Una pequeña conexión con grandes implicaciones: hacia una nueva electrónica basada en el carbono

Las nanoestructuras basadas en carbono ofrecen propiedades nanomecánicas y nanoelectrónicas únicas en cualquiera de sus formas, tales como nanotubos, láminas de grafeno y nanocintas. Estos materiales ordenados en la nano-escala, es decir, en la dimensión de una millonésima de milimetro, son firmes candidatos para formar la base de muchos nano-dispositivos, y su aplicación se viene anunciando tanto en el campo de la conversión de energía como en el de transistores nano-electrónicos. Para el buen funcionamiento de estos nano-dispositivos, una buena conexión con el cableado eléctrico es crucial, y es en este aspecto donde investigadores del UPV/EHU, DIPC y CNRS, en España, han hecho avances de gran envergadura al estudiar el contacto de estos nano-dispositivos de carbono con átomos de diferente composición química.

La composición química del cableado eléctrico es de vital importancia ya que afecta tanto las propiedades eléctricas como la geometría de contacto con la nano-estructura de carbono. La influencia de estos dos factores en las propiedades de transporte eléctrico se combinan, y en el estudio se han analizado estos dos parámetros en contactos reducidos al límite atómico ya que en el caso de grandes estructuras es difícil separar su contribución individual.

En el marco de una estrecha colaboración, los investigadores se valieron de una molécula de carbono compuesta por 60 átomos que puede entenderse como una lámina de grafeno envuelta en una diminuta esfera. El grupo experimental liderado por Guillaume Schull en Estrasburgo, fijó esta molécula a la punta de la sonda de un Microscopio de Efecto Túnel, una especie de alfiler extremadamente fino. Posteriormente, ese alfiler acabado en una molécula de carbono se aproximó con extremada precisión a diferentes átomos hasta crear una conexión robusta. Midiendo sistemáticamente la corriente eléctrica a través de la conexión, los investigadores pudieron deducir cuál de estos átomos metálicos inyecta con mayor eficiencia la corriente eléctrica a la molécula de carbono.

Representación artística de la conexión eléctrica entre una molécula de carbono (con forma de pelota de fútbol) y un átomo metálico (partícula gris). Los investigadores han sido capaces de cuantificar cómo la corriente depende de la composición química del átomo metálico.

Las simulaciones a gran escala realizadas en San Sebastián por el grupo teórico liderado por Thomas Frederiksen, Ikerbasque Research Professor en el DIPC, revelaron un aspecto fascinante e inesperado de estas conexiones diminutas: sus propiedades eléctricas y mecánicas son análogas a materiales de carbono de tamaño mucho más grandes.

Estos resultados, publicados en la prestigiosa revista Nature Communications, marcan un precedente y asientan las bases para encontrar conexiones extremamente eficientes en un futuro próximo. El hallazgo hará posible el estudio de una gran cantidad de metales (así como de aleaciones compuestas por dos o tres átomos metálicos diferentes) permitiendo la clasificación sistemática de su capacidad para inyectar electrones en estos dispositivos electrónicos emergentes basados en carbono.


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Cables de ADN autoalineables para aplicaciones en nanoelectrónica

Como la continua miniaturización en la microelectrónica ya está comenzando a alcanzar los límites físicos, los investigadores del sector están buscando nuevos métodos de fabricar dispositivos. Un candidato prometedor es la técnica de origami de ADN (o papiroflexia de ADN), en la que hebras individuales de esta biomolécula se autoensamblan en nanoestructuras de forma arbitraria. Sin embargo, la formación de circuitos enteros requiere de la colocación controlada de estas estructuras de ADN sobre una superficie, algo que hasta ahora sólo ha sido posible mediante técnicas muy elaboradas.

Ahora, unos investigadores del Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR por sus siglas en alemán) han ideado una estrategia más simple que combina el origami de ADN con la formación de patrones autoorganizados.

El método desarrollado por el equipo de Adrian Keller basa su sencillez en el hecho de que una vez se ha creado la infraestructura necesaria, el resto del trabajo de montaje corre esencialmente por cuenta de la naturaleza.

Lo que parece una serie de dunas de arena, en realidad es más pequeño que un grano de arena. Gracias a las interacciones electrostáticas de superficie, los nanotubos de ADN (mostrados aquí en rojo) se alinean a lo largo del nanopatrón prefabricado sobre una superficie de silicio.

Los físicos utilizaron esta técnica para producir tubos pequeños con longitudes de 412 nanómetros y diámetros de 6 nanómetros. Estas estructuras se pueden utilizar como andamios para la fabricación de componentes nanoelectrónicos, como por ejemplo nanocables.

Con el fin de alinear estos nanotubos sobre la superficie, los investigadores se basaron en un principio de autoorganización que es bastante común en la naturaleza. Por ejemplo, el viento puede formar patrones ordenados en la superficie de arena de una playa. En el caso de este trabajo actúan procesos similares. Keller y sus colegas irradian con iones la superficie sobre la que quieren colocar las nanoestructuras. En este caso, la superficie es la de las obleas de silicio con las que trabajan. La irradiación con iones hace que aparezcan espontáneamente nanopatrones ordenados que se asemejan a dunas de arena en miniatura.

Mediante interacciones electrostáticas entre nanoestructuras de ADN cargadas y la superficie cargada, los nanotubos se alinean por sí mismos en los valles entre las dunas.

A diferencia de estrategias anteriores, la nueva técnica es rápida, barata y sencilla.


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Mejora espectacular de la conversión de calor en electricidad

Se ha logrado dar con un modo de mejorar radicalmente los materiales termoeléctricos, un hallazgo que podría conducir algún día al desarrollo de mejores paneles solares, aparatos de refrigeración con mayor eficiencia energética, e incluso la creación de nuevos dispositivos capaces de convertir en electricidad adicional la enorme cantidad de calor desperdiciado en las centrales eléctricas.

La nueva tecnología, basada en construir un conjunto de columnas nanométricas encima de una lámina de material termoeléctrico, representa una forma del todo nueva de abordar un problema centenario.

El efecto termoeléctrico, descubierto en el siglo XIX, consiste en la capacidad de generar una corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura entre un lado de un material y el otro. Y, a la inversa, la aplicación de un voltaje eléctrico a un material termoeléctrico puede causar que un lado del material se caliente, mientras que el otro se mantiene frío, o, alternativamente, que un lado se enfríe mientras que el otro permanece caliente.

Se han empleado dispositivos que incorporan materiales termoeléctricos de las dos formas: para crear electricidad a partir de una fuente de calor, como el Sol, por ejemplo, o para enfriar instrumentos de precisión consumiendo electricidad.

Sin embargo, el uso amplio de materiales termoeléctricos se ha visto dificultado por un problema fundamental que ha mantenido ocupados a los científicos durante décadas. Los materiales que permiten a la electricidad fluir a través de ellos también hacen lo mismo con el calor. Esto significa que en cuanto una diferencia de temperatura crea un potencial eléctrico, esta diferencia empieza a disiparse, debilitando la corriente que creó.

Hasta los años 90, los científicos se enfrentaron a este problema buscando materiales con propiedades intrínsecas que permitían a la electricidad fluir más fácilmente que el calor.

La entrada en escena de la nanotecnología abrió nuevas oportunidades.

Utilizando nanotecnología, los físicos de materiales empezaron a crear barreras en materiales termoeléctricos, como agujeros o partículas, que impedían el paso del flujo de calor más que el del flujo de electricidad. Pero incluso en el mejor de los casos, el flujo de electrones, que transportan la energía eléctrica, también se veía enlentecido.

Ahora, el equipo de Mahmoud Hussein y Bruce Davis, de la Universidad de Colorado en la ciudad estadounidense de Boulder, ha demostrado que se podría usar la nanotecnología de una forma totalmente diferente para enlentecer la transferencia de calor sin afectar al movimiento de los electrones.

El nuevo concepto implica construir una celosía de pilares a escala nanométrica sobre una hoja de material termoeléctrico, como el silicio, para formar lo que los autores de la investigación definen como metamaterial nanofónico. El calor es transportado a través del material como un tipo de vibraciones de lo que se conoce como fonones. Los átomos que forman los pilares en miniatura también vibran en diversas frecuencias. Davis y Hussein utilizaron un modelo informático para mostrar que las vibraciones de los pilares interactuarían con las de los fonones, enlenteciendo el flujo de calor. No se espera que las vibraciones de los pilares afecten a la corriente eléctrica.

El equipo de investigación estima que los pilares a nanoescala podrían reducir a la mitad el flujo de calor a través de un material, pero la reducción podría ser significativamente mayor porque los cálculos se hicieron de manera muy conservadora, según explica Hussein.

Si, tal como parece, ésta es una vía práctica de mejorar considerablemente la conversión de energía termoeléctrica, habrá todo tipo de importantes aplicaciones prácticas. Entre ellas, se incluye la recaptura del calor residual emitido por todo tipo de equipamientos, desde ordenadores de sobremesa a centrales eléctricas, y convertir ese calor en electricidad. Sistemas termoeléctricos mejores podrían asimismo mejorar grandemente la eficiencia de los paneles solares y de los dispositivos de refrigeración.

El próximo paso para Hussein es entablar colaboraciones con colegas del departamento de física de su universidad y de otras instituciones para fabricar los pilares, a fin de que la idea pueda ser ensayada en el laboratorio.


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Nanorrobot para transportar fármacos a puntos internos específicos del cuerpo

Se ha dado primer el paso para el desarrollo de un nanorrobot que, en un futuro quizá no muy distante, permitirá transportar medicamentos a lugares específicos del cuerpo y por tanto actuar únicamente sobre las células enfermas.

En este campo de investigación y desarrollo, se denomina nanorrobot (o también "nanojaula" de ADN) esencialmente a toda aquella molécula con propiedades especiales que hacen posible programarla para que realice una tarea específica.

En colaboración con colegas de Italia y Estados Unidos, unos especialistas de la Universidad de Aarhus en Dinamarca han dado ahora un paso importante para la construcción del primer nanorrobot de ADN capaz de albergar y liberar biomoléculas activas.

Utilizando una estructura autoensamblada de ADN, el equipo de Birgitta R. Knudsen de la Universidad de Aarhus, Sissel Juul de la Universidad Duke (Estados Unidos), y Federico Iacovelli de la Universidad de Roma (Italia), ha diseñado ocho singulares moléculas de ADN a partir de las propias moléculas naturales del cuerpo. Cuando estas moléculas se colocan juntas del modo adecuado, espontáneamente se agrupan creando la nanojaula.

La figura muestra una nanojaula hecha con ocho moléculas de ADN. La nanojaula tiene cuatro elementos funcionales que se autotransforman en respuesta a cambios en la temperatura circundante. Estas transformaciones cierran -A- o abren -B- la nanojaula. Aprovechando los cambios de temperatura en las cercanías, los investigadores atraparon una enzima activa en una nanojaula -C-.

La nanojaula tiene cuatro elementos funcionales que se autotransforman en respuesta a cambios en la temperatura circundante. Estas transformaciones abren o cierran la nanojaula.

En las pruebas de funcionalidad de la nanojaula, los investigadores, aprovechando los cambios de temperatura en las cercanías de la nanojaula, lograron que ésta atrapase a una enzima, y la mantuviera enjaulada.

Esta estructura permite encapsular enzimas u otras moléculas que son más grandes que las aberturas en la cubierta, pero más pequeñas que la cavidad central.



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Crear estructuras complejas mediante nanopartículas programadas

Las células animales y vegetales son destacados ejemplos de cómo la naturaleza construye unidades cada vez mayores de una manera específica, preprogramada, usando moléculas como bloques de construcción. En nanotecnología, los científicos imitan esta técnica utilizando la capacidad de nanomateriales adecuadamente estructurados para autoensamblarse en arquitecturas de orden superior. Aplicando este concepto, unos especialistas en polímeros de instituciones de Bayreuth, Aquisgrán, Jena y Maguncia, todas estas ciudades en Alemania, así como de Helsinki en Finlandia, han emprendido una prometedora línea de investigación sobre la cual han presentado públicamente sus primeros resultados.

El proceso de autoensamblaje ideado por el equipo de Axel Müller, de la Universidad de Maguncia, ha conducido a la formación de dos tipos de estructuras, dependiendo de la configuración inicial. Una de las estructuras resultantes es un racimo esférico. La otra, una estructura lineal.

Lo importante, en ambos casos, es que la estructura de las nanopartículas está preprogramada por la estructura química de la macromolécula fuente de la misma manera que la estructura de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos.

Sin embargo, el proceso de autoensamblaje puede ir mucho más allá. Si las nanopartículas que dan lugar a la primera estructura son mezcladas con las que dan lugar a la segunda estructura, el resultado es que forman juntas una superestructura completamente nueva en un proceso de coensamblaje.

Las superestructuras producidas por estas macromoléculas tienen en consecuencia una gran riqueza de rasgos potencialmente útiles concentrada en un espacio minúsculo. Esta clase de concentración es idónea para crear máquinas microscópicas complejas.

Algunas tecnologías futuras sobre las que hoy ya se especula, por ejemplo las células artificiales hechas a la medida de las necesidades del ser vivo receptor, o componentes electrónicos para microrrobótica e incluso nanorrobótica, podrían beneficiarse significativamente de esta estrategia para crear estructuras intrincadas en un espacio diminuto.

Estas nanopartículas pueden combinarse con nanopartículas  y micropartículas, biológicas o inorgánicas, a fin de crear materiales hasta ahora desconocidos, con funciones específicas. El número de combinaciones posibles es prácticamente infinito.

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