Nanomundo de nanotubos
El tema parece ciencia ficción, en la actualidad 40 millones de transistores entran en un sello. Está claro dónde está el límite, los instrumentos más pequeños que se pueden imaginar son los moleculares. Pero, ¿seremos capaces de llegar hasta ahí?
Aunque por el momento estamos bastante lejos de la frontera, la importancia que ha adquirido la nanotecnología nos da una idea de la dimensión del tema. Los investigadores encuentran cada día más aplicaciones y se han creado movimientos contra la nanotecnología, como suele ocurrir con las tecnologías innovadoras. Quienes no ven con buenos ojos la nanotecnología la tienen como fuente de contaminación y, antes de tarde, piden que se investiguen los efectos que los residuos generados pueden tener sobre el medio ambiente y la salud humana.
Algo más que tubos enanos
A pesar de que en la década de los 90 se consiguió la fabricación de aparatos a nivel molecular, hasta el año 2001 no se logró la interconexión de este tipo de herramientas diminutas, lográndose entonces la realización de operaciones computacionales básicas. Aunque para ello se han utilizado nanocables de diferentes materiales, los nanotubos de carbono son los más queridos por los investigadores.
De hecho, los nanotubos de carbono tienen unas características muy especiales, por lo que se considera que pueden tener muchos usos. Para empezar, tienen una estructura atómicamente especial. Los nanotubos son redes de hexágono formadas por carbono, redondeadas en forma cilíndrica. Según la torsión de los hexágonos, las propiedades eléctricas del nanotubo varían, pudiendo ser tanto conductores como semiconductores.
Iniciación al balón
El origen de los nanotubos radica en una molécula llamada fulereno. Los fulerenos son moléculas de carbono con estructura en forma de balón. En ella, los átomos de carbono se agrupan en hexágonos y pentágonos formando una esfera como un balón de fútbol. El diámetro de esta molécula depende del número de átomos. Las primeras producidas fueron de 60 y 70 átomos de carbono, eran las estructuras más estables, pero ya hay otras de 20, 32, 50 y 540.
Los nanotubos se han descrito como una combinación de estructuras de fulereno y grafito, ya que están formados por capas como las del grafito. Estas capas están dobladas en forma de cilindro y en los bordes aparecen las medias moléculas del fulereno cerrando los tubos.
Los nanotubos de carbono pueden estar constituidos por múltiples capas, colocadas una sobre otra como en las cebollas, pero son de una sola capa las que se utilizan para realizar conexiones en nanocirecidos, ya que la estructura de los nanotubos multicapa y por tanto la conductividad es muy difícil de controlar. Suelen tener un diámetro aproximado de nanómetros y deben ser conductores, por supuesto, pero su característica principal es que son capaces de ensamblarlos, de forma que en el propio circuito se unen a otros nanotubos y otras piezas.
Como se puede observar, los nanotubos de carbono son ideales para la fabricación de chips moleculares, pero este tipo de tecnología todavía no está madurada y es posible que a medida que avanza no sean tan adecuadas.
Por el momento, parece que los nanotubos tienen un gran futuro. Además de trabajar los nanocables para circuitos, ya tienen otras aplicaciones. Por ejemplo, se ha producido una mejora de la resolución en el microscopio SPM y la casa Samsung la ha utilizado en las pantallas con imágenes en color.
Usos en el aire
En teoría se conocen la mayor parte de las propiedades de los nanotubos, pero en la práctica algunos no han podido ser todavía probados. Sin embargo, se considera que gracias a los cálculos teóricos, pueden tener aplicaciones en casi todos los campos.
Por ejemplo, el recubrimiento de las alas de los aviones con nanotubos evitaría que las chispas generadas por la energía estática provocaran un incendio. También en aeronáutica y astronáutica se está investigando sobre sus posibles usos en buques espaciales. Dicen que en el futuro los principales componentes de los coches y de todo tipo de aeronaves no serán metálicos, sino que será el turno de otros materiales como el carbono.
La nanotecnología también agravará el mundo textil. Con los tejidos con los nanotubos intercalados de carbono se fabricarán las prendas anti-bala más eficaces, las más resistentes y ligeras hasta el momento. Y, liberando la imaginación, podemos imaginar prendas con pequeños ordenadores basados en nanotubos, que avisen de cuándo tienen necesidad de limpiarse, o de constantes vitales, por ejemplo.
Como se puede observar, los nanotubos tienen propiedades que pueden ser útiles.
¿Ciencia ficción?
Seguiremos sacudiendo la imaginación. En una ciudad del futuro, un coche se ha ido abajo, un coche tiene averías pero en pocos segundos ha recuperado su aspecto inicial.
Es posible que en el futuro se pueda fabricar este tipo de coches, también con nanotubos de carbono. De hecho, una de las propiedades más llamativas de estos tubos es la elasticidad. Muchos se pueden equivocar antes de romperse, pero no sólo eso, son capaces de recuperar el aspecto anterior una vez que la fuerza que los ha doblado se ha detenido. Por lo tanto, si la carrocería de los coches se hace con nanotubos de carbono, una vez abollados en un accidente, pasarían a tener forma original. Sin embargo, los ingenieros tendrán que hacer mucho trabajo si no quieren que los coches se reboten antes, con la fuerza del golpe.
Economía
Si ese material es tan maravilloso, ¿por qué ya no lo encontramos en los aparatos que utilizamos a diario? La pregunta es sencilla pero la respuesta no tanto, ya que hay más de una respuesta posible. Las cuentas no se pueden olvidar. Aún no se ha conseguido producir grandes cantidades de nanotubos, lo que significa que se trata de un producto caro, que en los últimos años se está abaratando constantemente. Para algunas aplicaciones, el precio de la fibra de carbono sería suficiente para ser económicamente viable. Y con el tiempo no parece difícil alcanzar el objetivo, ya que las materias primas utilizadas para la síntesis son abundantes y el propio proceso de síntesis no es caro.
Por lo tanto, uno de los objetivos de los investigadores es buscar una forma sencilla de producir nanotubos de carbono en grandes cantidades, es decir, encontrar una forma de hacer la síntesis industrialmente.
Por el momento, se utilizan principalmente tres vías de síntesis, pero dos de ellas son difíciles de llevar a la industria y la purificación de los productos que se obtienen tampoco es fácil. El tercer método consiste en la utilización de gas natural para la preparación de nanotubos de carbono, por lo que la síntesis es relativamente económica y la cantidad de producto es fácilmente controlable, pero la reacción requerirá un mayor rendimiento si se desea un producto barato.
Por otro lado, hay que tener en cuenta que la tecnología de los nanotubos es muy nueva, aunque se está desarrollando muy rápido. En consecuencia, difícilmente se van a llevar a cabo todos los usos anunciados y, al mismo tiempo, se espera que a medida que avanza la investigación haya más aplicaciones.
Nace el nanomundo de los nanotubos y las increíbles tecnologías de películas y libros de ciencia ficción son cada vez más reales. ¿Llegará la realidad más lejos de la imaginación?
Nanotubos de otros materiales
Teóricamente, los nanotubos pueden estar formados por cualquier material con estructura cristalina laminar. Sin embargo, en la actualidad las más fáciles de sintetizar son las de carbono.
Sin embargo, se investigan otros materiales como el nitruro de boro, el titanio y las combinaciones con boro, carbono y nitrógeno. Sobre todo en los nanotubos de otros materiales se buscan propiedades que no tienen los nanotubos de carbono.
Por ejemplo, los nanotubos de nitruro de boro son muy interesantes ya que todos tienen las mismas propiedades electrónicas. Así, aunque son aislantes, son capaces de conducir corriente eléctrica dopados.
Aunque los nanotubos de carbono se utilizan para crear sensores de gases, los de titanio son únicos para la fabricación de sensores de hidrógeno. Y es que, además de ser muy sensibles, han visto que se pueden utilizar una y otra vez.
La investigación básica aún no ha llegado a todos los materiales que pueden formar nanotubos, pero la guerra de patentes ya ha comenzado y hay mucho dinero en juego.
Caracterización y clasificación de nanotubos de carbono
Las propiedades de los nanotubos dependen de la estructura, de ahí la importancia de su clasificación estructural.
Para conocer la estructura se mide la difracción de luz del nanotubo. Y la clasificación es consecuencia del cálculo teórico. Imaginemos que cortamos los enlaces del nanotubo en una línea recta paralela al eje y extendemos la capa que forma el tubo.
En esta superficie se define el vector que une los bordes en el caso de la figura (N,M) = (10,10).
Este vector caracteriza exhaustivamente el tubo. Así, aunque pueden existir millones de combinaciones, se puede hacer una clasificación general.
- Cuando N=M, el tubo es de tipo sillón.
- M=0 en zigzag.
- En todos los demás casos el tubo es de caracol.
Teóricamente, los nanotubos de carbono tipo sillón son metales en conductividad, mientras que los que ocupan N-M = 3 son semiconductores y el resto aislantes.
Ley de Moore Se ha hablado mucho de la predicción realizada en 1965 por Gordon Moore, quien en dos décadas dijo que cada año se doblaría la capacidad de los computadores. Posteriormente, el propio Moore realizó una corrección a este anuncio, indicando que la duplicación se produciría cada 18 meses. La ley de Moore se ha cumplido hasta ahora, el tamaño de las computadoras ha ido disminuyendo exponencialmente. Sin embargo, cuando empiezan a conseguir transistores de unos pocos nanómetros, intentan calcular hasta cuándo esta ley estará vigente. De hecho, para seguir haciendo computadoras cada vez más pequeñas y que puedan procesar densidades de datos mayores es imprescindible que sean también baratas, y la tecnología para hacer herramientas tan pequeñas es, por el momento, muy cara. Sin embargo, sólo el futuro sabe lo que va a pasar. Las computadoras que contienen componentes del tamaño de los átomos, que son las que pueden ser y son las más pequeñas, y que se desarrollarán antes o después. A medida que se vaya desarrollando la nanotecnología, el periodo de vigencia de la ley de Moore cesará necesariamente. |
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