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NANOTECNOLOGIA

EXPLORADORES DEL NANOESPACIO

03/05/2002

Mientras los astrofísicos se esfuerzan en averiguar cómo viajar a través del espacio exterior, otros científicos examinan el extremo opuesto del problema, cómo mover moléculas a través del nanoespacio. Un equipo de investigadores australianos y estadounidenses ha anunciado un sustancial avance en el uso de tecnología de membranas para filtrar y separar varios gases y vapores.

Esto podría tener aplicaciones en muchas actividades, desde la purificación del agua y la limpieza del ambiente, hasta la mejora de los combustibles, medicinas más puras o desalar el agua de los mares para hacerla potable.

El equipo de científicos está formado por personal del CSIRO, la University of Texas en Austin, la North Carolina State University y el MTR, en Menlo Park California. Su descubrimiento, anunciado en la revista Science del 19 de abril,consiste en un nuevo tipo de filtro mejorado para nanopartículas, ideado para separar compuestos en el ámbito molecular.

Como explica Anita Hill, del CSIRO australiano, de la misma manera que los astrofísicos exploran teorías sobre "agujeros de gusano", que algún día podrían ayudarnos a viajar a través del espacio-tiempo, su equipo está estudiando formas de crear "agujeros de gusano" a un nivel diminuto, apenas millonésimas de milímetro,en un medio filtrante, de tal forma que podamos controlar de manera precisa qué puede pasar y lo que no.

El nuevo medio filtrante ha sido creado combinando polímeros orgánicos que se usan normalmente para hacer filtros de membrana con sustancias inorgánicas, en este caso, una mezcla de partículas de sílice.

El equipo descubrió que esta combinación proporciona a la membrana una habilidad considerable para separar grandes moléculas orgánicas de los gases en los que podrían estar flotando.

Esta nueva clase de materiales orgánicos/inorgánicos, conocidos como nanocompuestos, ya ha demostrado su utilidad para conseguir una conductividad mejorada, son extremadamente resistentes, tienen propiedades ópticas valiosas y son capaces de actuar como catalizadores. Su recién hallada capacidad de filtrar gases y vapores orgánicos a nivel molecular, no hace sino incrementar su interés.

Los científicos prevén un importante papel para ellos en otro sector: la producción de hidrógeno, una de las principal fuentes de energía del futuro.

CONTROL SIN PRECEDENTES EN LA FORMACION DE NANOESTRUCTURAS

10/05/2002

Un equipo de investigadores de la Universitat Autónoma de Barcelona, junto con investigadores del ICMAB (CSIC) y de científicos rusos y ucranianos, ha descubierto la manera de controlar con una precisión sin precedentes la formación de unas estructuras nanométricas de material semiconductor en forma de islas, con prometedoras aplicaciones en optoelectrónica y en la mejora de las tecnologías de la comunicación. El descubrimiento ha merecido la portada de la prestigiosa revista Nanotechnology.

Una de las áreas de investigación que actualmente está recibiendo más impulso por sus futuras aplicaciones es la manipulación de superficies a escala nanométrica, hasta el punto de construir y de manipular estructuras casi átomo a átomo donde los efectos cuánticos pueden dotar a estos materiales de nuevas propiedades con aplicaciones inéditas en nanoelectrónica, en optoelectrónica y en computación. Una de estas estructuras es el denominado quantum dot, o punto cuántico, donde los electrones pierden la capacidad de movilidad en las dimensiones espaciales y se ven confinados en un espacio de dimensión cero (un punto). De momento, la realización experimental con materiales semiconductores más parecida a los quantum dots es la formación de nanoislas, islas de semiconductor de unas decenas de nanómetros de diámetro y altura. Estas islas se pueden fabricar mediante técnicas de litografía, "imprimiéndolas" sobre la superficie de un substrato, pero los científicos trabajan desde hace una década en un nuevo método mucho más eficaz y estable para su construcción: la formación espontánea de las nanoislas.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universitat Autónoma de Barcelona, junto con investigadores del Institut de Ciència de Materials de Barcelona (instituto del CSIC en el campus de la UAB), el Institute of Microstructure Physics de Nizhny Novgorod (Rusia) y el Institute of Semiconductor Physics de Kiev (Ucrania), ha conseguido una precisión sin precedentes en el control del crecimiento de las nanoislas. Los investigadores han estudiado en detalle la formación espontánea de nanoislas de SiGe (material semiconductor) al depositar capas de pocos átomos de grosor de germanio sobre substratos de silicio, y han observado, por primera vez, la manera como afectan separadamente el grosor de las capas de germanio y la temperatura de formación de las nanoislas en su distribución, composición y en sus dos posibles formas: piramidales o redondeadas.

El equipo de investigadores ha conseguido un nivel de control sin precedentes sobre la distribución, la forma y la composición de nanoislas de SiGe, de modo que variando el grosor de las capas de germanio y la temperatura del substrato de silicio pueden obtener a voluntad grandes densidades de pequeñas islas piramidales, grandes islas redondeadas distribuidas con menor densidad o bien una mezcla uniforme de islas piramidales y redondeadas. Por lo que respecta al control sobre la composición del material semiconductor SiGe de las islas, los investigadores han observado que conforme aumenta la temperatura más grande es el contenido de silicio, independientemente de la forma y distribución de las nanoislas.

La investigación ha merecido últimamente la portada de la prestigiosa revista Nanotechnology, y puede tener aplicaciones de gran importancia en el ámbito de la nanoelectrónica y de la optoelectrónica, ya que los láseres de semiconductor (como los utilizados en los "punteros láser") fabricados con este tipo de materiales podrían emitir luz en un rango de colores mucho más amplio que los actuales. Se prevé que el descubrimiento mejorará la transmisión de información por fibra óptica en los circuitos optoelectrónicos, la base de las nuevas tecnologías de la comunicación.

Los investigadores ya trabajan en la formación de otras nanoestructuras cuánticas, en particular nanolagunas semiconductoras, que se forman espontáneamente al depositar capas de seleniuro de cadmio (CdSe) en substratos de seleniuro de zinc (ZnSe). (UAB)

NANOCRISTALES ECONOMICOS

23/08/ 2002

Investigadores de la Purdue University han hecho un sorprendente descubrimiento que podría abrir las puertas al uso variado de los llamados "nanocristales" metálicos, a menudo más fuertes, duros y resistentes que la materia prima de la que proceden.

Tan codiciados nanocristales se encuentran en un inesperado lugar: los desechos producidos durante el mecanizado de piezas metálicas, que habitualmente son recogidos y fundidos para ser reutilizados. Srinivasan Chandrasekar, el responsable de la investigación, dice que, bajo este punto de vista, los desechos son más valiosos kilogramo por kilogramo que el material del cual proceden.

Los nanocristales se emplean para fabricar piezas metálicas superfuertes y de gran duración. También se añaden a plásticos y otros metales para dar forma a nuevos tipos de estructuras de materiales compuestos, aplicables en muchos campos, como los automóviles o la electrónica.

Hasta la fecha, sin embargo, los nanocristales eran muy caros y difíciles de producir, dificultando sobremanera su uso práctico tanto industrial como comercial. Por ejemplo, el coste de fabricar nanocristales es de unos 200 dólares por kilogramo, y además los nanocristales de ciertos metales muy necesarios para la industria ni siquiera pueden obtenerse con las técnicas de laboratorio actuales.

La contribución de Chandrasekar y sus colegas ha sido desarrollar un proceso de obtención de estos materiales, en grandes cantidades, a un muy bajo precio. Se espera que éste no supere los 2 dólares por kilogramo, más el coste de la materia prima original.

El procedimiento habitual para obtener nanocristales es tedioso. Implica calentar el material hasta que se evapora, y después recolectar los nanocristales a medida que se condensan sobre una superficie fría.

Pero Srinivasan Chandrasekar ha descubierto que los desechos procedentes del mecanizado de una pieza metálica están hechos de nanocristales de forma completa o primaria. Al ser fundidos para ser reutilizados, estos nanocristales desaparecen y se desperdician. Chandrasekar, por supuesto, propone evitar este reciclaje y aprovechar directamente los nanocristales. Con ellos se podrán fabricar piezas más resistentes y duraderas, nuevos tipos de sensores y componentes para ordenadores y aparatos electrónicos.

Algunos nanocristales tienen una dureza entre un 100 y un 300 por ciento mayor que los mismos materiales en forma de materia prima. Dado que la resistencia al desgaste frecuentemente depende de la dureza del material, las piezas hechas con nanocristales durarán mucho más que las convencionales.

Las técnicas propuestas por Chandrasekar permiten además obtener nanocristales a partir de cualquier material metálico (acero, tungsteno, aleaciones de titanio o níquel, etc.).

Los nanocristales aparecen en los desechos del mecanizado de piezas cuando el material con el que son fabricadas es sometido a tensiones estructurales muy grandes, por ejemplo, cuando es cortado. En este caso, se producen nanocristales de unos 100 nanómetros de diámetro.

NANOTUBOS PARA TODO USO

30/08/ 2002

Los nanotubos, las supermoléculas utilizadas para crear células de combustible o diminutos circuitos de ordenador, podrían encontrar multitud de nuevas aplicaciones, desde el tratamiento de enfermedades hasta la fabricación de plásticos, pasando por el almacenamiento de información, gracias a una nueva técnica desarrollada en la Purdue University.

Hicham Fenniri y sus colegas han aprendido a crear numerosas especies de nanotubos que poseen propiedades físicas y químicas sin precedentes, cada una de las cuales podría llevarnos a una aplicación industrial distinta. Los científicos tienen además un control casi total sobre la formación de los nanotubos, lo que permite adaptar sus propiedades como se desee. Es como si, en vez de tener muchos ladrillos del mismo tamaño, forma y color, tuviéramos un patio lleno de muchas variedades de ellos, lo que ampliará el espectro de construcciones a las que tendremos acceso.

Los nanotubos fueron descubiertos en 1991. Son moléculas que se asemejan a un cilindro, lo que las hace aptas para muchas tareas en el ámbito de la nanotecnología. Por ejemplo, los investigadores de IBM han conseguido utilizar nanotubos de carbono para crear circuitos lógicos. Por su parte, el grupo de Fenniri ha encontrado una nueva clase de nanotubos. Estos no están hechos de carbono o metales, sino que se han fabricado con moléculas orgánicas sintéticas. Gracias a la química sintética, se consigue un completo control sobre su formación, lo que se traduce en más opciones para la industria.

Los nanotubos de Fenniri se parecen a una sucesión de anillos en espiral. Cada anillo está hecho de seis moléculas que han adoptado la forma de una porción de pastel. El equipo ha aprendido a unir otras moléculas al exterior de la espiral, las cuales proporcionarán sus propiedades al nanotubo. Así, si unimos moléculas de nylon, los nanotubos pueden ser convertidos en fibras muy largas y flexibles que, además, serán muy fuertes. Con esta nueva versión de nylon se podría hacer mucho más que un calcetín fuerte y elástico: se podrían usar estas fibras para reforzar cualquier cosa, desde el casco de un barco a una armadura o un paracaídas.

Otro secreto en la creación de nanotubos con propiedades "a medida" es la manipulación de la dirección hacia la que está orientado el giro en espiral del nanotubo. En la naturaleza, todas las moléculas que se retuercen sobre sí mismas lo hacen hacia la derecha (ocurre, por ejemplo, en el ADN). Son moléculas "diestras". Pero Fenniri y su equipo pueden hacer que sus nanotubos se orienten en cualquier dirección. Los nanotubos "zurdos" tienen propiedades que sus primos diestros no tienen.

Haciendo experimentos con ellos, los científicos han descubierto que los nanotubos promueven su propia formación. Es un comportamiento que nos recuerda al de los sistemas vivos, que deben replicarse y adaptarse a su ambiente. Así, colocando la materia prima de los nanotubos en un tubo de ensayo, y ajustando condiciones como la temperatura o la presión, los nanotubos se organizan por sí mismos en alguna de múltiples y diferentes configuraciones, a menudo nunca vistas anteriormente. Por ejemplo, y hablando de forma simplificada, un nanotubo puede formarse a 25 grados Celsius, mientras que otro, con propiedades muy distintas, lo puede hacer a los 70 grados.

Todas estas posibilidades de manipulación y de creación de nanotubos con múltiples características, los hacen interesantes para muchas aplicaciones. Podrían ayudar a destruir bacterias infecciosas, conducir electricidad o fotones, etc.

PEQUEÑOS ESPIAS

13/09/ 2002

Investigadores de la University of California, en San Diego, han desarrollado chips de silicio del tamaño de partículas de polvo que podrán detectar de forma remota y rápida una gran variedad de agentes químicos y biológicos, incluyendo sustancias que los terroristas podrían disolver en el agua potable o lanzar a la atmósfera.

Su uso, probablemente, encontrará avenidas en otras aplicaciones, incluso comerciales, como la búsqueda de nuevos fármacos y el ensayo de muestras de materiales tóxicos.

La idea inicial era disponer de algo lo bastante pequeño como una mota de polvo, pero al mismo dotado de una cierta inteligencia, de manera que pueda ser colocado sobre la pintura de una pared, en el lateral de un camión o dispersado en una nube de gas, para ser después utilizado para detectar sustancias tóxicas y materiales biológicos, explica Michael J. Sailor, profesor de química y bioquímica en la UCSD.

Cuando el polvo reconoce qué tipo de sustancias o agentes biológicos están presentes, la información puede ser leída como una serie de códigos de barras mediante un láser similar al que se emplea en una tienda de comestibles. El sistema nos dirá si una nube que se dirige hacia nosotros contiene bacterias de ántrax, o si un depósito contiene agua contaminada.

El "código de barras" en las partículas de polvo de silicio es básicamente una longitud de onda específica (o color), reflejada desde su superficie después de que delgadas capas situadas sobre ella reaccionen químicamente frente a una sustancia o agente biológico específicos.

Las partículas de silicio son llamadas más exactamente "cristales fotónicos". Pueden reflejar luz de colores muy concretos, cada uno de los cuales puede ser comparado a una única barra del código de barras usado en un comercio.

Durante la búsqueda de agentes químicos o biológicos, desearemos discernir entre miles de sustancias diferentes. Dado que las partículas pueden ser codificadas para millones de posibles reacciones, podremos probar la presencia de miles de sustancias a un tiempo.

La codificación que tiene lugar en dichas partículas proporciona colores que son tan precisos, desde el visible hasta el infrarrojo, que un láser puede leer miles de colores distintos indicando sustancias separadas. Las partículas pueden hacer a su vez miles de ensayos químicos en un simple disco de Petri. Con ellas podrían descubrirse nuevas drogas, diagnosticar una enfermedad o controlar la liberación de un fármaco terapéutico.

El silicio poroso utilizado para su fabricación es biocompatible y además permite el uso de tecnología ya disponible, sobre todo en el campo de los ordenadores.

El objetivo es fabricar un láser que permita iluminar las partículas situadas a un kilómetro de distancia. De este modo podrían detectarse agentes peligrosos con la suficiente antelación.

ORO Y NANOTECNOLOGIA

13/09/ 2002

Aunque no sirva como regalo de aniversario, una cadena de oro construida átomo a átomo puede servirnos aún para responer a una de las preguntas básicas de la nanotecnología. ¿Hasta dónde podemos llegar en el mundo de lo pequeño? Wilson Ho, de la University of California en Irvine, nos lo explica.

Ho y sus colegas han descubierto la fase molecular a partir de la cual un grupo de átomos se convierte en una estructura sólida concreta, un hallazgo que podría tener un impacto importante en el futuro desarrollo de estructuras metálicas construidas a escala molecular. El estudio, el primero en su género, sugiere también que existe un límite de tamaño mínimo en la construcción de moléculas eléctricamente conductoras.

La investigación, según Ho, responde a cuestiones fundamentales sobre cómo los sólidos se forman a partir del ensamblaje de átomos individuales. Nos ha permitido ver la materia formándose en su unidad más pequeña, lo cual tendrá implicaciones en la elaboración de nanoestructuras metálicas que puedan utilizarse en diversos campos, como el almacenamiento de datos, circuitos electrónicos, etc.

Ho y su grupo utilizaron un microscopio STM (scanning tunneling microscope) para construir una cadena de átomos de oro, con el objetivo de medir cómo los estados electrónicos variaban a medida que se añadían más átomos a la cadena. Empezando con un único átomo y añadiendo otros sucesivamente, uno a uno, pudieron medir la conductividad eléctrica en tales estados, ver cómo compartían electrones, y comprobar cómo tales medidas cambiaban dramáticamente durante la adición de átomos a la cadena. El STM posibilitó no sólo manipular átomos individuales sino también fotografiar la cadena y medir sus propiedades. Obtuvieron así una clara conexión entre la geometría de la nanoestructura fabricada y sus propiedades electrónicas.

Cuando añadieron el quinto y el sexto átomo, sin embargo, la cadena empezó a exhibir las propiedades colectivas de una estructura global, cuando sus átomos pierden sus características individuales para asumir las de toda la estructura. Es en este punto cuando una molécula metálica se hace conductora y puede ser utilizada para conducir electricidad.

La cadena de átomos de oro alcanzó la cifra de 20 átomos, aunque en principio no hay un límite a la longitud que podría adoptar. Desde los 6 a los 20 átomos, las mediciones de los estados para los electrones mostraron sólo pocas variaciones, convergiendo hasta obtener las propiedades típicas de los sólidos con un mayor número de átomos. Según este experimento, una estructura de oro funcional podría fabricarse con sólo seis átomos.

Efectivamente, Ho y sus colegas han respondido a la pregunta de cuántos átomos son necesarios para construir un material que tenga una utilidad potencial. No es práctico producir en masa cadenas de este tipo como conductores unidimensionales, catalizadores o sistemas de almacenamiento de datos, pero los estudios proporcionan la base científica para una futura nanotecnología, ya que contribuyen a nuestra comprensión del comportamiento de la materia en función de su tamaño.

NANOSOLDADURA PARA NANOTUBOS

27/09/2002

Investigadores del Rensselaer Polytechnic Institute, junto a un equipo internacional de colaboradores, han descubierto cómo soldar entre sí nanotubos de carbono, cilindros de carbono puro que poseen muy interesantes propiedades electrónicas. Se abre así el camino hacia la fabricación de circuitos moleculares y redes de nanotubos.

Pulickel Ajayan y sus colegas utilizaron irradiación y calor para crear las uniones soldadas. Es la primera vez que nanotubos de pared única han podido ser soldados entre sí. Con anterioridad se habían soldado, mediante técnicas de crecimiento, nanotubos con paredes múltiples. Las propiedades eléctricas de los primeros superan a los de los segundos, y esta es una de las razones por las que el experimento de Ajayan era tan esperado.

El científico explica que nadie sabía si se podrían crear uniones. Los nanotubos de carbono de pared única son cilindros perfectos, sin defectos, pero para crear uniones entre ellos deben formarse enlaces carbono-carbono. La aplicación de radiación y calor produce justamente los defectos necesarios para que estos enlaces se formen sin dañar sus propiedades eléctricas.

Han pasado varios años de continuada experimentación. Ha sido difícil encontrar nanotubos que se crucen y se toquen. Esto es esencial para que se produzcan enlaces entre ellos. De momento, no somos capaces de controlar este tipo de alineamientos y debemos conformarnos con buscarlos.

Los investigadores usaron un microscopio electrónico especial, capaz de irradiar y de producir el calor necesario para el experimento. Se trata de un aparato instalado en Stuttgart, y es uno de los pocos que existen en el mundo.

Una vez demostrado que es posible conseguir uniones y empalmes de nanotubos de carbono de pared única, los expertos estudiarán cómo aplicarlos en campos tan avanzados como la nanotecnología y la electrónica molecular.