabricado a nanoescala podría trabajar a
velocidades cronométricas de un terahertz o más,
mil veces más deprisa que los procesadores
disponibles.
Ante el amplio abanico de intervalos de banda y
conductividades propios de los nanotubos, son múltiples
las posibilidades que se abren para nanodispositivos adicionales.
En el laboratorio, al medir uniones de nanotubos metálicos
y semiconductores se ha observado que estas se comportan como
diodos,
permitiendo que la electricidad circule en una sola dirección. En línea de principio,
las combinaciones de nanotubos con diferentes intervalos de banda
podrían convertirse en diodos emisores de luz y
quizás en laseres nanoscópicos. Nada parece ahora
impedir la evolución de un nanocircuito dotado de
conexiones, conmutadores y elementos de memoria realizados con
nanotubos y otras moléculas. Con esta ingeniería
molecular podrían obtenerse, por fin, no solo versiones
minúsculas de dispositivos al uso sino también
otros nuevos que exploren los efectos
cuánticos.
Imagen de nanotubos depositados sobre
electrodos de Oro (Au) fabricados
mediante litografía por haz de
electrones.
Hasta ahora, apresurémonos a decirlo, los
circuitos con nanotubos se han fabricado uno a uno y con sumo
esfuerzo. Aunque aun no se ha determinado un único
protocolo de
construcción de los nanotubos y cada grupo
de investigación sigue su propio protocolo para fijar un
nanotubo a los electrodos metálicos tradicionales, en
todos se recure a la combinación de litografía
tradicional para los electrodos con herramientas
de gran resolución, como microscopios de fuerza
atómica, para colocar los nanotubos. Ni que decir tiene
que queda un largo camino hasta la producción industrial,
compleja, automatizada y paralela de microchips como la de
silicio sobre la que asienta la industria
informática.
5.1. COMO FABRICARLOS "transistores e
hilos de interconexiones "
Partimos de que podamos pensar en la fabricación
de una estructura de circuitos, fundada en nanotubos,
habrá que encontrar métodos de desarrollo de
nanotubos posiciones, orientaciones, formas y tamaños
específicos. En la universidad de
Stanford y en otras instituciones
se ha demostrado que, colocando partículas de
níquel, hierro o
algún otro catalizador sobre un sustrato, se obtienen
nanotubos que crecen donde se quiera. En Harvard se ha encontrado
una forma de unir nanotubos con nanofilamentos de silicio,
hilvanando conexiones a los circuitos fabricados por los medios
habituales.
5.1. FORMAS DE FABRICAR NANOTUBOS
Volatilizar, Hornear o Bombardear
Aunque Sumio Iijima fue el primero en ver un nanotubo,
otros se adelantaron en si fabricación. Sin saberlo, los
hombres de Neandertal fabricación cantidades
minúsculas de nanotubos en las hogueras con que calentaban
sus cuevas. Separados por el calor, los
átomos de carbono se recombinan en el hollín; unos
engendran glóbulos amorfos, otros unas esferas llamadas
"buckybolas" y otros largas cápsulas cilíndricas,
los "buckytubos" o nanotubos. La ciencia ha descubierto tres
formas de fabricar hollín que contiene una
proporción notable de nanotubos. Hasta ahora, sin embargo,
los tres métodos sufren algunas limitaciones importantes:
todos producen mezclas de
nanotubos con una amplia gama de longitudes, muchos defectos y
variedad de torsiones.
Una gran chispa
En 1992 Thomas Ebbeser y Pullickel M. Ajayan, del
laboratorio de investigación Fundamental de NEC,
publicaron en primer método de fabricación de
cantidades macroscópicas de nanotubos. 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.
Rendimiento normal: Hasta un 30 por ciento en
peso.
Ventaja: las altas temperaturas y los
catalizadores metálicos añadidos a las barras puede
producir nanotubos de pared única y múltiple con
pocos defectos estructurales, si alguno.
Limitaciones: Los tubos tienden a ser cortos (50
micras o menos) y depositarse en formas y tamaños
aleatorios.
Un gas
caliente
Morinubo Endo, de la Universidad de Shinshu en Nagano,
introdujo, en la fabricación de nanotubos, el
método de la deposición química en fase vapor
(CVD). Se coloca un sustrato en un horno, se calienta a 600
gramos centígrados y lentamente se añade metano,
gas, libera átomos de carbono, que se pueden recombinar en
forma de nanotubos.
Rendimiento normal: de 20 a casi 100 por
cien.
Ventajas: la técnica de CVD es el
más sencillo de los tres métodos para su
aplicación a escala industrial. Podría emplearse
para fabricar nanotubos largos, necesarios en las fibras
empleadas en materiales compuestos.
Limitaciones: Los nanotubos fabricados así
suelen ser de pared múltiple y a veces están
plagados de defectos. De ahí que los tubos tengan
sólo una décima de la resistencia a la
tracción respecto a los fabricados por la descarga de
arco.
Un Bombardeo con láser
Se acopaban un grupo de la Universidad de Rice, del
bombardeo de un metal con pulsos intensos de láser para
producir moléculas metálicas más
extravagantes cuando les llegó la noticia del
descubrimiento de los nanotubos. En su dispositivo sustituyeron
el metal por barras de grafito. 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 naotubos. Ensayaron con varios catalizadores y
lograron, por fin, las condiciones en que se producen cantidades
prodigiosas de nanotubos de pared única.
Rendimiento normal: Hasta un 70 por
ciento.
Ventajas: Producen nanotubos de pared
única con una gama de diámetros que se pueden
controlar variando la temperatura de reacción.
Limitaciones: Este método necesita laseres
muy costosos.
Hablamos de tímidos pasos. Con todo, suficientes
para entrever la aplicación de nanotubos de carbono como
transistores e hilos de interconexiones en los circuitos de
microchips. Estos filamentos, de unos 250 nanómetros de
anchura, son metálicos. A los ingenieros les
encantarían lograrlos mucho menores, para así
integrar más dispositivos en la misma sección. Pero
la miniaturización ulterior de los hilos metálicos
ha de vencer dos dificultades imponentes. En primer lugar, no
contamos todavía con un método eficaz para disipar
el calor generado por los dispositivos; si apretaran más
se provocaría un rápido sobrecalentamiento. En
segundo lugar, al afilas los hilos metálicos y, en breve
tiempo, los filamentos se degradarían, como fusibles
fundidos.
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 Amperé. Estas corrientes tan altas
vaporizarían el cobre o el oro.
Desde hace varios años se ha aprendido bastante
sobre la estructura y propiedades del carbono en sus formas
alotrópicas conocidas: el grafito, el diamante y
fullerenos.
En 1985 se descubrió la tercera forma
alotrópica de carbono, se trataba de una sustancia donde
cada molécula poseía sesenta átomos de
carbono; este descubrimiento fue una antesala y un incentivo a la
búsqueda de nuevos materiales llegando al descubrimiento
coincidencial de los nanotubos.
Los fullerenos son mucho más abundantes de lo que
pensamos, incluso es posible que sean más abundantes que
el grafito y el diamante; los podemos hallar en el humo y el
hollín de combustiones, los hallamos al estudiar las
estrellas y el espacio interestelar, o bien en las capas
terrestres que nos muestran las eras
geológicas del planeta, también se han hallado
fullerenos en los meteoritos que caen a la tierra.
Últimos estudios también señalan que cada
organismo vivo presenta cierta cantidad de fullerenos en su
composición, todos estos hechos, nos dan una noción
del extenso campo de estudio y de las numerosas líneas de
investigación que pueden nacer alrededor del estudio de
los fullerenos.
Los fullerenos son moléculas grandes como
esferas. El más común es el C60 , pero
hay de más carbonos como son, C70,
C84, C240, C540 …, y
también los hay de menos, los cuales por lo general
presentan un arreglo geométrico cuasi esférico o en
forma de elipsoide. En 1991 se detectó una forma
más de carbono, el "nanotubo". Un nanotubo es un fullereno
muy grande en forma lineal.
6.1. Como se
pueden ver los nanotubos?
El desarrollo alcanzado por las áreas
científicas conocidas como nanociencia y
nanotecnología se debe, en parte, al descubrimiento y
posteriores desarrollos del microscopio de fuerzas (AFM) y de
efecto túnel (STM). Ambas Microscopías se han
configurado como herramientas indispensables para interrogar las
propiedades de sistemas de tamaño nanométrico. El
carácter local y el preciso control de las
interacciones electromagnéticas permite a estas técnicas
la investigación del estado químico,
mecánico o eléctrico de estructuras
nanométricas, con independencia de la naturaleza de las
nanoestructuras. Estas pueden ser de tipo semiconductor,
moléculas orgánicas o moléculas
biológicas. Las propiedades mencionadas de los
microscopios de fuerzas y de efecto túnel pueden ser
aprovechadas para desarrollar nuevas técnicas de
modificación y manipulación de superficies a escala
nanométrica. Esos métodos pueden
constituir las bases para el desarrollo de nuevas
técnicas de litografía por debajo de los
10nm.
Microscopio de Fuerza.
7.
PROPIEDADES Y APLICACIONES EXTREMAS DE LOS
NANOTUBOS
7.1. Estudio
Teórico Experimental con Diferentes Elementos en el
Interior de un nanotubo.
La posibilidad de introducir metales, carburos u
óxidos metálicos dentro de nanotubos de carbono de
multicapas, puede alterar significativamente sus propiedades
mecánicas y electrónicas. Algunas de las
aplicaciones que tendrían lugar al sintetizar nanotubos
llenos con ciertos metales serían: 1) Producir
dispositivos de alta densidad de almacenamiento de datos
utilizando nanotubos llenos con materiales magnéticos en
su
interior, formando así nanoalambres . 2) El uso
de nanotubos de carbono como emisores de electrones para
pantallas de TV y monitores de
computadoras ultra delgados. Sin embargo, para poder emplear de
forma comercial los nanotubos de carbono vacíos o llenos,
es necesario controlar su crecimiento, longitud, diámetro
y cristalinidad, así como reducir sus costos de
producción.
Hasta el momento sólo se ha reportado la
formación de nanotubos alineados llenos con hierro por un
método llamado de pirolisis, afortunadamente muchas
tesis
Doctórales en Nanotecnología o Electrónica
están enfocando su camino en la investigación la de
fabricación controlada de nanotubos.
Propiedad | Nanotubos de pared | Por |
Tamaño | 0.6 a 1.8 nanómetros de | La litografía de haz electrónico |
Densidad | 1.33 a 1.40 g/cm3
| El aluminio tiene una densidad de 2.7 g/cm3 |
Resistencia a la tracción | 45 mil millones de pascales | Las aleaciones de acero de alta resistencia se |
Elasticidad | Pueden doblarse a grandes ángulos y vuelven | Los metales y las fibras de carbón se fracturan ante similares esfuerzos. |
Capacidad de transporte de corriente | Estimada en mil millones de amperes por | Los alambres de cobre se funden a un millón |
Emisión de campo | Pueden activar fósforos con 1 a 3 voltios | Las puntas de molibdeno requieren campos de 50 a |
Transmisión de Calor | Se predice que es tan alta como 6,000 vatios por | El diamante casi puro transmite 3,320 |
Estabilidad térmica | Estable aún a 2,800 grados Celsius en el | Los alambres metálicos en microchips funden |
CIENCIA O | ||
LA IDEA | ||
Sondas químicas y
"Hebra de ADN" | Un microscopio con punta de nanotubo puede |
|
Memoria mecánica "RAM no | Se ha ensayado una pantalla de nanotubos |
|
Nanopinzas | Dos nanotubos, unidos a los electrodos en una |
|
Sensores supersensibles | Los nanotubos semiconductores cambian se |
|
Almacenamiento de hidrógeno | Los nanotubos podrían almacenar |
|
Materiales de máxima | Incrustados en un material compuesto, los |
|
Microscopio de barrido de mayor "Esta aplicación esta lista | Unidos a la punta de un microscopio de sonda de |
|
8.
DONDE SE DESTACAN LOS NANOTUBOS
Los nanotubos de carbono muestran un segundo
comportamiento electrónico de sumo interés
para los ingenieros. En 1995 un grupo de la Universidad Rice
observó que, cuando se colocaban erguidos y se cargaban
eléctricamente, los nanotubos de carbono semejaban
varillas o tubos de alumbrado, concentrando el campo
eléctrico en sus puntas. Pero mientras una varilla de
alumbrado conduce un arco de tierra, un
nanotubo emite electrones desde su punta a una velocidad
prodigiosa. Como son tan agudos, los nanotubos emiten electrones
a voltajes menores que los electrodos fabricados con la
mayoría de otros materiales, y sus vigorosos enlaces de
carbono permiten que los nanotubos duren más sin
ningún desperfecto.
Se había imaginado este comportamiento, llamado
emisión de campo, para aprovecharlo en una técnica
que sustituyera a los televisores y los monitores de ordenador,
voluminosos y poco eficientes, con paneles planos de menos
volumen y
mayor rendimiento, sin disminuir el brillo. La idea, sin embargo,
ha tropezado siempre con la fragilidad de los emisores de campo
disponibles. Se confía en que los nanotubos puedan salvar
ese escollo y despejar el camino para una alternativa a los tubos
de rayos catódicos y los paneles de cristal
líquido. Resulta de una sencillez asombrosa fabricar, a
partir de nanotubos, un emisor de campo de alta corriente. Basta
con mezclarlos con plásticos
en una pasta compuesta, se untan sobre un electrodo y se aplica
un voltaje. Algunos nanotubos de la capa apuntarán,
indefectiblemente, hacia el electrodo opuesto y emitirán
electrones. En el Instituto de Tecnología de Georgia,
Stanford y otras instituciones se han encontrado ya
métodos para el desarrollo de grupos de nanotubos erguidos
en pequeñas rejillas ordenadas. Con una óptima
densidad, estos grupos pueden emitir más de un ampere por
centímetro cuadrado, suficiente para iluminar los
fósforos en una pantalla y capaz de controlar relés
de microondas y
conmutadores de alta frecuencia en estaciones de telefonía móvil.
Sabemos de dos compañías empeñadas
en la fabricación de bienes que
utilizan nanotubos de carbono como emisores de campo. La Japonesa
Ise Electronics ha ensayado compuestos de nanotubos para fabricar
prototipos de bombillas de tubos de vacío en seis colores, cuyo
brillo dobla el de las bombillas tradicionales, tiene una mayor
duración y decuplican el ahorro
energético. El primer prototipo ha funcionado bien durante
más de 10.000 horas y aún no ha fallado. Los
ingenieros de Samsung en Séul esparcen nanotubos en una
película delgada sobre la electrónica de control y
luego colocan encima vidrio revestido de fósforo para
fabricar un prototipo de pantalla planta. Cuando realizaron la
demostración del panel, en 1999, eran optimistas respecto
a que la compañía pudiese tener el dispositivo que
brillará como un tubo de rayos catódicos y
consumirá una décima parte de potencia listo para
su producción en el año en curso.
El tercer ámbito en el que los nanotubos de
carbono muestran propiedades electrónicas especiales es de
escala muy pequeña, allí donde revisten
interés los efectos que dependen del tamaño. A
ciertas escalas, nuestras ideas de filamentos con resistencia
fracasan de forma estrepitosa y deben sustituirse por modelos de
mecánica cuántica. Se trata de un
reino, inalcanzable para la técnica de silicio, que pueden
ofrecer nuevos descubrimientos sorprendentes; exigirá
también bastante mayor investigación que en el caso
de los nanocircuitos o los dispositivos de emisión de
campo con nanotubos.
Entre los temas debatidos a resolver citemos el
concerniente al movimiento preciso de los electrones a lo largo
de un nanotubos sin defectos los electrones viajan
"balísticamente", sin ninguna dispersión, que es el
agente causal de la resistencia de los filamentos
metálicos. Cuando los electrones pueden viajar largas
distancias sin dispersión, mantienen sus estados
cuánticos, fenómeno clave para observar la
interferencia entre ondas electrónicas. Además, la
falta de dispersión ayudaría a entender por
qué los nanotubos conservan su estado de espín
electrónico cuando se desplazan. (El espín
electrónico es una propiedad cuántica). Apoyados en
ese insólito comportamiento algunos se proponen construir
dispositivos "espíntrónicos" que se activen o
desactiven en respuesta al espín electrónico, en
lugar de hacerlo en respuesta a su carga (lo que ocurre en los
dispositivos electrónicos).
Asimismo, puede controlarse con exquisita
precisión el flujo de electrones en el tamaño
mínimo de un nanotubo. Se acaba de demostrar en los
nanotubos el bloqueo de Coulomb, fenómeno en virtud del
cual los electrones repelen cualquier pretensión de
insertar simultáneamente mas de un electrón en
dichas estructuras. El fenómeno podría facilitar la
construcción de transistores de un solo electrón,
lo ultimo en electrónica sensible. Pero las propias
mediciones abren interrogantes que la física actual no
sabe despejar. Confinados en estos finísimos filamentos
unidimensionales, los electrones se comportan de forma tan
extraña que apenas parecen tales
partículas.
Con el tiempo, pues, los nanotubos podrían
ofrecer no sólo versiones menores y mejores de los
dispositivos existentes, sino también algunos de nuevo
cuño que dependerían por entero de los efectos
cuánticos. Queda mucho, cierto, por conocer a
propósito de dichas propiedades de los nanotubos antes de
poderles sacarles partido. Sobre la mesa yacen ya algunas
cuestiones. Sabemos que todos los dispositivos moleculares,
incluidos los nanotubos, son muy sensibles al ruido
producido por fluctuaciones eléctricas, térmicas y
químicas. Se ha comprobado que, cuando se fija un
contaminante(Oxígeno, por ejemplo) a un nanotubo, se
resienten sus propiedades eléctricas. Esto, que puede ser
útil para crear detectores químicos delicadamente
sensibles, constituye un obstáculo para la
fabricación de circuitos de una solo molécula. En
el control de la
contaminación reside el principal reto cuando una sola
molécula puede marcar diferencia.
Pese a todo, con tantas vías de desarrollo en
marcha, parece claro que ya no se trata de saber si los nanotubos
se convertirán en componentes útiles de los
ingenieros Electrónicos del futuro, sino simplemente
cómo y cuándo.
8.1. Superconductividad a temperatura
ambiente con nanotubos
(Publicado el 30 de Noviembre de 2001) Según
algunos experimentos realizados recientemente, los nanotubos de
carbón podrían conducir la electricidad sin
resistencia a temperaturas superiores a la ebullición del
agua. En caso
de confirmarse estos serían los primeros superconductores
que funcionarían a una temperatura "normal", sin necesidad
de maquinaria térmica especial.
Investigadores de la Universidad de Houston encontraron
pistas de superconductividad en estos nanotubos. No es una
resistencia cero, pero es lo más cerca que nadie se haya
acercado nunca.
Actualmente no hay pruebas de
ningún superconductor que funcione a una temperatura
superior a menos 143 grados, pero si descubriesen un material
capaz de conducir la electricidad sin resistencia a temperatura
ambiente no se perdería calor y energía, lo que
significarían circuitos electrónicos mucho
más rápidos.
Técnicamente se están estudiando los
efectos de los campos magnéticos en fibras huecas de
carbón llamadas "nanotubos de carbón multipared".
Se cree que la resistencia a la conductividad no llega a ser cero
porque las conexiones entre tubos no son
superconductoras.
8.2 Los nanotubos método
seguro de
almacenar y transportar hidrógeno.
(Publicado en febrero del 2002) El desarrollo futuro de
sistemas que tengan como combustible el hidrógeno
dependerá de si es posible o no desarrollar un
método seguro de transporte y almacenamiento del
hidrógeno. Un coche que funcionara gracias a la combustión del hidrógeno con el
oxígeno, sólo produciría agua como residuo.
Sobre el papel, es el coche ecológico perfecto. Pero su
realización se enfrenta a numerosos retos, entre ellos el
de disponer de una forma segura de transportar y almacenar el
hidrógeno. Hoy por hoy, el hidrógeno se almacena y
transporta a bajas temperaturas y en botellas de aire comprimido
que deben ser tratadas con sumo cuidado, ya que este gas es muy
inestable y cualquier golpe puede ser peligroso.
Los nanotubos de carbono han sido propuestos como
candidatos a almacenar grandes cantidades de hidrógeno de
forma segura. En el Instituto de Ciencia de
Materiales de Barcelona (ICMAB), el equipo del
Laboratorio de Estructura Electrónica de los Materiales,
trabaja en un proyecto con la empresa
estadounidense Air Products para descubrir cómo almacenar
hidrógeno en nanotubos de carbono.
Almacenan el hidrógeno como si fueran
esponjas, aunque no se sabe bien cómo
«Se ha comprobado que los nanotubos de carbono
almacenan hidrógeno, aunque no se sabe muy bien
cómo», En diversos experimentos, explican los
investigadores, se ha comprobado que cuando se depositan
nanotubos de carbono en el interior de una cámara a
presión
y se deja entrar hidrógeno en la cámara, más
tarde, al dejar salir de nuevo el hidrógeno de la
cámara, la cantidad saliente de gas es menor que la
entrante. Esa diferencia es la correspondiente al
hidrógeno que ha quedado incorporado en el nanotubo, de
forma comparable a como quedaría atrapado un
líquido en una esponja.
El fullereno, una molécula C60, tiene la forma de
un icosaedro truncado, igual a la de un balón de
fútbol. En el cual se cree que se podría almacenar
hidrógeno, con una estabilidad mayor a la suministrada por
los nanotubos.
Sin embargo, aunque estos experimentos son
válidos, no aportan otros datos. Por ejemplo, se desconoce
la cantidad precisa que puede almacenar un nanotubo. Tampoco se
sabe cómo se almacena: es decir, si se enlaza
químicamente el hidrógeno con el nanotubo de
carbono, si se mantiene la estructura molecular o no.
Esto es precisamente lo que están estudiando en
el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, a
través de simulaciones por ordenador. Con estas
simulaciones y modelos teóricos, los investigadores
diseñan los experimentos que luego se realizan en la sede
de Air Products en los EE.UU.
8.3
Sensores Químicos con los Nanotubos.
Dos grupos de investigación, uno de la
Universidad de California en Berkeley y otro de la universidad de
Stanford, han mostrado que los nanotubos de carbono
podrían constituir óptimos sensores
químicos, capaces de detectar diminutas concentraciones de
gases tóxicos.
La detección de moléculas gaseosas es
crítica en el control ambiental, en el control de procesos
químicos, en misiones espaciales y en agricultura y
medicina. Sin ir
más lejos, la detección del dióxido de
nitrógeno (NO2) desempeña un papel importante en el
análisis de la contaminación resultante de la
combustión o de las emisiones de automóviles; la
detección de amoniaco (NH3) recibe interés especial
en entornos industriales, biológicos y
médicos.
Los nanotubos sintetizados por diversas técnicas,
crean tubos de pared única, tubos de paredes de varias
capas, además "cuerdas" trenzadas por tubos adheridos
lateralmente unos a otros por débiles fuerzas de van del
Waals.
El carácter eléctrico, metálico o
semiconductor, de los nanotubos depende de los detalles
estructurales, como la forma precisa de cortar y enrollar la hoja
grafítica, así como de la presencia de defectos e
impurezas. Cada configuración diferente es sensible a una
molécula gaseosa especifica.
La extrema sensibilidad de las propiedades
eléctricas a la presencia de moléculas gaseosas
absorbidas en el tubo constituyen el motivo que ha llevado a
proponer el uso de los nanotubos de carbono como novedosos
sensores químicos.
El cambio sustancial en la resistencia, así como
el cambio drástico del poder termoeléctrico,
demuestran que los nanotubos actúan como sensores de
oxígeno sumamente sensibles.
Aunque esta aplicación no esta directamente
relacionada con los nanotubos, se
Muchos ingenieros conocen la emoción de haber
diseñado un producto nuevo
que luego se utiliza por doquiera. Los investigadores del
laboratorio de investigación de IBM en Zurich, esperan
gozar de este privilegio dentro de tres años, un placer
más raro: sacar a la venta un tipo de
máquina del todo nuevo.
Se habla mucho de nanotecnología en estos
tiempos, la nueva frontera donde los entresijos de las máquinas
no miden más de 1um. Las investigación de sistemas
microelectromecánicos (SMEM) – dispositivos de
piezas móviles microscópicas fabricadas con las
misma técnicas con los que se construyen los chips
informáticos -, ha armado mucho revuelo, pese a que no
ofrece todavía muchos productos comerciales. Como pueden
atestiguar, ya que han invertido hasta ahora seis años en
uno de los primeros proyectos
encaminados a crear un dispositivo nanomecánico que pueda
fabricarse en masa, a escalas tan diminutas la ingeniería
y la investigación científica se mezcla
de modo inextricable.
En IBM este proyecto se llama Milpiés. Si siguen
por el buen camino, alrededor de 2005 se podrá comprar una
tarjeta de memoria del tamaño de un sello de correos para
la cámara digital o el reproductor portátil de
MP3. No
almacenará unas decenas de megabytes de vídeo o
audio, como las típicas tarjetas de
memoria "flash"
(microcircuitos de memoria permanente), sino varios gigabytes
–cantidad suficiente para guardas un buen numero de
CD musicales o
varias películas-. Se podrán borrar y rescribir
datos de ella. Será bastante rápida y
gastará una cantidad moderada de
energía.
Si milpiés impresiona es por otra
razón: porque guarda los datos digitales de forma
diferente del método seguido por los discos duros
magnéticos, los discos compactos ópticos y los
chips de memoria que inscriben los datos por medio de
transistores. Después de décadas de progreso
espectacular, esas técnicas veteranas han enfilado su
recta final; ante ellas se alzan importantes limitaciones
físicas.
Características técnicos
El núcleo del proyecto Millipede es una matriz
bidimensional de diminutas vigas voladizas de silicio en forma de
u, de 0,5 micrómetros de espesor y 70 micrómetros
de largo. Cada diminuta viga voladiza termina en una punta
orientada hacia abajo, cuyo largo es inferior a 2
micrómetros. El montaje experimental actual contiene una
matriz de 3 mm por 3 mm, con 1.024 (32 x 32) diminutas vigas
voladizas, creadas por micromaquinaje en la superficie del
silicio. Un refinado diseño
asegura el nivelamiento preciso de la matriz de puntas respecto
al medio de almacenamiento y amortigua tanto las vibraciones como
los impulsos externos. Una electrónica multiplexada con
respecto al tiempo, similar a la usada en los chips DRAM,
direcciona cada punta para su operación en paralela. El
accionamiento electromagnético mueve con precisión
el medio de almacenamiento debajo de la matriz, en la
dirección de los ejes de las "x" y de las "y", lo que
permite a cada punta leer y escribir en su propio campo de
almacenamiento de 10 micrómetros de lado. La corta
distancia a cubrir asegura un bajo consumo
energético.
Descripción de Funcionamiento
ESCRITURA DE UN BIT: Por medio del calor y de la fuerza
mecánica, las puntas crean pozos cónicos en pistas
lineales que representan "unos" digitales. Para producir un pozo,
la corrienete eléctrica circula a través de la
pestaña; de esa forma se calienta una región dopada
de sicilio a 400 grados Celsius, que permite a la estructura
pretensada del brazo flexionarse hasta hundir la punta en el
polímero. La ausencia de pozo es un "cero".
BORRADO DE UN BIT: El último prototipo del
proyecto milpiés borra un bit existente calentando la
punta a 400 grados Celsius y abriendo otro pozo justo al lado del
pozo previamente grabado, que entonces se rellena (según
la muestra). Otro
método de borrado inserta la punta caliente en el pozo; el
plástico recupera entonces su forma plana
original.
LECTURA DE UN BIT: Para leer datos, las puntas se
calientan primero hasta unos 300 grados centígrados.
Cuando una punta de barrido encuentra un pozo y se introduce en
él, transfiere calor al plástico, Así
disminuye su temperatura y su resistencia eléctrica, pero
esta última sólo en una porción
mínima, alrededor de una parte en unos pocos miles. Un
procesador
digital de señal convierte esta señal de salida, o
su ausencia en una secuencia de datos.
La capacidad de reescritura de este concepto se ha
demostrada en más de 100.000 ciclos de escritura/sobreescritura. Si bien el
régimen binario de las puntas individuales es del orden de
kilobits por segundo, lo que representa unos megabits en toda la
matriz, circuitos electrónicos más rápidos
permitirán que las palancas operen a velocidades
considerablemente más altas. Los experimentos
nanomecánicos realizados en el Almaden Research Center de
IBM demostraron que las puntas individuales podían apoyar
caudales binarios de hasta 1-2 megabits por segundo.
El consumo energético depende en gran medida del
régimen binario al que se opera el dispositivo. Cuando se
opera a velocidades de transferencia de unos pocos megabits por
segundo, Millipede consume aproximadamente 100 miliwatts, es
decir, una cantidad situada en la gama de la memoria
relámpago(flash) y considerablemente por debajo de la
grabación magnética.
El experimento de 1.024 puntas logró una densidad
de superficie de 200 gigabits (miles de millones de bits, Gb) por
pulgada cuadrada. Ello representa una capacidad potencial de unos
,5 gigabytes (miles de millones de bytes, GB) en una area de tres
milimetros cuadrados. La generación siguiente de Millipede
tendrá cuatro veces más puntas (4.096) en una
matriz de 7 mm cuadrados (64 x 64).
Para más información con animaciones computarizadas
consultar en:
http://www.research.ibm.com/resources/news/20020611_millipede
Concienciar a los ingenieros electrónicos de la
importancia en la creación de diminutos circuitos a partir
de los atributos de los nanotubos, o tendencias reformadoras como
la del Milpiés, es de gran importancia para continuar con
el crecimiento tecnológico de la humanidad y no detenerse
ante las limitaciones físicas de las tecnologías
convencionales de pastillas de silicio.
Criterios de Evaluación.
CRITERIO | Punto de vista del | Punto de vista del |
Actualidad del Estado del | 10%
| |
Contenido y Calidad del contenido en el Marco | 25%
| |
Motivación e impacto | 25%
| |
Enfoque en la temática | 15%
| |
Fuentes Consultadas | 10%
| |
Presentación | 15%
|
- Eder Zavala López, Oxana Vasilievna
Kharissova, Síntesis de nanotubos y fullerenos;
Ingenierías, Enero-Marzo 2002, Vol. V, No
14. - R. Garcia, Nanofabricación,
Nanoelectrónica Y Caracterización Por
Microscopías de Fuerzas y de Efecto
Túnel - Nanotubos de carbono, Nuevos sensores
químicos; Investigación y Ciencia, No 295,
abril de 2001. - Peter Vettiger, G. Cross, Gerd Binnig, otros, The
"Millipede" – Nanotechnology Entering Data Storage;
IEEE Transactions on Nanotechnology, vol. 1, n.º 1,
páginas 39-55; marzo, 2002. - Peter Vettiger y Gerd Binnig, Nanounidades de
memoria ; Investigación y Ciencia, No 318,
páginas 27 – 33; marzo de 2003. - Philip G. Collis y Phaedon Avouris.
Introducción de los nanotubos en el dominio de la
electrónica; Investigación y Ciencia, No 293,
febrero de 2001. - Humberto Terrones, Instituto de física,
Universidad Nacional Autónoma de México. Haces de nanotubos –
Producción controlada; Investigación y
Ciencia, No 266, noviembre de 1998. - Internet: www.ibm.com,
www.Baquia.com,
www.idg.es/dealer,
www.Noticias.com.
JORGE ELIÉCER PELAEZ
LONDOÑO
Bogota, Colombia.