Nanomundo de nanotubos
2003/10/01 Rementeria Argote, Nagore - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria
O tema parece ciencia ficción, na actualidade 40 millóns de transistores entran nun selo. Está claro onde está o límite, os instrumentos máis pequenos que se poden imaxinar son os moleculares. Pero, seremos capaces de chegar até aí?
Aínda que polo momento estamos bastante lonxe da fronteira, a importancia que adquiriu a nanotecnoloxía dános una idea da dimensión do tema. Os investigadores atopan cada día máis aplicacións e creáronse movementos contra a nanotecnoloxía, como adoita ocorrer coas tecnoloxías innovadoras. Quen non ven con bos ollos a nanotecnoloxía téñena como fonte de contaminación e, antes de tarde, piden que se investiguen os efectos que os residuos xerados poden ter sobre o medio ambiente e a saúde humana.
Algo máis que tubos ananos
A pesar de que na década dos 90 conseguiuse a fabricación de aparellos a nivel molecular, até o ano 2001 non se logrou a interconexión deste tipo de ferramentas diminutas, lográndose entón a realización de operacións computacionales básicas. Aínda que paira iso utilizáronse nanocables de diferentes materiais, os nanotubos de carbono son os máis queridos polos investigadores.
De feito, os nanotubos de carbono teñen unhas características moi especiais, polo que se considera que poden ter moitos usos. Paira empezar, teñen una estrutura atómicamente especial. Os nanotubos son redes de hexágono formadas por carbono, redondeadas en forma cilíndrica. Segundo a torsión dos hexágonos, as propiedades eléctricas do nanotubo varían, podendo ser tantos condutores como semiconductores.
Iniciación ao balón
A orixe dos nanotubos radica nunha molécula chamada fulereno. Os fulerenos son moléculas de carbono con estrutura en forma de balón. Nela, os átomos de carbono agrúpanse en hexágonos e pentágonos formando una esfera como un balón de fútbol. O diámetro desta molécula depende do número de átomos. As primeiras producidas foron de 60 e 70 átomos de carbono, eran as estruturas máis estables, pero xa hai outras de 20, 32, 50 e 540.
Os nanotubos describíronse como una combinación de estruturas de fulereno e grafito, xa que están formados por capas como as do grafito. Estas capas están dobradas en forma de cilindro e nos bordos aparecen as medias moléculas do fulereno pechando os tubos.
Os nanotubos de carbono poden estar constituídos por múltiples capas, colocadas una sobre outra como nas cebolas, pero son dunha soa capa as que se utilizan paira realizar conexións en nanocirecidos, xa que a estrutura dos nanotubos multicapa e por tanto a conductividad é moi difícil de controlar. Adoitan ter un diámetro aproximado de nanómetros e deben ser condutores, por suposto, pero a súa característica principal é que son capaces de ensamblarlos, de forma que no propio circuíto únense a outros nanotubos e outras pezas.
Como se pode observar, os nanotubos de carbono son ideais paira a fabricación de chips moleculares, pero este tipo de tecnoloxía aínda non está madurada e é posible que a medida que avanza non sexan tan adecuadas.
Polo momento, parece que os nanotubos teñen un gran futuro. Ademais de traballar os nanocables paira circuítos, xa teñen outras aplicacións. Por exemplo, produciuse una mellora da resolución no microscopio SPM e a casa Samsung utilizouna nas pantallas con imaxes en cor.
Usos no aire
En teoría coñécense a maior parte das propiedades dos nanotubos, pero na práctica algúns non puideron ser aínda probados. Con todo, considérase que grazas aos cálculos teóricos, poden ter aplicacións en case todos os campos.
Por exemplo, o recubrimiento das ás dos avións con nanotubos evitaría que as faíscas xeradas pola enerxía estática provocasen un incendio. Tamén en aeronáutica e astronáutica está a investigarse sobre os seus posibles usos en buques espaciais. Din que no futuro os principais compoñentes dos coches e de todo tipo de aeronaves non serán metálicos, senón que será a quenda doutros materiais como o carbono.
A nanotecnoloxía tamén agravará o mundo téxtil. Cos tecidos cos nanotubos intercalados de carbono fabricaranse as pezas anti-bala máis eficaces, as máis resistentes e lixeiras até o momento. E, liberando a imaxinación, podemos imaxinar pezas con pequenos ordenadores baseados en nanotubos, que avisen de cando teñen necesidade de limparse, ou de constantes vitais, por exemplo.
Como se pode observar, os nanotubos teñen propiedades que poden ser útiles.
Ciencia ficción?
Seguiremos sacudindo a imaxinación. Nunha cidade do futuro, un coche foise abaixo, un coche ten avarías pero en poucos segundos recuperou o seu aspecto inicial.
É posible que no futuro póidase fabricar este tipo de coches, tamén con nanotubos de carbono. De feito, una das propiedades máis rechamantes destes tubos é a elasticidade. Moitos se poden equivocar antes de romper, pero non só iso, son capaces de recuperar o aspecto anterior una vez que a forza que os dobrou detívose. Por tanto, se a carrozaría dos coches faise con nanotubos de carbono, una vez abolados nun accidente, pasarían a ter forma orixinal. Con todo, os enxeñeiros terán que facer moito traballo se non queren que os coches se reboten antes, coa forza do golpe.
Economía
Se ese material é tan marabilloso, por que xa non o atopamos nos aparellos que utilizamos a diario? A pregunta é sinxela pero a resposta non tanto, xa que hai máis dunha resposta posible. As contas non se poden esquecer. Aínda non se conseguiu producir grandes cantidades de nanotubos, o que significa que se trata dun produto caro, que nos últimos anos está a abaratarse constantemente. Paira algunhas aplicacións, o prezo da fibra de carbono sería suficiente paira ser economicamente viable. E co tempo non parece difícil alcanzar o obxectivo, xa que as materias primas utilizadas paira a síntese son abundantes e o propio proceso de síntese non é caro.
Por tanto, uno dos obxectivos dos investigadores é buscar una forma sinxela de producir nanotubos de carbono en grandes cantidades, é dicir, atopar una forma de facer a síntese industrialmente.
Polo momento, utilízanse principalmente tres vías de sínteses, pero dúas delas son difíciles de levar á industria e a purificación dos produtos que se obteñen tampouco é fácil. O terceiro método consiste na utilización de gas natural paira a preparación de nanotubos de carbono, polo que a síntese é relativamente económica e a cantidade de produto é facilmente controlable, pero a reacción requirirá un maior rendemento se se desexa un produto barato.
Doutra banda, hai que ter en conta que a tecnoloxía dos nanotubos é moi nova, aínda que se está desenvolvendo moi rápido. En consecuencia, dificilmente vanse a levar a cabo todos os usos anunciados e, ao mesmo tempo, espérase que a medida que avanza a investigación haxa máis aplicacións.
Nace o nanomundo dos nanotubos e as incribles tecnoloxías de películas e libros de ciencia ficción son cada vez máis reais. Chegará a realidade máis lonxe da imaxinación?
Nanotubos doutros materiais
Teoricamente, os nanotubos poden estar formados por calquera material con estrutura cristalina laminar. Con todo, na actualidade as máis fáciles de sintetizar son as de carbono.
Con todo, investíganse outros materiais como o nitruro de boro, o titanio e as combinacións con boro, carbono e nitróxeno. Sobre todo nos nanotubos doutros materiais búscanse propiedades que non teñen os nanotubos de carbono.
Por exemplo, os nanotubos de nitruro de boro son moi interesantes xa que todos teñen as mesmas propiedades electrónicas. Así, aínda que son illantes, son capaces de conducir corrente eléctrica dopados.
Aínda que os nanotubos de carbono utilízanse paira crear sensores de gases, os de titanio son únicos paira a fabricación de sensores de hidróxeno. E é que, ademais de ser moi sensibles, han visto que se poden utilizar unha e outra vez.
A investigación básica aínda non chegou a todos os materiais que poden formar nanotubos, pero a guerra de patentes xa comezou e hai moito diñeiro en xogo.
Caracterización e clasificación de nanotubos de carbono
As propiedades dos nanotubos dependen da estrutura, de aí a importancia da súa clasificación estrutural.
Paira coñecer a estrutura mídese a difracción de luz do nanotubo. E a clasificación é consecuencia do cálculo teórico. Imaxinemos que cortamos enlácelos do nanotubo nunha liña recta paralela ao eixo e estendemos a capa que forma o tubo.
Nesta superficie defínese o vector que une os bordos no caso da figura (N,M) = (10,10).
Este vector caracteriza exhaustivamente o tubo. Así, aínda que poden existir millóns de combinacións, pódese facer una clasificación xeral.
- Cando N=M, o tubo é de tipo cadeira de brazos.
- M=0 en zigzag.
- En todos os demais casos o tubo é de caracol.
Teoricamente, os nanotubos de carbono tipo cadeira de brazos son metais en conductividad, mentres que os que ocupan N-M = 3 son semiconductores e o resto illantes.
Lei de Moore Falouse moito da predición realizada en 1965 por Gordon Moore, quen en dúas décadas dixo que cada ano se dobraría a capacidade dos computadores. Posteriormente, o propio Moore realizou una corrección a este anuncio, indicando que a duplicación se produciría cada 18 meses. A lei de Moore cumpriuse até agora, o tamaño das computadoras foi diminuíndo exponencialmente. Con todo, cando empezan a conseguir transistores duns poucos nanómetros, tentan calcular até cando esta lei estará vixente. De feito, paira seguir facendo computadoras cada vez máis pequenas e que poidan procesar densidades de datos maiores é imprescindible que sexan tamén baratas, e a tecnoloxía paira facer ferramentas tan pequenas é, polo momento, moi cara. Con todo, só o futuro sabe o que vai pasar. As computadoras que conteñen compoñentes do tamaño dos átomos, que son as que poden ser e son as máis pequenas, e que se desenvolverán antes ou despois. A medida que se vaia desenvolvendo a nanotecnoloxía, o período de vixencia da lei de Moore cesará necesariamente. |
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
