Hacia los discos duros del futuro gracias al pigmento rojo de los Ferrari Roadster

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La capacidad de almacenar datos de los discos duros ha crecido en un factor de 10.000 en los últimos 30 años gracias, entre otros avances, a la magnetorresistencia gigante (GMR), Premio Nobel Física 2007. Se publica en Science un nuevo avance, la GMR a temperatura ambiente en nanohilos moleculares de DXP (cada uno con un nanómetro de diámetro) incrustados en cristales de zeolita. El DXP es el pigmento utilizado por Ferrari para lograr el color rojo de la pintura de sus Roadster y no es una molécula magnética, pero se aprovecha el espín (momento magnético intrínseco) de sus electrones. Los electrones en la molécula no pueden moverse por ella (saltar de un átomo a otro, entre los átomos azules en la figura) cuando tienen el espín orientado en la misma dirección (lo prohíbe el principio de exclusión de Pauli) por lo que aparece una gran resistencia eléctrica. Sin embargo, al aplicar un campo magnético externo algunos espines cambian su dirección y los electrones pueden moverse por la molécula, bajando la resistencia. La conductividad cambia en un factor de 2000% (todo un récord comparado con el 600% de los materiales usados en los discos duros actuales) mostrando el fenómeno de GMR con una magnitud nunca vista antes (recuerda que la magnetorresistencia colosal es otra cosa). Más aún, este fenómeno se observa a temperatura ambiente. Por supuesto, todavía es muy pronto para ver discos duros basados en esta tecnología en el mercado. Como se almacenará la información en nanohilos es necesario usar la punta de un microscopio de fuerza atómica para leer y escribir, lo que complica mucho su incorporación a la tecnología actual de los discos duros. Pero tiempo al tiempo, la imaginación de los físicos y los ingenieros parece que no tiene límites. Este nuevo descubrimiento es como un Ferrari Roadster que nos lleva a toda velocidad hacia los discos duros del futuro. Nos lo cuenta Robert F. Service, «Hypersensitive Wires Feel the (Electromagnetic) Force,» ScienceNOW, 4 Jul 2013, siendo el artículo técnico R. N. Mahato et al., «Ultrahigh Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires,» Science Express, Jul 4, 2013 [DOI].

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Récord de eficiencia de conversión en una célula solar de matriz de nanohilos

Dibujo20130117 InP Nanowire Array Solar Cells Exceeding the Ray Optics Limit

Las células solares fotovoltaicas de silicio amorfo son baratas, pero su rendimiento es bajo (del 5% al 7%), mientras que las de silicio monocristalino son caras, con un rendimiento más alto (del 14% al 16%). Una alternativa barata y de buen rendimiento son las células solares de matriz de nanohilos de silicio. Jesper Wallentin (Universidad de Lund, Suecia) y sus colegas publican hoy en Science la célula solar de matriz de nanohilos más eficiente hasta el momento, pero que utiliza fosfuro de indio (InP) en lugar de Si para minimizar la recombinación entre electrones y huecos. El nuevo diseño ha logrado una eficiencia de conversión de η = 13,8% y una densidad de fotocorriente de Jsc = 24,6 mA/cm². Como los nanohilos de InP dopado en una estructura p-i-n sólo cubren el 12% de la superficie, su coste de fabricación es menor que el de una célula solar planar (en  la que el InP cubre el 100% del área), que alcanzan Jsc = 29,5 mA/cm², con un límite teórico de 34,5 mA/cm² (bajo la hipótesis de que cada fotón incidente con energía por encima de la banda prohibida del InP genera un par electrón-hueco). En la nueva célula solar, la óptica de rayos no es apropiada para describir la interacción de la luz con la estructura porque los nanohilos tienen un tamaño (unos 180 nm) por debajo la longitud de onda de la luz incidente; de hecho, aplicando la óptica de rayos se predice una fotocorriente teórica máxima sc de 4,2 mA/cm², casi seis veces menor que la obtenida en los experimentos. Por cierto, en el artículo proclaman haber fabricado sólo 7 células solares con el nuevo diseño, con una eficiencia media del 12,0% (desviación estándar del 1,4%). Su durabilidad y degradación con el tiempo se estima en un 0,5% en 6 meses (pero se requieren estudios a más largo tiempo). La escalabilidad del nuevo diseño parece fácil de lograr, pero tampoco ha sido demostrada (las células fabricadas tienen tamaño milimétrico y son poco útiles en una instalación fotovoltaica realista). Queda mucho por hacer, pero se ha dado un gran paso. Nos lo cuenta Robert F. Service, «Performance of Nanowire Solar Cells on the Rise,» Science 339: 263, 18 Jan 2013, quien se hace eco del artículo técnico de Jesper Wallentin et al., «InP Nanowire Array Solar Cells Achieving 13.8% Efficiency by Exceeding the Ray Optics Limit,» Science Express, Jan 17 2013 [DOI].

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Diabéticos «con suerte» dentro de lo que cabe (o nanosensores de glucosa integrables en chips de silicio y páncreas artificiales)

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Nanohilos de silicio en el BioFET y su «secreto» químico. (c) IOP

La diabetes es una enfermedad crónica que padecen muchos (que padecerán muchos más en el futuro) que requiere un estricto control alimentario y medidas periódicas de los niveles de glucosa en sangre. Estas medidas son engorrosas para el enfermo. Un medidor continuo de glucosa podría ser la base del sistema microelectrónico de un «páncreas» artificial, que produjera insulina sólo cuando fuera necesaria. Avances recientes nos indican que esta posibilidad no se puede descartar en un futuro no muy lejano  (si eres diabético, lo siento, esto puede tardar más de una década).

Se acaba de publicar el desarrollo de un nuevo tipo de sensor de glucosa nanotecnológico que utiliza nanohilos de silicio para medir en vivo y de forma continua la cantidad de glucosa en sangre [Mohanty’s group, «Silicon-based Nanochannel Glucose Sensor,» Appl. Phys. Lett. 92, 013903 (2008)]. El biosensor desarrollado por Raj Mohanty en la Universidad de Boston puede implantarse fácilmente en el paciente y puede sustituir a las medidas «gota a gota» de la glucosa. El nuevo sensor, que mejora sustancial nanosensores previos [Chen et al. «Silicon nanowires for high-sensitivity glucose detection,» Appl. Phys. Lett. 88, 213104 (2006)] que tenían el gran inconveniente de que eran difíciles de fabricar con las tecnologías actuales (litografía de electrones) de fabricación de chips de silicio (como el Pentium que tienes en el ordenador en el que lees esto).

El nuevo nanosensor utiliza un conjunto de nanohilos (nanocanales) de silicio recubiertos del enzima glucosa-oxidasa que generan un efecto tipo transistor de efecto de campo (FET) biológico (BioFET) [ver la foto, arriba]. La glucosa-oxidas en cada nanohilo de unos 50-100 nanómetros de ancho y unos 6 micrometros de largo permite oxidar la glucosa en sangre mediante una reacción en dos pasos [ver la foto, arriba]. En el primer paso, una molécula de glucosa-oxidasa contiene dos moléculas de una forma oxidada del dinucleótido de flavina y adenina (FAD) que se reduce rápidamente con oxígeno produciendo peróxido de hidrógeno y restarando la forma no oxidada de dicho enzima. En el segundo paso, el polihidroxiácido gluconolactona esponténeamente se hidroliza a ácido glucónico generando un protón (ión de hidrógeno) que cambia localmente el pH de la solución. Los nanosensores son sensibles a dicho cambio de pH, que altera el potencial superficial de los nanohilos y genera un campo eléctrico que modula la conductancia del BioFET. Este efecto es fácilmente amplificado con tecnología estándard de silicio.

El nuevo nanosensor es biocompatible gracias a la tecnología utilizada (aunque todavía no se ha verificado este hecho con experimentos en animales, según Mohanty, actualmente en curso). El nuevo avance permitirá una incorporación más rápida en el mercado de este tipo de bio-nanosensores de glucosa [Belle Dumé, «Glucose sensor goes nano,» nanotechweb.org, 2008] lo que hará más soportable la convivencia con la diabetes (especialmente para niños y ancianos).

Nueva batería de Litio para el conejito de Duracell ¡y duran, y duran, …! (o la nanotecnología hasta en la sopa)

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La sección «Horizons» de la revista Nature presenta artículos que merece la pena leer, porque no decepcionan. El artículo «Building better batteries«, Armand & Tarascon,
Nature 451, 652-657 (7 February 2008), no es la excepción que confirma la regla.

Todas las baterías están compuestas por dos electrodos conectados por un electrolito (un material conductor de iones) que tienen diferentes potenciales químicos de forma que los electrones fluyen espontáneamente del electrodo de potencial más negativo al de más positivo cuando se conectan a un circuito externo. El electrolito permite el transporte de iones que equilibran el desequilibrio de carga por el transporte de electrones. En las baterías recargables, la aplicación de un voltaje suficientemente alto en la dirección opuesta logra que la batería se rearga (se restituyen los iones transportados).

Maximizar la cantidad de energía almacenada en la batería requiere (1) una gran diferencia de potencial químico entre los electrodos, (2) minimizar el volumen de reactivos por electrón intercambiado, y (3) garantizar que el electrolito no se consume en la batería. Esta tercera propiedad es la gran ventaja de las baterías de las baterías de ión-litio (Sony, 1991) de nuestros teléfonos móviles.

El uso de las baterías ión-litio en automóviles eléctricos, hay unos 800 millones de coches en el mundo, por ejemplo, con baterías típicas de ión-litio de 15-kWh consumiría el 30% de las reservas mundiales conocidas de litio. Sin embargo, el océano contiene cantidades «casi» ilimitadas de litio que hoy en día no se pueden explotar de forma barata. Por supuesto, estos números se minimizan con una buena política de reciclado. Además, las baterías de ión-litio no son todo lo «ecológicas» que nos gustaría, producen unos 70 kg de CO2 por kWh.

Aún así, si queremos que el futuro de la automoción esté en vehículos eléctricos, es necesario desarrollar nuevas tecnologías de baterías. Las baterías nanotecnológicas y baterías biológicas son la gran esperanza. Entre las primeras, destaca el artículo «High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires,» Chan et al., Nature Nanotechnology 3, pp. 31 – 35 (2008), escrito por investigadores del grupo del Dr. Cui (Universidad de Stanford, EEUU). El silicio es un material ideal como ánodo en baterías de litio ya que tiene un potencial químico de descarga muy bajo y la capacidad de carga (calculada teóricamente) más alta conocida (ideal para automoción eléctrica y para almacenar energía eléctrica utilizando paneles solares). Pero tiene un problema.

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 El ánodo de silicio tiene que absorber iones de litio cargados positivamente durante la carga y devolverlos durante el uso, pero en este proceso su volumen varía muchísimo (hasta un 400%). Por ello, la cantidad de litio que puede almacenar el ánodo de silicio es más pequeña de lo deseable. Para superar esta barrera el Dr. Cui proponen el uso de un «bosque» de nanohilos de silicio (cuyo diámetro es mil veces más pequeño que el grosor de una hoja de papel) sobre un sustrato de acero, un excelento conductor, que permiten almacenar muchos más iones de litio (se hinflan hasta alcanzar 4 veces su tamaño descargados) y permite producir hasta 10 veces más electricidad que una batería ión-litio convencional (ya que el ánodo alcanza el 75% de la capacidad de descarga máxima teórica). Los investigadores creen que esta tecnología se podrá comercializar próximamente.

Los americanos ven la «veta comercial» rápidamente y el Dr. Cui ya está pensando en crear una empresa para colaborar con los fabricantes de baterías. Afortunadamente, la teoría de crecimiento de nanohilos de silicio está bastante avanzada.

Hagamos un poco de futurología. ¿Qué pueden suponer estas baterías «a pie de calle»? Un portátil típico podrá funcionar 40 horas seguidas. Los coches eléctricos podrán recorrer cientos de kilómetros sin necesidad de recarga.

Por supuesto, hay un problema todavía no resuelto: conseguir mejores cátodos (actualmente la gran esperanza de muchos grupos de investigación por todo el mundo).