Cómo Funcionan Los Nanocables

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Los nanocables son estructuras increíblemente delgadas que tienen una increíble relación longitud-ancho. Aprende sobre los nanocables y cómo se crean los nanocables.

En 1965, el ingeniero Gordon Moore predijo que el número de transistores en una circuito integrado - un precursor del microprocesador - se duplicaría aproximadamente cada dos años. Hoy, llamamos a esta predicción. Ley de Moore, aunque en realidad no es una ley científica. La Ley de Moore es más de un Profecía autocumplida sobre la industria de la computación. Los fabricantes de microprocesadores se esfuerzan por cumplir la predicción, porque si no lo hacen, sus competidores [fuente: Intel].

Galería de imágenes de nanotecnología

Para colocar más transistores en un chip, los ingenieros tienen que diseñar transistores más pequeños. El primer chip tenía unos 2.200 transistores. Hoy en día, cientos de millones de transistores pueden caber en un único microprocesador. Aun así, las empresas están decididas a crear transistores cada vez más pequeños, agrupando más en chips más pequeños. Ya hay chips de computadora que tienen transistores a nanoescala (la nanoescala está entre 1 y 100 nanómetros, un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). Los transistores futuros tendrán que ser incluso más pequeños.

Entra en el nanowire, una estructura que tiene un asombroso. relación longitud-ancho. Los nanocables pueden ser increíblemente delgados: es posible crear un nanocables con el diámetro de solo un nanómetro, aunque los ingenieros y los científicos tienden a trabajar con nanocables de entre 30 y 60 nanómetros de ancho. Los científicos esperan que pronto podamos usar nanocables para crear los transistores más pequeños, aunque hay algunos obstáculos muy difíciles en el camino.

En este artículo, veremos las propiedades de los nanocables. Aprenderemos cómo los ingenieros construyen nanocables y el progreso que han logrado en la creación de chips electrónicos utilizando transistores de nanocables. En la última sección, veremos algunas de las aplicaciones potenciales para nanocables, incluidos algunos usos médicos.

En la siguiente sección, examinaremos las propiedades de los nanocables.

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¿Cómo delgado es delgado?

El cabello humano suele tener entre 60 y 120 micrómetros de ancho. Supongamos que ha encontrado un cabello excepcionalmente fino con un ancho de 60 micrómetros. Un micrómetro es de 1.000 nanómetros, por lo que tendría que cortar ese cabello al menos 60.000 veces a lo largo para hacer un mechón de un nanómetro de grosor.

Propiedades del nanocable

Cómo funcionan los nanocables: cómo

Dependiendo de qué está hecho, un nanocables puede tener las propiedades de un aislante, un semiconductor o un metal. Los aisladores no transportan una carga eléctrica, mientras que los metales transportan cargas eléctricas muy bien. Los semiconductores se encuentran entre los dos, llevando una carga en las condiciones adecuadas. Al organizar los cables de los semiconductores en la configuración adecuada, los ingenieros pueden crear transistores, que pueden actuar como cambiar o un amplificador.

Algunas propiedades interesantes y contraintuitivas que poseen los nanocables se deben a la pequeña escala. Cuando trabajas con objetos que están a nanoescala o más pequeños, comienzas a entrar en el ámbito de la mecánica cuántica. La mecánica cuántica puede ser confusa incluso para los expertos en el campo, y muy a menudo desafía a la física clásica (también conocida como física newtoniana).

Por ejemplo, normalmente un electrón no puede pasar a través de un aislante. Sin embargo, si el aislante es lo suficientemente delgado, el electrón puede pasar de un lado del aislante al otro. Se llama tunelización de electrones, pero el nombre realmente no te da una idea de lo extraño que puede ser este proceso. El electrón pasa de un lado del aislador al otro sin penetrar realmente en el aislador ni ocupar el espacio dentro del aislador. Se podría decir que se teletransporta de un lado a otro. Puede evitar el túnel de electrones utilizando capas más gruesas de aislante, ya que los electrones solo pueden viajar a distancias muy pequeñas.

Otra propiedad interesante es que algunos nanocables son conductores balisticos. En los conductores normales, los electrones chocan con los átomos en el material conductor. Esto ralentiza los electrones a medida que viajan y crea calor como un subproducto. En los conductores balísticos, los electrones pueden viajar a través del conductor sin colisiones. Los nanocables podrían conducir la electricidad de manera eficiente sin el subproducto de calor intenso.

En la nanoescala, los elementos pueden mostrar propiedades muy diferentes de lo que esperábamos. Por ejemplo, a granel, el oro tiene un punto de fusión de más de 1.000 grados centígrados. Al reducir el oro a granel al tamaño de las nanopartículas, disminuye su punto de fusión, porque al reducir cualquier partícula a nanoescala, hay un aumento significativo en la relación superficie-volumen. Además, en la nanoescala, el oro se comporta como un semiconductor, pero en forma masiva es un conductor.

Otros elementos se comportan de manera extraña en la nanoescala también. A granel, el aluminio no es magnético, pero los grupos muy pequeños de átomos de aluminio son magnéticos. Es posible que las propiedades elementales con las que estamos familiarizados en nuestra experiencia diaria, y las formas en que esperamos que se comporten, no se apliquen cuando reducimos esos elementos al tamaño de un nanómetro.

Todavía estamos aprendiendo sobre las diferentes propiedades de varios elementos en la nanoescala. Algunos elementos, como el silicio, no cambian mucho a nivel de nanoescala. Esto los hace ideales para transistores y otras aplicaciones. Otros aún son misteriosos y pueden mostrar propiedades que no podemos predecir en este momento.

En la siguiente sección, descubriremos cómo los ingenieros hacen nanocables.

Nanotubos de carbono y puntos cuánticos

Los nanocables son solo una emocionante estructura que los ingenieros y los científicos están explorando en la nanoescala. Otros dos objetos importantes a nanoescala son los nanotubos de carbono y los puntos cuánticos.Un nanotubo de carbono es una estructura cilíndrica que parece una hoja enrollada de grafito. Sus propiedades dependen de cómo enrolle el grafito en el cilindro. Al enrollar los átomos de carbono de una forma, puede crear un semiconductor. Pero enrollarlos de otra manera puede hacer que un material sea 100 veces más fuerte que el acero. Los puntos cuánticos son colecciones de átomos que juntos actúan como un átomo gigante, aunque por gigante todavía estamos hablando de la nanoescala. Los puntos cuánticos son semiconductores.

Construyendo nanocables desde arriba hacia abajo

Cables de fibra óptica

Cables de fibra óptica

Los especialistas en nanociencia hablan de dos enfoques diferentes para construir cosas en la nanoescala: la enfoque de arriba hacia abajo y el enfoque de abajo hacia arriba. Un enfoque de arriba hacia abajo esencialmente significa que usted toma una cantidad masiva del material que planea usar para nanocables y lo retira hasta que alcanza el tamaño correcto. Un enfoque de abajo hacia arriba es un proceso de ensamblaje donde las partículas más pequeñas se unen para formar una estructura más grande.

Aunque podemos construir nanocables con cualquiera de los dos enfoques, nadie ha encontrado una manera de hacer posible la producción en masa. En este momento, los científicos e ingenieros tendrían que dedicar mucho tiempo a producir una fracción del número de nanocables que necesitarían para un microprocesador. Un desafío aún mayor es encontrar una manera de organizar los nanocables correctamente una vez que se construyen. Las escalas pequeñas hacen que sea muy difícil construir transistores automáticamente. En este momento, los ingenieros generalmente manipulan los cables en su lugar con herramientas mientras observan todo a través de un microscopio potente.

Un ejemplo de un enfoque de arriba hacia abajo es la forma en que los científicos hacen nanocables de fibra óptica. Los cables de fibra óptica transportan información en forma de luz. Para hacer un nanocables de fibra óptica, los ingenieros comienzan primero con un cable de fibra óptica normal. Hay algunos enfoques diferentes para reducir un cable de fibra óptica a nanoescala. Los científicos podrían calentar una varilla hecha de zafiro, enrollar el cable alrededor de la varilla y tirar del cable, estirándolo para crear un nanocables. Otro método utiliza un pequeño horno hecho de un pequeño cilindro de zafiro. Los científicos dibujan el cable de fibra óptica a través del horno y lo estiran en un fino nanocalar. Un tercer procedimiento llamado cepillado a la llama usa una llama debajo del cable de fibra óptica mientras los científicos lo estiran [fuente: Gilberto Brambilla y Fei Xu].

En la siguiente sección, veremos las formas en que los científicos pueden cultivar nanocables de abajo hacia arriba.

Mirando a la nanoescala

El microscopio de un nanocientífico no es el mismo que encontrará en un laboratorio de química de la escuela secundaria. Cuando se baja a la escala atómica, se trata de tamaños que en realidad son más pequeños que la longitud de onda de la luz visible. En cambio, un nanocientífico podría usar un microscopio de efecto túnel o un microscopio de fuerza atómica. Los microscopios de exploración de túneles utilizan una corriente eléctrica débil para probar el material escaneado. Los microscopios de fuerza atómica escanean las superficies con una punta increíblemente fina. Ambos microscopios envían datos a una computadora, que reúne la información y la proyecta gráficamente en un monitor.

Nanocables en crecimiento

Deposición química de vapor (CVD) es un ejemplo de un enfoque de abajo hacia arriba. En general, la ECV se refiere a un grupo de procesos donde los sólidos se forman fuera de una fase gaseosa. Deposito de cientificos catalizadores (como las nanopartículas de oro) en una base, llamada sustrato. Los catalizadores actúan como un sitio de atracción para la formación de nanocables. Los científicos colocan el sustrato en una cámara con un gas que contiene el elemento apropiado, como el silicio, y los átomos en el gas hacen todo el trabajo. Primero, los átomos en el gas se unen a los átomos en los catalizadores, luego los átomos de gas adicionales se unen a esos átomos, y así sucesivamente, creando una cadena o cable. En otras palabras, los nanocables se ensamblan.

Una nueva forma de construir nanocables es imprimirlos directamente en el sustrato apropiado. Un equipo de investigadores en Zurich fue pionero en este método. Primero, esculpieron una oblea de silicio de modo que las partes elevadas de la oblea coincidieron con la forma en que querían que se dispusieran los nanocables. Utilizaron la oblea como un sello, presionándola contra un caucho sintético llamado PDMS. Luego dibujaron un líquido lleno de nanopartículas de oro, llamado suspensión coloidal, a través del PDMS. Las partículas de oro se asentaron en los canales creados por el sello de oblea de silicio. Ahora, el PDMS se convirtió en un molde capaz de transferir una "impresión" de nanocables de oro a otra superficie. Los moldes de PDMS se pueden usar repetidamente y pueden desempeñar un papel en la producción en masa de circuitos de nanocables en el futuro [fuente: Nature Nanotechnology].

Varios laboratorios han creado transistores utilizando nanocables, pero su creación requiere mucho tiempo y mano de obra. Los transistores Nanowire funcionan tan bien o mejor que los transistores actuales. Si los científicos pueden encontrar una manera de diseñar una manera de producir y conectar transistores de nanocables entre sí de manera eficiente, allanarán el camino a microprocesadores más pequeños y más rápidos, lo que permitirá a la industria de la computación mantenerse al día con la Ley de Moore. Los chips de computadora continuarán haciéndose más pequeños y más poderosos.

La investigación en producción de nanocables continúa en todo el mundo. Muchos científicos creen que es solo cuestión de tiempo antes de que alguien encuentre una forma viable de producir en masa nanocables y transistores de nanocables. Con suerte, si y cuando lleguemos a ese punto, también tendremos una manera de organizar los nanocables de la forma que deseamos para que podamos utilizarlos en todo su potencial.

En la siguiente sección, aprenderemos sobre las aplicaciones potenciales de la tecnología de nanocables.-

Nanocables caseros de la naturaleza

Hasta hace poco, los científicos creían que todos los nanocables eran artificiales, pero hace un par de años los biólogos descubrieron que las bacterias pueden hacer crecer sus propios nanocables. Una bacteria llamada Geobacter sulfurreducens arroja electrones a átomos de metal (los electrones son un subproducto del consumo de combustible de la bacteria). Si hay una escasez de metal en el entorno de la bacteria, crecerá un apéndice de nanocables para conducir los electrones al metal más cercano, lo que permitirá que la bacteria consuma más combustible. Los científicos esperan construir células de combustible orgánico utilizando bacterias como Geobacter sulfurreducens para producir electricidad.

Aplicaciones de nanocables

El CEO de Intel, Paul Ortelli, tiene una oblea de chips de computadora con circuitos de 32 nanómetros.

El CEO de Intel, Paul Ortelli, tiene una oblea de chips de computadora con circuitos de 32 nanómetros.

Quizás el uso más obvio para los nanocables es en electrónica. Algunos nanocables son muy buenos conductores o semiconductores, y su tamaño minúsculo significa que los fabricantes podrían colocar millones de transistores más en un solo microprocesador. Como resultado, la velocidad de la computadora aumentaría dramáticamente.

Los nanocables pueden desempeñar un papel importante en el campo de las computadoras cuánticas. Un equipo de investigadores en los Países Bajos creó nanocables a partir de arseniuro de indio y los adjunto a electrodos de aluminio. A temperaturas cercanas al cero absoluto, el aluminio se convierte en un superconductor, lo que significa que puede conducir la electricidad sin ninguna resistencia. Los nanocables también se convirtieron en superconductores debido a la efecto de proximidad. Los investigadores podrían controlar la superconductividad de los nanocables al ejecutar varios voltajes a través del sustrato debajo de los cables [fuente: New Scientist].

Los nanocables también pueden jugar un papel importante en dispositivos de tamaño nanométrico como nanorobots. Los médicos podrían usar los nanorobots para tratar enfermedades como el cáncer. Algunos diseños de nanorobots tienen sistemas de energía a bordo, que requerirían estructuras como nanocables para generar y conducir energía.

Utilizando piezoeléctrico material, los nanocientíficos podrían crear nanocables que generan electricidad a partir de energía cinética. El efecto piezoeléctrico es un fenómeno que muestran ciertos materiales: cuando se aplica una fuerza física a un material piezoeléctrico, se emite una carga eléctrica. Si aplicas una carga eléctrica a este mismo material, vibra. Los nanocables piezoeléctricos podrían proporcionar energía a los sistemas de nano tamaño en el futuro, aunque en la actualidad no existen aplicaciones prácticas.

Hay cientos de otras aplicaciones potenciales de nanocables en electrónica. Investigadores en Japón están trabajando en interruptores atómicos que podrían reemplazar algún día los interruptores semiconductores en dispositivos electrónicos. Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable esperan que coaxial nanocables Mejorará la eficiencia energética de las células solares. Debido a que todavía estamos aprendiendo sobre las propiedades de los nanocables y otras estructuras a nanoescala, podría haber miles de aplicaciones que aún no hemos considerado.

Para obtener más información sobre los nanocables y temas relacionados, siga los enlaces de la página siguiente.

Nanocables en medicina

No todas las aplicaciones de nanocables están en el campo de la electrónica. En la Universidad de Arkansas, los investigadores están utilizando nanocables para cubrir implantes de titanio. Los médicos han descubierto que el tejido muscular a veces no se adhiere bien al titanio, pero cuando se recubre con los nanocables, el tejido puede anclarse al implante, lo que reduce el riesgo de falla del implante.

-Los científicos del Instituto Gladstone de Enfermedades Cardiovasculares están experimentando con nanocables y células madre. Esperan que al ejecutar una corriente eléctrica a través de un nanocables en la célula madre puedan dirigir cómo la célula se diferencia [fuente: Berkeley Lab].


Suplemento De Vídeo: KVM NanoCable.




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