Oscilaciones mecánicas entre dos nanohilos suspendidos como un puente cuando por ellos se propaga luz de fase alternada

Dibujo20090806_Optical_interaction_between_two_coupled_waveguides_a_Schematic_illustration_b_optical_force_between_waveguides_d_Numerical_simulation_result_optical_force

La nanofotónica estudia la interacción de la luz con objetos de escala nanométrica (inferior a su longitud de onda). Un nanohilo canaliza la luz propagando gran parte de la misma en forma de un modo evanescente (fuera del nanohilo). Dos nanohilos muy cercanos oscilan cuando por ellos pasa luz debido a la interacción de estos modos evanescentes que genera fuerzas nanomecánicas. Estas fuerzas tienen un origen completamente clásico y se pueden describir mediante las ecuaciones de Maxwell. Se había observado experimentalmente que estas fuerzas son atractivas pero teóricamente también podrían ser repulsivas. Li, Pernice y Tang han demostrado experimentalmente dicha predicción teórica, mostrando que la diferencia de fase entre la luz guiada por cada nanohilo controla si la picofuerza  (fuerza de piconewton) entre ellos es atractiva o repulsiva. Un nuevo avance en dos campos nanotecnológicos, la nanofotónica y la nanomecánica, que promete el desarrollo futuro de un gran número de nuevos dispositivos nanomecánicas controlados nanofotónicamente. El artículo técnico es Mo Li, W. H. P. Pernice, H. X. Tang, “Tunable bipolar optical interactions between guided lightwaves,” Nature Photonics 3: 464-468, August 2009 (preprint gratis en ArXiv). Por cierto, la información suplementaria es de obligada lectura para los interesados en la descripción teórica del fenómeno. He de confesar que me he enterado de este interesante artículo gracias a Kanijo “Científicos descubren que la fuerza de la luz tiene una energía de “empuje”,” Ciencia Kanija, 5 agosto 2009, que nos traduce un artículo publicado por los servicios de noticias de la Universidad de Yale, a la que pertenecen los autores. El artículo de Kanijo, como no, ha llegado a portada en Menéame. Mi idea es complementar con algunas imágenes y comentarios dicha noticia.

La figura que abre esta entrada os muestra un dibujo del concepto utilizando en el experimento: dos nanohilos suspendidos sobre un sustrato por los que se propagan sendos haces de luz (figura a). La fuerza observada (del orden de piconewtons, pN) que comba los nanohilos depende de la fase relativa entre dichos haces de luz y de la distancia que separa los nanohilos (figura b y d). Para obtener la figura d, los autores han cambiado la longitud de onda de la luz que se propaga por los nanohilos entre 1529 nm. y 1562 nm. (en 330 pasos) lo que es equivalente a variar la distancia de los nanohilos entre unos 50 nm. y unos 500 nm. (ver figura d). Por supuesto, esto es mucho más fácil que fabricar 330 nanopuentes separados múltiples distancias. Es importante destacar que la luz que se propaga por los nanohilos es de una longitud de onda de 1550 nm. (nanómetros) mucho mayor que la separación “efectiva” entre los nanohilos (entre 100 y 500 nm.) de ahí que se produzca una interacción entre los campos electromagnéticos guiados por cada nanohilo.

La clave de esta demostración experimental de un fenómeno previamente predicho teóricamente ha sido la posibilidad de controlar la fase de la luz a través de las nanoguías mediante el uso de acopladores de cristal fotónico (los agujeritos que se ven en la foto b, abajo, en los puentes transversales a las dos nanoguías).

Dibujo20090806_Left_Optical_microscope_image_device_and_Right_Scanning_electron_microscope_image_suspended_coupled_waveguides_photonic_crystal_waveguide_coupler

(a) imagen en el microscopio óptico del dispositivo utilizado y (b) imagen con microscopio electrónico de las dos nanoguías ópticas suspendidas y del acoplador de cristal fotónico.

El efecto del desfase entre los haces de luz en cada nanohilo lo podéis observar en la figura de abajo, obtenida mediante simulaciones numéricas. Cuando hay desfase, la onda de luz en cada nanohilo oscila de forma ligeramente diferente (colores rojo, verde y azul) apareciendo una fuerza efectiva entre cada trozo del nanohilo (la figura de abajo, superior, ilustra los posibles casos que se pueden dar), siendo la fuerza total entre ambos nanohilos la suma de todas estas fuerzas. Dependiendo del desfase la fuerza total es repulsiva o atractiva (la figura de abajo, inferior, muestra el campo electromagnético para 4 desfases diferentes).

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Resuelto el mayor enigma del hormigón: la fluencia lenta tiene un origen nanogranular

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El hormigón (una mezcla de cemento Portland, agua y arena) es el material de construcción más utilizado en el mundo. El hormigón sometido a una carga (esfuerzo) sufre una deformación lenta. Esta fluencia lenta deteriora y reduce la vida de las estructuras de hormigón. Tras décadas de investigación el origen íntimo de la fluencia lenta todavía era un misterio. Matthieu Vandamme yFranz-Josef Ulm han publicado en PNAS una posible explicación. El hormigón es como un medio granular para los nanogranos de hidrato de silicato de calcio (C–S–H), componente fundamental del cemento Portland. Estos nanogranos tienen 3 estados posibles (densidad baja o LD, alta o HD, y ultraalta o UHD) lo que provoca que se muevan entre sí (deslicen como granos de arena) en el interior del hormigón provocando la fluencia lenta. Se estima que se fabrican al año 20 mil millones de toneladas de hormigón y que solo en Estados Unidos se requieren 79 mil millones de dólares en mantenimiento de autopistas y puentes debido en parte a la fluencia lenta. Este nuevo descubrimiento permitirá que se usen técnicas de nanoingeniería para diseñar hormigones que minimicen la fluencia lenta y las pérdidas en las estructuras de hormigón que acarrea. El artículo técnico es Matthieu Vandamme, Franz-Josef Ulm, “Nanogranular origin of concrete creep,” PNAS 106: 10552-10557, June 30, 2009. El trabajo de investigación lo ha realizado el primer autor en su tesis doctoral.

Duro varapalo a la teoría cuántica de la consciencia de Penrose y Hameroff

Conferencia de Stuart Hameroff sobre su teoría en 2007 organizada por Google en inglés.

Hameroff y Penrose propusieron en 1996 la teoría de la reducción objetiva orquestada (Orch OR) para explicar la consciencia en nuestro cerebro como un fenómeno de computación cuántica en el citoesqueleto de las neuronas y sus axones (formado por una red de microtúbulos, cilindros cuyas paredes son cadenas alfa y beta de la proteína llamada tubulina). Proponían que la llamada condensación de Fröhlich (1968) era responsable de la formación de un estado cuántico macroscópico (a escala macromolecular) similar a un estado de la materia llamado condensado de Bose-Einstein. Esta teoría todavía no ha sido demostrada y este año se ha publicado un artículo que le ha propinado un duro varapalo, si bien no la ha refutado definitivamente. La condensación de Frölich, de producirse, no puede explicar la consciencia. Los defensores de la teoría de Hameroff (quien nos la cuenta en inglés en el vídeo de arriba) tendrán que buscar otro fenómeno cuántico para explicar la consciencia. Hameroff en su página web afirma que está en ello. Se siente, caballero, así avanza la ciencia. El artículo técnico es Jeffrey R. Reimers, Laura K. McKemmish, Ross H. McKenzie, Alan E. Mark, Noel S. Hush, “Weak, strong, and coherent regimes of Fröhlich condensation and their applications to terahertz medicine and quantum consciousness,” PNAS 106: 4219-4224, March 17, 2009 . Por cierto, los avances en neurobiología indica que los microtúbulos tienen cierto papel en la comunicación sináptica entre neuronas como canales “clásicos” de iones (sin efecto cuántico alguno), como nos cuentan recientemente Cecilia Conde, Alfredo Cáceres, “Microtubule assembly, organization and dynamics in axons and dendrites,” Nature Reviews Neuroscience 10: 319-332, 30 April 2009 .

Un estado condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que se produce en un gas de átomos a muy baja temperatura en el que todos los átomos se encuentran en el mismo estado cuántico (el de mínima energía). Es como si todo el gas se comportara como un único objeto cuántico descrito por una macrofunción de onda cuántica. Predicho en 1924, fue objeto del Premio Nobel de Física de 2001, otorgado a Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, y Carl E. Wieman por observar y caracterizar este estado de forma experimental (se ha logrado condensar hasta decenas de millones de átomos). La condensación de Frölich (1968) es un fenómeno muy parecido pero para un sistema de osciladores cuánticos acoplados, por ejemplo, las vibraciones de una macromolécula. Todas las partes (monómeros) de la macromolécula vibrarán en su estado de mínima energía, conduciendo a que toda la molécula se comporte como un sistema cuántico y esté descrito por una macrofunción de onda cuántica. Todavía no se ha observado experimentalmente un condensado de Frölich.

El artículo de Reimers et al. han determinado mediantes simulaciones por ordenador las características de un estado condensado de Frölich que son experimentalmente observables. Han encontrado 3 posibles tipos de estados condensados de Frölich: débiles, fuertes y coherentes. Solo estos últimos presentan un estado cuántico observable a escala macroscópica, una macrofunción de onda cuántica. Pero hay un problema. Para que se dé un estado de este tipo, coherente, es necesario que el modo fundamental de vibración tenga una energía muy alta, imposible de lograr en un contexto biológico. Más aún, serían estados muy frágiles, metaestables, destruyéndose demasiado rápido. Demasiado rápido para dar sentido a la teoría de la reducción objetiva orquestada de Penrose-Hameroff.

El trabajo de Reimers et al. considera que los estados fuertes y coherentes no se pueden dar en sistemas biológicos vivos, sólo los estados débiles. Este resultado puede interpretarse como un duro varapalo a la teoría de Penrose-Hameroff, aunque el propio Hameroff cree que no, que las conclusiones de Reimers et al. no son definitivas ya que se basan en modelos computacionales y estudios posteriores podrían encontrar alguna alternativa que se les haya pasado por alto. Por otro lado, Reimers et al. proponen que los estados débiles de Frölich podrían haber sido observados experimentalmente en las vibraciones de las microtubulina alrededor de 8’085 MHz observada experimentamlente por Pokorný en 2004. Sin embargo, este hecho tendrá que ser confirmado por estudios posteriores. Para Reimers et al. la computación cuántica de la consciencia es imposible con este tipo de estados. Para Hameroff todo lo contrario, ¿por qué no va a ser posible? ¡Qué si no va a decir este señor! Los padres siempre ven a sus hijos como los más guapos.

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Los microtúbulos son para la célula viva como los pilares y las vigas de un edificio, los responsables de su estructura rígida. Los microtúbulos son polímeros formados por dos tipos de monómeros (heterodímeros), llamados formas alfa y beta de la proteína llamada tubulina (tienen una forma de C). Las cadenas de tubilina se autoensamblan en cilindros huecos. En las células vivas, los microtúbulos están comprimidos por filamentos contrátiles de actina con unos esfuerzos de unos 0.1 nN (nanonewtons).

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Penrose y Hameroff propusieron que la red de microtúbulos de las neuronas y sus axones funcionan como un computador cuántico responsable de nuestra consciencia. La computación cuántica sería resultado de la sincronización de estados coherentes de Frölich entre microtúbulos, un entrelazamiento cuántico entre sus macrofunciones de onda cuánticas. La decoherencia cuántica provoca la reducción (colapso) de estas macrofunciones de onda, produciendo la señal sináptica que conduce al estado de consciencia. El vídeo de la conferencia que abre esta entrada, aunque se descarga lentamente y hay que tener paciencia, nos aclara bastante bien las ideas de Hameroff.

Nanobombillas nanocristalinas, uno de los grandes descubrimientos del año

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Una bombilla formada por una sola molécula parpadea. Fue un gran descubrimiento en su momento. Los nanocristales semiconductores lo hacen. Las proteínas fluorescentes verdes lo hacen. Ciertos polímeros lo hacen. Parpadear parece intrínseco e inevitable en el mundo nanoscópico. Hasta hoy. Wang et al. han descubierto un nanocristal que emite de forma continua. Una nanobombilla nanocristalina. Inimaginables aplicaciones en medicina. Durante 20 años muchos han tratado de fabricarla. Al final, el castillo ha caído. Nanocristales de pocos nanómetros que emiten luz con un color bien definido y controlable. Un sueño hecho realidad. Nos lo han contado hoy en Nature y hemos tenido que abrir la boca y decir ¡ohhh! Caerá el Nobel de Física. Tiempo al tiempo. Nos lo ha contado magistralmente Taekjip Ha, “Photonics: How nanocrystals lost their blink,” Nature 459: 649-650, 4 June 2009 . No sólo es importante el descubrimiento. El artículo divulgativo del Dr. Ha es casi perfecto. Un modelo a seguir sobre como divulgar. Muy recomendable su lectura para todos los “periodistas científicos” (quien esto escribe lo ha releido varias veces desde anoche y sabe que esta entrada solo puede hacerle un flaco favor). Si puedes, hazte un favor y léete el artículo del Dr. Ha, lo disfrutarás. Por cierto, el artículo  técnico es Xiaoyong Wang et al. “Non-blinking semiconductor nanocrystals,” Nature 459: 686-689, 4 June 2009 . Es, lo dicho, técnico.

Los nanocristales semiconductores emiten luz en muchos y diferentes colores, pero parpadean aleatoriamente. ¿Por qué? Entenderlo ha costado 20 años pero ha merecido la pena. Wang et al. han descubierto como lograr que emitan de forma continua. Un sueño cumplido. La emisión parpadeante (aleatoria e impredecible) de los nanocristales es ideal para una discoteca. Nanodiversión garantizada. Pero en muchas aplicaciones prácticas es un problema. Hay que ver la luz emitida en el momento adecuado. Ni justo antes, ni justo después. Pero cuándo es el momento adecuado. Según la mecánica cuántica es imposible saberlo. Lo dicho, CPI, curioso pero inútil.

¿Qué truco han utilizado Wang et al. para lograr lo imposible? Había 3 trucos posibles para lograrlo, según los físicos teóricos. Dos caminos “teóricamente fáciles” que los físicos experimentales han sido incapaces de recorrer. Un camino “teóricamente difícil.” Wang et al. han elegido el camino más tortuoso. El más complicado. El más esotérico. Para el experto. Para el lego parece el más natural. Los nanocristales semiconductores tienen un núcelo y un recubrimiento superficial (que es la causa del parpadeo ¡ohhh!). Se evita el parpadeo si se fabrican nanocristales semiconductores sin recubrimiento, sin solución de continuidad entre el núcleo y la capa exterior. Parece fácil, pero cómo lograrlo. El arte. La belleza. Hacer posible lo que parecía imposible.

El problema no es lograrlo. Parecer fácil, parece fácil. Lo difícil es demostrar que se ha logrado. ¿Por qué? Porque la manera más sencilla de demostrar que la luz emitida es debida al nanocristal es el propio parpadeo. Pero si no parpadea cómo demostrar que es el responsable de la emisión. Wang et al. han utilizado un proceso llamado “antibunching” de fotones. ¿Cómo traducir este término técnico? ¿”Antiagrupamiento”? Fotones que se emiten uno a uno, a un ritmo tan rápido que sólo un nanocristal podría emitirlos. La teoría guía al experimento y guía la interpretación del experimento. 

¿Para qué sirve un objeto de pocos nanómetros que emita luz de forma continua y con un color controlable? Faros para detectar lo que pasa en la nanoescala. Aplicaciones, todas las que se te ocurran y más. Una propuesta: “Una nanomáquina lee el ADN letra a letra: un sueño cumplido” (Publicado por emulenews en Febrero 27, 2009).

Jugando a Magnetix® con moléculas de ADN y el arte del tallado nanotecnológico

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A veces los científicos se comportan como niños. Ven como sus hijos juegan con Magnetix (y sus variantes), un juego para hacer figuras 3D con imanes colocados en los extremos de pequeñas barritas, y no se les ocurre otra cosa que hacer lo mismo con moléculas de ADN. Imposible. Ni mucho menos. Mero producto de las técnicas de autoensamblado molecular, que permiten fabricar con precisión estructuras tridimensionales complejas a escala subnanométrica. En esta técnica la molécula estrella es la de ADN. Los autores afirman que pronto podrán fabricar por autoensamblado cualquier figura 3D que les plazca. Lo que da pie a Thomas H. LaBean a proponer que pronto habrá artistas plásticos cuya herramienta de trabajo sean moléculas de ADN. Arte nanotecnológico. Imposible. Quien sabe. Nos lo propone en “Nanotechnology: Another dimension for DNA art,” Nature 459: 331-332, 21 May 2009 . El artículo técnico es de Shawn M. Douglas, Hendrik Dietz, Tim Liedl, Björn Högberg, Franziska Graf, William M. Shih, “Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes,” Nature 459: 414-418, 21 May 2009 .

¿Quién será el primer artista plástico que en lugar de tallar madera se dedice a tallar bloques de moléculas de ADN? Obras que sólo podrán ser contempladas bajo microscopio electrónico.

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¿Existen los nanoimanes? Quizás no y su ferromagnetismo es sólo aparente

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La aparición del magnetismo en nanopartículas (“quantum dots”) de materiales que normalmente no son magnéticos es considerado como uno de los grandes descubrimientos de la nanotecnología. Nanopartículas que se comportan como imanes permanentes (ferromagnéticas) para memorias de estado sólido basadas en nanoimanes. Muchos investigadores lo creen así. Puede que estén completamente equivocados. Un estudio reciente ha mostrado que el magnetismo en estas nanopartículas es debido a los elementos químicos que se ligan a sus bordes. Han estudiado nanopartículas de cadmio-selenio (CdSe) y han observado que son paramagnéticos (su magnetismo inducido es sólo temporal) y no ferromagnéticos (con magnetismo permanente) como se había afirmado en estudios anteriores. Al no ser imanes permanentes, su utilidad en memorias magnéticas de altísima escala de integración se ve muy mermada. Nos lo cuentan brevemente en “Chemistry: Mini magnets,” Nature 459: 302-303, 21 May 2009 , haciéndose eco del artículo técnico Robert W. Meulenberg et al. “Evidence for Ligand-Induced Paramagnetism in CdSe Quantum Dots,” J. Am. Chem. Soc. 131 : 6888–6889, May 5, 2009 .

Las nanopartículas semiconductoras son extremadamente pequeñas, por ejemplo, las de CdSe tienen un radio medio entre 0.13 y 0.15 nanómetros. Estudios previos han mostrado que muchas nanopartículas exhiben un comportamiento ferromagnético en forma nanocristalina, como las de oro (Au, metal 5d9) . ¿Por qué si en forma normal no lo hacen? Se han propuesto diferentes mecanismos físicos para explicar estas propiedades pero no es fácil explicar el porqué. Ciertos estudios atribuyen estas propiedades magnéticas a defectos o errores en el experimento. Lo que se piensa que es un nanocristal puro en realidad no lo es y está ligado a impurezas de origen químico. El nuevo estudio, si se confirma, muestra de forma conclusiva que el magnetismo en las nanopartículas de CdSe se puede manipular (inducirlo y destruirlo) utilizando dopantes químicos, mostrando un comportamiento paramagnético pero no ferromagnético.

Lo dicho, si se confirma este estudio, las ilusiones de muchos por obtener memorias de estado sólido de ultraalta escala de integración se pueden esfumar. ¿A alguien se le ocurrirá como superar esta barrera?

Superconductividad observada en capas biatómicas de plomo

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Fotografía por microscopio de efecto túnel de una capa biatómica de plomo superconductora a baja temperatura. (C) Science

Siempre he pensado que el secreto de la superconductividad de alta temperatura es la propagación de electrones formando pares de Cooper en las capas monoatómicas que forman dichos materiales. Pensarlo es muy bonito, pero ¿existen  los pares de Cooper en capas monoatómicas? Físicos tejanos han demostrado experimentalmente que capas biatómicas de plomo entre 3.4 y 7.5 grados Kelvin son superconductoras por el mecanismo convencional (BCS), es decir, existen pares de Cooper en dichas capas. No se comportan exactamente como los pares de Cooper en un sólido cristalino, ya que les influye mucho el substrato sobre el que están depositadas las capas ultrafinas de plomo. ¿Podrá este comportamiento “diferenciado” permitir explicar el comportamiento de los superconductores de alta temperatura? Es pronto todavía para afirmar nada al respecto, pero en mi opinión es una sorpresa para los especialistas el comportamiento observado para los pares de Cooper. Los teóricos tendrán que darle “al coco.” Como siempre, el experimento guiando a la teoría hacia el conocimiento sobre la realidad. El artículo técnico es Shengyong Qin, Jungdae Kim, Qian Niu, Chih-Kang Shih, “Superconductivity at the Two-Dimensional Limit,” Science Express, Published Online April 30, 2009 . En mi opinión personal este artículo dará mucho que hablar. Tiempo al tiempo.

PS: El artículo ya ha aparecido en Science 324: 1314-1317, 5 Junio 2009. La siguiente figura (compuesta de 2 figuras presentadas en dicho artículo) resume el resultado más importante obtenido. La figura de la izquierda muestra la temperatura de transición (a la que el material se vuelve superconductor) en funció del número de capas monoatómicas. Para más de 5 capas es prácticamente constante, crece un poco para 4 capas (no hay dato para 3 capas) y es mucho más baja para 2 capas. ¿Por qué la temperatura crítica decrece conforme el número de capas decrece? Los autores no lo saben. Hemos de recordar que este material de 2 capas monoatómicas se encuentra encima de un substrato (material no superconductor a ninguna temperatura). Los autores creen que dicho material puede influir. Habrá que esperar a simulaciones por ordenador o a nuevos experimentos con otros substratos para conocer en detalle este efecto. La figura de la derecha muestra la curva teórica según la teoría convencional de la superconductividad (BCS) para el el salto (gap) en conductividad del material en función de la temperatura. Se ve claramente que dicha teoría explica perfectamente el comportamiento observado, verificando que la superconductividad observada es completamente convencional. 

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Tan fácil como tocar y pegar o cómo depositar capas monoatómicas de grafeno sobre silicio y óxido de silicio utilizando cobre

Finas capas monoatómicas de grafeno depositadas químicamente sobre cobre (tras el primer minuto). (C) Science

Finas capas monoatómicas de grafeno depositadas químicamente sobre cobre (tras el primer minuto). (C) Science

El grafeno es fácil de fabricar, basta “rascar” grafito de la mina de un lápiz. Otro asunto muy distinto es depositar una capa monoatómica de grafeno sobre un substrato. Muchos grupos de investigación están trabajando en técnicas de deposición de grafeno sobre obleas de silicio. Los avances son constantes. Hoy se publica en Science Express una técnica que permite depositar películas de grafeno de varios centímetros cuadrados sobre substratos de cobre (mediante deposición química en fase de vapor usando metano). Más del 95% del grafeno depositado es monoatómico. Estas finas películas se pueden transferir a un substrato de Si/SiO2 por contacto directo. Tan fácil como contarlo. La gran ventaja del grafeno es su altísima velocidad. Con la nueva técnica los electrones en el grafeno alcanzan una mobilidad de hasta 4300 cm2V-1s-1 a temperatura ambiente. El avance lo han obtenido físicos tejanos. El artículo técnico es Xuesong Li et al. “Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils,” Science Express, Published Online May 7, 2009 . Muchos se han hecho eco del mismo, como “Faster Computers, Electronic Devices Possible After Scientists Create Large-area Graphene On Copper,” ScienceDaily, May 7, 2009 , o “Lage-area graphene films on copper step towards faster computers,” Nanowerk News, May 7, 2009 .  

Rod (Rodney S.) Ruoff, coautor del artículo, nos recuerda que “el grafeno permitirá ordenadores más rápidos, con un menor consumo, nuevas células solares fotovoltaicas para producción de electricidad, nuevos dispositivos de comunicaciones de muy alta frecuencia, y nuevas tecnologías para pantallas planas de TV.” Rod se ha quedado sin aire. El grafeno sirve para todo, pero su mayor ventaja ya la contamos en este blog, se pega muy bien sobre silicio u óxido de silicio, materiales ampliamente utilizados en la industria microelectrónica actual. El grafeno es el paso intermedio ideal hacia la nanoelectrónica: capas monoatómicas (de menos de un nanómetro de espesor) trabajando de la mano con dispositivos y estructuras semiconductoras convencionales (con la tecnología de 0.12 micras son estructuras 250 veces más gruesas).

Dibujo20090507_graphene_nanoribbon_FET_transistorYa se fabrican en laboratorio transistores de efecto de campo (tipo FET) que utilizan grafeno. Todo sería más fácil si se pudiera dopar el grafeno como se hace con el silicio para obtener materiales semiconductores dadores (tipo n) y aceptores (tipo p) de electrones. Ya se sabía que las nanotiras de grafeno (de sólo unas decenas de nanómetros de anchura) a temperatura ambiente adsorben (se adhieren) moléculas aceptoras de electrones (tipo p). Hoy se publica en Science un artículo que muestra que al calentar estas nanotiras de grafeno en una atmósfera con amoniaco, el nitrógeno se incorpora al grafeno (pegándose literalmente a su borde) convirtiéndolo en un material dador de electrones (tipo n). Moléculas que se pegan a los bordes de la nanotira de grafeno y que alteran sus propiedades. Más aún, de esta forma se pueden obtener grafeno (dopado) tipo p y tipo n de una manera sencilla y efectiva, lo que facilitará el desarrollo de nuevos tipos de transistores y dispositivos nanoelectrónicos. La ciencia y técnica del grafeno avanzando a pasos agigantados. Lo que está de moda, ya se sabe, está de moda. El artículo técnico es Xinran Wang et al. “N-Doping of Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonia,” Science, 324: 768-771, 8 May 2009 .

Más sobre grafeno en este blog:

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido (Publicado por emulenews en Mayo 4, 2009)

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro (Publicado por emulenews en Mayo 29, 2008)

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica (Publicado por emulenews en Marzo 27, 2009)

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras) (Publicado por emulenews en Abril 16, 2009)

La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido

dibujo20090504_tomas_palacios_mitEn España la fuga de cerebros sigue siendo una realidad. Aunque nos pese. El mejor ejemplo reciente es Tomás Palacios (el CiberPaís le ha dedicado una entrevista a toda  página). En España hubiera sido imposible, absolutamente imposible, que un joven (casi un niño) ingeniero de telecomunicaciones (acabó la carrera en 2001) haya obtenido la tesis doctoral y sea investigador principal de un grupo con 5 estudiantes de doctorado, 1 postdoc y hasta secretaria (según la web, en El País pone que son 12), atesorando más de 70 artículos en revistas internacionales y congresos internacionales. 

Posiblemente Tomás lo supiera y por eso se fue a la Universidad de California – Santa Barbara (UCSB) a estudiar Ingeniería Eléctrica, cuyo M.S. acabó en 2004. Siendo ingeniero estudiar de nuevo una ingeniería parece una tontería. Pero claro, siendo ya ingeniero la nueva ingeniería se estudia de manera diferente. Por ello en 2006 ya era Doctor en Ingeniería Eléctrica pora la UCSB. Y en EEUU está mal vista la endogamia, al contrario que en España. Así que Tomás se fue a, posiblemente, la mejor universidad tecnológica del mundo, el M.I.T. (Instituto Tecnológico de Massachusetts) como Assistant Professor (lo que en España sería similar a un Profesor Contratado Doctor). ¡Increíble! Se lo merece. ¡Bravo por Tomás!

Ya apuntaba buenas maneras siendo estudiante. En 1997 empezó a colaborar con el Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología de la Universidad Politécnica de Madrid, donde seguramente le recomendarían que se fuera fuera de España. Y se fue, antes de acabar teleco, estuvo en 2000, en el Grupo de Microelectrónica del mismísimo CERN, en Génova. Así que cuando emigró a EEUU para estudiar un M.S. en UCSB se incorporó a un grupo de investigación, en concreto el del Prof. Mishra, nada más empezar, no está nada mal. Una carrera meteórica, sin lugar a dudas.

Tomás ha ganado muchos premios, pero destacaré sólo uno el Premio Salvà i Campillo, Nit de las Telecomunicacions, de 2003 con su trabajo “Desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos basados en nitruros” (premiado en la categoría de ingeniero novel).

Volviendo al grano, en el CiberPaís, Laia Reventós (30/04/2009) nos titula “Llega el ‘chip’ de grafeno,” y nos aclara

“El español Tomás Palacios, profesor del MIT, consigue fabricar transistores de grafeno 10 veces más rápidos que los de silicio. Los ‘chips’ del revolucionario material, de un átomo de espesor, podrían alcanzar velocidades de mil GHz.”

dibujo20090504_nanotube_graphene_google_trends_analyticsYa hemos hablado en este blog del grafeno, descubierto en 2004. Hace menos de 1 año se ha convertido en sustituto aclamado por todos para el silicio, ya que los nanotubos de carbono no lo han logrado (no es fácil “pegar” nanotubos y silicio o arseniuro de galio, pero es muy fácil hacerlo con grafeno). Una sola capa atómica de carbono con propiedades entre semiconductor y metal que permite desarrollar dispositivos microelectrónicos como transistores. Hace un lustro, pura ciencia ficción.

El logro estrella de nuestro compatriota Tomás Palacios ha sido la fabricación de transistores de efecto de campo de grafeno (el transistor G-FET o  Graphene Field-Effect Transistor, donde se utiliza grafeno como drenador). Para los que no sepan los que un transistor FET la wiki es una ayuda. ¿Qué ventaja tiene el grafeno? Como el grafeno es una capa monoatómica, los electrones tienen un altísima movilidad, lo que permite obtener un transistor ultrarrápido. Con el silicio se logran unos 100 GHz de velocidad, valor que se mejora con arseniuro de galio y otras tierras raras, pero “pegando” mal con el silicio. Usando transistores de grafeno se alcanzá un terahercio (1 THz) “pegando” estupendamente con silicio. El artículo técnico es H. Wang, D. Nezich, J. Kong, T. Palacios, “Graphene Frequency Multipliers,” IEEE Electron Device Letters 30: 547-549, May 2009 . Para los que sois ingenieros de telecomunicaciones o electrónicos, el artículo merece que os molestéis en leerlo: la idea es extremadamente simple. La genialidad de Tomás queda demostrada… un artículo que cualquiera puede entender… un trabajo que cualquiera puede imitar… pero él ha sido el primero.

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¿Qué aplicaciones tendrá el trabajo de Tomás? Muchas, por ejemplo, multiplicadores de frecuencia para comunicaciones inalámbricas. ¿Qué aplicaciones tendrá la microelectrónica con grafeno? Infinitas. Bueno, nadie lo sabe realmente, pero muchas veces claman a que la microelectrónica con silicio y grafeno será la que permitirá la transición hasta la futura nanoelectrónica (posiblemente sólo con carbono, sea grafeno, grafano, nanotubos de carbono u otra maravilla “carbónica” por descubrir).

En palabras del propio Tomás “El grafeno es un material increíble. No sólo revoluciona la electrónica, la informática y las comunicaciones, sino que está cambiando la manera en la que se estudia la física”.

¿Será Tomás Palacios el primer Nobel de Física para un español? Es pronto para saberlo, pero con su juventud y buenas ideas se convertirá en uno de los grandes “cerebros” españoles fugados. A mí el caso de Tomás Palacios me recuerda mucho al de Wolfgang Ketterle (también en MIT), valgan las distancias, claro está. ¿Quién es Ketterle? ¿De verdad me lo preguntas? Busca en la wiki. Bueno, no seré malo, sólo es un alemán que emigró a EEUU con su mujer y dos niños (siendo ya con 30 años catedrático en Alemania), cambió radicalmente de tema de investigación y ahora es Premio Nobel de Física. Pecata minuta. 

Otras entradas en este blog relacionadas con ésta:

Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro(Publicado por emulenews en Mayo 29, 2008).

El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica (Publicado por emulenews en Marzo 27, 2009).

Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras) (Publicado por emulenews en Abril 16, 2009).

Memorias flash rápidas basadas en un memristor nanotecnológico

17 memristores formados al cruzar nanohilos de 50 nanómetros de grosor (C) Jianhua Yang, HP Labs.

17 memristores formados al cruzar nanohilos de 50 nanómetros de grosor (C) Jianhua Yang, HP Labs.

dibujo20090503_circuit_symbols1El genial Leon O. Chua intuyó en 1971 que faltaba un elemento pasivo para circuitos eléctricos más allá de la resistencia, el condensador y la inductancia. Le llamó memristor (“memory resistor”). Propuso su circuito equivalente con elementos activos pero hasta 2008 no se logró fabricar como elemento pasivo mediante nanotecnología (uno de los 10 avances tecnológicos más importantes del año). El artículo técnico fue Dmitri B. Strukov, Gregory S. Snider, Duncan R. Stewart, R. Stanley Williams (HP Labs), “The missing memristor found,” Nature 453: 80-83, 1 May 2008 . El memristor presenta una histéresis en su curva V/I (tensión corriente) que ha sido observada en el nanodispositivo fabricado en los HP Labs, aunque todavía nadie entiende la nanofísica que explica dicho fenómeno.

Leon O. Chua y sus colaboradores introdujeron (teóricamente) hace sólo unos meses unos nuevos dispositivos con memoria, el memcondensador y la meminductancia, dispositivos pasivos cuyo comportamiento es histérico y depende se su historia pasada. ¿Se encontrarán realizaciones nanotecnológicas de estos nuevos dispositivos algún día? Nadie lo sabe aún. El artículo/preprint es Massimiliano Di Ventra, Yuriy V. Pershin, Leon O. Chua, “Circuit elements with memory: memristors, memcapacitors and meminductors,” ArXiv, Submitted on 23 Jan. 2009 .

¿Para qué sirven los memristores? Aunque pueda parecer “cacofónico” para desarrollar nuevas memorias de estado de sólido: memorias RAM resistivas (RRAM o resistive random-access memory) que si bien no son tan rápidas como las memorias RAM más rápidas si son más rápidas que las memorias Flash de nuestros lápices de memoria (que pronto sustituirán a todos los discos duros magnéticos). Este enorme mercado llevará a los memristores a la calle en poco tiempo. Nos lo contó R. Colin Johnson, “Memristors ready for prime time,” EE Times, 8 July 2008 . Estas estructuras se pueden implementar fácilmente en 3 dimensiones (por ahora sólo varios capas superpuestas) lo que incrementa mucho la densidad de integración y la capacidad de las RRAM. También nos lo contó R. Colin Johnson, “3-D memristor chip debuts,” EE Times, 26 Nov. 2008 , haciéndose eco de una conferencia sobre memresistencia y memresistores organizada por los HP Labs, en la que además, Massimiliano Di Ventra, de la Universidad de California en San Diego, describió cómo la memresistividad podía explicar ciertas pautas de aprendizaje biológico en amebas. Di Ventra presentó evidencia microscópica de elementos biomemresistivos en organismos unicelulares y multicelulares. El artículo técnico es Yuriy V. Pershin, Steven La Fontaine, Massimiliano Di Ventra, “Memristive model of amoeba’s learning,” ArXiv, Submitted on 22 Oct 2008 .

Microfotografías de 2 memorias de nanomemristores conectadas entre sí (C) National Academy of Sciences, EEUU.

Microfotografías de 2 PLA de nanomemristores y transistores convencionales conectadas entre sí (C) PNAS.

Una PLA (Programmable Logic Array) es un dispositivo programable que permite implementar circuitos lógicos combinacionales (los que utilizan los circuitos integrados de los “cerebros” (CPU) de nuestros ordenadores). Usando (nano)memristores como elmentos pasivos y transistores como elementos activos que amplifiquen la información guardada por los primeros se pueden fabricar PLA que permiten implementar circuitos combinacionales complicados con muy pocos componentes, minimizando el área del chip utilizada y la potencia eléctrica consumida. Estas PLA pueden configurarse, por ejemplo, como celdas de memoria para las futura RRAM. Como muestra la figura de arriba se utiliza una red cruzada de 441 memristores formados al cruzar 21 nanohilos de 40 nm. de ancho cruzados con otros tantos, con dióxido de titanio semiconductor en cada unión (un punto de 20 nm. de ancho). Por ahora las operaciones lógicas que se pueden implementar son sencillas (el artículo muestra el “programa” para la operación lógica A*B+C*D). El logro ha sido obtenido, como no, en los HP Labs (Hewlett-Packard Laboratories) en Palo Alto, California, como nos cuenta  Lisa Zyga, “Self-Programming Hybrid Memristor/Transistor Circuit Could Continue Moore’s Law,” PhysOrg.com, February 26th, 2009 , haciéndose eco del artículo técnico Julien Borghetti, Zhiyong Li, Joseph Straznicky, Xuema Li, Douglas A. A. Ohlberg, Wei Wu, Duncan R. Stewart, R. Stanley Williams, “A hybrid nanomemristor/transistor logic circuit capable of self-programming,” PNAS 106: 1699-1703, February 10, 2009 .

Los memristores están de moda. Se están convirtiendo en un campo candente (“hot topic”) y muchos se han apuntado al carro. No desean desaprovechar su potencial para transformar la industria de semiconductores ya que permiten el desarrollo de circuitos integrados más pequeños, rápidos y baratos para la fabricación de ordenadores. En la Universidad de Michigan han desarrollado un memoria RRAM de 1 Kb compuesta de nanomemristores compatible con la tecnología CMOS actual, con una densidad de integración 10 veces mayor que la tecnología actual basada en silicio y una velocidad de proceso mucho más rápida. Nos lo contaban en “UM Engineer’s Memristor Chip Could Lead To Faster, Cheaper Computers,” WWJ News Radio 950, Tuesday, 17 March 2009 , haciéndose eco del artículo técnico del Dr. Wei Lu y dos de sus doctorandos Sung Hyun Jo, Kuk-Hwan Kim, “High-Density Crossbar Arrays Based on a Si Memristive System,” Nano Letters 9: 870–874, 2009 .

Estos avances en memorias RRAM todavía necesitarán varios años para llegar al mercado, pero la carrera ya ha comenzado. ¿Para cuándo el memristor en todos los cursos sobre circuitos electrónicos?