Nuevos transistores transparentes de grafeno y nanotubos de carbono con dieléctrico arrugado

Dibujo20130422 Photographs of stretchable TFT arrays transferred onto various substrates

Fabricar transistores en películas transparentes que se puedan estirar y pegar sobre cualquier superficie no es nada fácil. En los transistores de efecto de campo (FET) el mayor problema es el dieléctrico, poco robusto ante deformaciones y estiramientos. Se ha publicado en Nature Materials una nueva propuesta de transistor de grafeno y nanotubos de carbono que soluciona el problema del dieléctrico usando una capa de Al2O3 arrugada que atrapa aire, capaz de resistir estiramientos de hasta el 20% sin degradación apreciable de sus propiedades. Gracias a ello se puede pegar a superficies arrugadas como un tubo de pasta de dientes. El artículo técnico es Sang Hoon Chae et al., “Transferred wrinkled Al2O3 for highly stretchable and transparent graphene–carbon nanotube transistors,” Nature Materials 12: 403–409, 2013.

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Aplicaciones de los nanotubos de carbono

Dibujo20130201 emergent CNT applications rely on ordering of CNTs at hierarchical scales

La gran limitación de los nanotubos de carbono (CNT) en aplicaciones prácticas es la gran dificultad que tiene fabricar dispositivos en los que estén colocados de forma controlada y bien alineada. Hoy en día se fabrican varias miles de toneladas de CNT al año, pero su utilidad se reduce a aplicaciones donde se puedan colocar de forma aleatoria y en grandes cantidades (baterías recargables, piezas de automóviles y artículos deportivos para cascos de barco y filtros de agua). Nos resumen el estado de las aplicaciones actuales y las que se esperan en un futuro cercano Michael F. L. De Volder, Sameh H. Tawfick, Ray H. Baughman, A. John Hart, “Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications,” Science 339: 535-539, 1 Feb 2013 [copia gratis en pdf vía UMich].

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Un transistor basado en nanotubos de carbono con un canal de menos de 10 nanómetros

El ordenador que utilizas para ver esta página está fabricado mediante transistores que funcionan como interruptores on/off que permiten procesar información codificada en binario mediante ceros y unos. Se publica en Nano Letters un nuevo transistor basado en nanotubos de carbono cuyas prestaciones son mejores que los transistores convencionales y cuyo canal es de solo 9 nanómetros, valor que hay que comparar con los 32 nm de los transistores comerciales de silicio con el canal más pequeño del mercado (en laboratorios de investigación el récord actual ronda los 18 nm). El nuevo transistor tiene varias ventajas, además del menor tamaño, ya que conmuta más rápidamente y consume menor potencia; quizás esta última sea su mayor ventaja. El gran inconveniente es que la fabricación masiva y rápida de este tipo de transistores todavía está lejos; pero en este campo los avances a veces son muy rápidos. El artículo técnico es Aaron D. Franklin et al., “Sub-10 nm Carbon Nanotube Transistor,” Nano Letters 12: 758–762, 2012; lo he visto en Franz Kreupl, “Electronics: Carbon nanotubes finally deliver,” Nature 484: 321–322, 19 April 2012.

Más sobre la nanodinamita: Energía eléctrica gracias a la combustión oscilatoria en nanotubos de carbono recubiertos

César “Nanodinamita: energía a nanoescala,” @EDocet, 12 Feb. 2012, nos cuenta que “al recubrir un nanotubo con nitrocelulosa y prender un extremo se origina una onda de combustión que se transmite cuatro órdenes de magnitud más rápido de lo que lo haría en el combustible sólo. Esta onda de combustión se convierte además en una onda termoeléctrica porque transmite energía de un lugar a otro acoplándose con los portadores eléctricos del nanotubo, haciendo que se muevan a lo largo del tubo y creando con ello una corriente eléctrica muy grande en relación a la masa del sistema. Estamos hablando de densidades de potencia del orden de 7.000 W/kg, cuatro veces más que las mejores baterías ion-litio disponibles.” Este extracto me ha traído a la memoria mis propios trabajos sobre ondas de combustión en medios unidimensionales. Aunque he de confesar que yo nunca pensé que estas ecuaciones pudieran aplicarse al estudio de la propagación de llamas en nanotubos de carbono recubiertos de un material inflamable y mucho menos aún que permitieran obtener energía eléctrica por el acoplamiento no lineal entre la reacción química exotérmica y la conducción eléctrica en el nanotubo.

Estas ecuaciones unidimensionales son un ejercicio habitual en asignaturas de métodos numéricos aplicados a problemas térmicos (yo he impartido una durante muchos años). Yo les pedía a mis alumnos que desarrollaran un método numérico para resolverlas en Matlab. Sin embargo, los autores del artículo técnico del que están extraídas han utilizado el simulador de multifísica COMSOL (Joel T. Abrahamson, Wonjoon Choi, Nicole S. Schonenbach, Jungsik Park, Jae-Hee Han, Michael P. Walsh, Kourosh Kalantar-zadeh, and Michael S. Strano, “Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources,” ACS Nano 5: 367–375, 2011). Este artículo compara los resultados numéricos con medidas experimentales para el dispositivo que abre esta entrada, un “pilar” de varios nanotubos de carbono recubierto de un material inflamable, lo que permite que los alumnos comparen sus resultados numéricos con resultados experimentales.

La verdad es que me sorprende que a alguien se le halla ocurrido recubrir un grupo de nanotubos y encenderlos como si fueran una cerilla. Un artículo anterior de los mismos autores hizo lo mismo recubriendo un electrodo de alúmina y obtuvieron este vídeo de youtube (Sumeet Walia, Rodney Weber, Kay Latham, Phred Petersen, Joel T. Abrahamson, Michael S. Strano, Kourosh Kalantar-zadeh, “Oscillatory Thermopower Waves Based on Bi2Te3 Films,” Advanced Functional Materials 21: 2072–2079, June 7, 2011). En dichos electrodos observaron estas ondas oscilatorias que producen picos de tensión. Quizás pensaron que sería bueno tratar de hacer lo mismo con un nanohilo conductor y qué mejor que un grupo de nanotubos de carbono.

Ya se sabe que lo nano vende y mucho, pero vende más con un “nanotítulo.” Los autores han demostrado, además de una desbordante imaginación, un buen márketing del título al titular “Nanodinamita” el artículo que ha sido objeto de la entrada de César @EDocet (M.S. Strano, K. Kalantar-Zadeh, “NanoDYNAMITE,” IEEE Spectrum 48: 44-49, 2011). Si algún día se logran desarrollar baterías comerciales de nanodinamita (ahora mismo se gasta más energía en fabricar este dispositivo que la que se obtiene del mismo) es muy posible que ronde por la mente de mucha gente el conceder un Premio Nobel de Física a estos investigadores. Ya se sabe que Alfred Nobel inventó la dinamita y sería un bonito homenaje premiar a la “nanodinamita.”

Esta entrada es una participación de La Ciencia de la Mula Francis en la VII Edición del Carnaval de la Tecnología organizada por Zemiorka, que complementa la entrada de César @EDocet.

Músculos de torsión artificiales basados en fibras hiladas con nanotubos de carbono

La fabricación por estirado de fibras con nanotubos de carbono incrustados es el tema que yo propuse hace años como línea de investigación para un Ramón y Cajal que logró el contrato, pero no lo aceptó; tenía un año para tomar la decisión y encontró algo mejor en Alemania. Mi idea era estudiarlo mediante simulaciones por ordenador. Por eso me ha alegrado leer en Science un curioso artículo que propone que fibras hiladas con nanotubos de carbono sumergidas en un electrolito se desenredan cuando se les aplica una diferencia de potencial, dando lugar a un motor de torsión en forma de hilo mucho más delgado que un cabello humano. El signo del ángulo de rotación depende de si el voltaje aplicado es positivo o negativo. El efecto de márketing, necesario en todo artículo publicado en Science, lo han logrado sus autores titulando su artículo “músculos artificiales de nanotubos de carbono.” Obviamente, puro márketing. Lo que no quita que el artículo sea muy interesante y pueda llegar a tener múltiples aplicaciones en sistemas que usan microfluidos. La gran ventaja de estos nuevos motores de torsión es que su rendimiento es muy bueno y son capaces de hacer girar una paleta con un peso 2000 veces mayor que el de la fibra a unas 590 revoluciones por minuto, mucho más rápido que cualquier otro músculo artificial publicado en el pasado (basados en materiales ferroeléctricos, polímeros conductores o metales con memoria de forma); además, el nuevo motor de torsión permite dar más de 41 vueltas (15000 grados) en un mismo sentido, algo inusual en otros “músculos” de torsión. Como aplicación, los autores han demostrado que la paleta del motor puede usarse para poner en movimiento un fluido dentro de un capilar en ambas direcciones. El artículo técnico es Javad Foroughi et al., “Torsional Carbon Nanotube Artificial Muscles,” Science, Published Online October 13 2011.

Los hilos utilizados por el grupo de investigación de Ray Baughman se fabrican de un modo parecido a como las hilanderas fabrican los hilos de lana con una rueca. A partir de un baño de nanotubos se extraen tiras de nanotubos que se enrollan en espiral formando la fibra de nanotubos. El giro introducido durante la fabricación es el secreto del motor de torsión (bueno, el músculo de torsión, según los autores). El electrolito que se infiltra en las fibras de nanotubos es clave para el control mediante voltaje de la rotación del motor. El funcionamiento se basa en la transferencia de iones del electrolito hasta la fibra, lo que incrementa su volumen y provoca la rotación del motor. Como curiosidad los autores han observado que la longitud de la fibra se contrae durante este incremento de volumen.

XII Carnaval de la Física: Espectacular vídeo de una gota de agua rebotando en un substrato de nanotubos de carbono

Hay vídeos con cámaras de alta velocidad que no necesitan palabras. Un substrato de nanotubos colocados en vertical es un material superhidrófugo [superhidrofóbico] que repele el agua. Una gota de agua a baja velocidad que cae sobre este material rebota como una pelota de plástico blando. A alta velocidad la gota se rompe en gotas más pequeñas que también rebotan. Dos gotas que colisionan sobre este material se unen hasta formar una única gota vibrante. Juegos espectaculares con gotas de agua que vistos a muchos fotogramas por segundo le abrirán la boca a más de uno. El vídeo de youtube ha sido publiado en ArXiv en el artículo de Adrianus I. Aria y Morteza Gharib, “Bouncing Water Droplet on a Superhydrophobic Carbon Nanotube Array,” ArXiv, 7 Oct 2010.

Más sobre superhidrofugacidad [superhidrofobicidad] en este blog: “Superhidrofugacidad, la dificultad de publicar en Nature y la interminable historia de un artículo,” 6 Febrero 2010.

¿Cómo rebota una gota de agua en un material que no sea hidrófugo [hidrofóbico]? “Fotos del impacto de una gota de líquido viscoso sobre una superficie lisa,” 16 Agosto 2010.

Más información sobre gotas en este blog: “Gotas cargadas con signo opuesto se atraen o se repelen dependiendo de un campo eléctrico crítico,” 20 Septiembre 2009; y “El rosario de gotitas que se forma en un hilo de saliva al separar nuestros dedos,” 8 Junio 2010.

Si te ha gustado esta entrada recuerda que Francis organiza la XII Edición del Carnaval de la Física. Tú también puedes contribuir al Carnaval con tu granito de arena. Para participar no hace falta tener un blog, puedes darte de alta en la web del Carnaval de la Física y publicar tu entrada allí. Por supuesto, a los que tenéis un blog lo más fácil es publicarla en vuestro propio blog. El formato de la entrada es libre: desde un elaborado artículo científico a una simple imagen, pasando por el comentario de una película, la descripción de un experimento casero, un podcast o un vídeo. La única condición es que trate sobre la física en cualquiera de sus aspectos.

Publicado en Science: el uno de enero con el dios Jano de los catalizadores

 

Jano es el dios romano bifronte, que tenía dos caras mirando hacia ambos lados de su perfil. Jano era el dios de las puertas, los comienzos y los finales. Por eso le fue consagrado el primer mes del año (que en español pasó del latín Ianuarius a Janeiro y Janero y de ahí derivó a Enero). A Jano se le consagraban los bebés recién nacidos o los matrimonios recién contraídos. La mayoría de los combustibles son grasos, son hidrófobos. Sin embargo, los biocombustibles, además de componentes hidrófobas también contienen compuestos oxigenados muy solubles en agua (hidrófilos). Por ello, los catalizadores que funcionan muy bien con los combustibles convencionales no funcionan adecuadamente con los biocombustibles. Se requieren catalizadores que cual dios Jano sean capaces de catalizar la combustión tanto de las componentes hidrófilas como de las hidrófobas de los biocombustibles. Parece casi imposible, pero se ha logrado gracias a nanocatalizadores (pequeñas esferas) con dos caras, una formada por nanotubos (que son hidrófobos) y otra por óxidos de sílice (que son hidrófilos). La deposición de paladio en la superficie de estas nanoesferas permite que actúe de dios Jano catalizador de biocombustibles para refinerías. Como no, el artículo quedó consagrado al dios Jano, siendo publicado el 1 de enero de 2010. Nos lo contó David J. Cole-Hamilton, “Janus Catalysts Direct Nanoparticle Reactivity,” Science 327: 41-42, 1 January 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Steven Crossley, Jimmy Faria, Min Shen, Daniel E. Resasco, “Solid Nanoparticles that Catalyze Biofuel Upgrade Reactions at the Water/Oil Interface,” Science 327: 68-72, 1 January 2010.

En varios medios se ha proclamado que “Científicos logran combinar el agua y el aceite,” El Universo, Agencia EFE, 31 dic. 2009 [visto en Menéame], afirmando cosas como que “Científicos estadounidenses han conseguido hacer realidad el viejo sueño de la física de los líquidos: combinar el agua con el aceite mediante el uso de un catalizador.” El contenido de la noticia aclara el titular, en mi opinión “erróneo,” y remite a las palabras del científico argentino Daniel Resasco, de la Universidad de Oklahoma, uno de los autores de la investigación: “A diferencia de los combustibles comunes, que sólo contienen componentes hidrofóbicos, los biocombustibles contienen compuestos oxigenados como los aldehídos, alcoholes y ácidos que son muy solubles en agua.” Los nuevos nanocatalizadores amfifílicos (hidrofóbicos e hidrofílicos), llamados por los autores nanohídricos, permiten reducir el número de pasos requeridos para el refinado de biocombustibles. “El proceso permite la conversión simultánea de todos los productos oxigenados de los biocombustibles de una manera más económica y efectiva.” Además, pueden tener aplicaciones en otras áreas como la industria farmacéutica. Cuando se logre esto último se habrá logrado uno de los sueños de los farmacoquímicos (“a pharmaceutical chemist’s dream come true“).

Fabricado el primer diodo LED basado en un único nanotubo de carbono

Fabricar un diodo tipo PN con un solo nanotubo de carbono es algo que requiere mucha habilidad técnica y muchos años de experiencia. Aún así, merece la pena. Dicho dispositivo, fabricado por primera vez en 2005, se comporta como un diodo casi ideal y ahora se ha descubierto que emite luz por electroluminiscencia cuando se le aplica una corriente de nanoamperios con una disipación de potencia muy baja, lo que augura un gran número de aplicaciones el día en que sea fácil fabricar este tipo de dispositivos. Basta recordar que los LED ya los tenemos hasta en los semáforos.

El nuevo diodo LED y una explicación de su funcionamiento aparecen en el artículo técnico de Thomas Mueller, Megumi Kinoshita, Mathias Steiner, Vasili Perebeinos, Ageeth A. Bol, Damon B. Farmer & Phaedon Avouris, “Efficient narrow-band light emission from a single carbon nanotube p–n diode,” Nature Nanotechnology, Published online 15 November 2009.

La figura de arriba (a) muestra el esquema físico del nuevo LED de nanotubos de carbono. La parte (b) muestra las características eléctricas de este diodo, casi ideales. Se comporta como un diodo rectificador cuando la tensión VGS1 = -8 V y VGS2 = +8 V (línea roja). Para una polarización en inversa se comporta como un resistencia tipo P, cuando VGS1 = VGS2 = -8 V (línea verde a trazos). La parte (c) de la figura muestra la estructura en bandas del diodo de un nanotubo cuando VDS > 0. Los electrones y los huecos son inyectados en la región de recombinación donde se produce el efecto de radiación luminosa que caracteriza su comportamiento como LED. Por ahora, este diodo emite sólo en el infrarrojo cuando el dispositivo se opera como diodo (VGS1 = -8 V, VGS2 = +8 V). Por supuesto, no se observa emisión alguna cuando opera como resistencia no lineal (VGS1 = -8 V, VGS2 = -8 V).

El espectro de electroluminiscencia del diodo de nanotube se muestra en la figura de la derecha para diferentes valores de la corriente puerta-drenador (IDS) medida en nA (nanoamperios). Para obtener esta figura se ha aplicado VGS1 = -9 V y VGS2 = +9 V. Para corrientes altas (unos 230 nA) el espectro se aproxima a una curva gaussiana y para corrientes bajas a la suma de varias gaussianas. El pico de emisión más fuerte, marcado con X, es debido a la emisión de los excitones en el dispositivo. El pico más débil, marcado con LX, de menor energía, se cree que es debido a una emisión de excitones localizados, aunque se explicación teórica es menos clara.

En resumen, un diodo fabricado con un sólo nanotubo puede emitir luz por electroluminiscencia cuando se le aplica una corriente muy débil (del orden de los nanoamperios), lo que permite reducir la disipación de potencia en los diodos LED en un factor de hasta 1000. El nuevo diodo LED es una fuente de luz que podrá ser utilizada para fabricar nuevos láseres fríos que podrán tener importantes aplicaciones prácticas cuando se domine la fabricación en serie de este tipo de dispositivos.

Un chip de nanotubos de carbono, detector ultrarrápido de átomos y medidor de presiones ultrabajas

Dibujo20091111_Scanning_electron_microscope_image_of_nanotube_chip_for_atom_detection

Manipular nanotubos de carbono uno a uno es muy difícil. Requiere las manos de un “cirujano,” un complejo equipo experimental y años de experiencia. Por ello los chips de nanotubos de carbono utilizan marañas de nanotubos. Parecen pocos útiles en su estado actual, pero no es así. La punta de un nanotubo permite alcanzar campos electroestáticos de hasta 9 gigaV/m, capaces de ionizar átomos de rubidio individuales en su estado fundamental. Se ha fabricado un chip ultrarrápido para la detección de estos átomos que utiliza esta propiedad. No es necesario un único nanotubo, una maraña como la mostrada en la foto de arriba es suficiente. El nuevo chip de nanotubos permite detectar átomos de rubidio individuales a escalas de décimas de nanosegundos. El nuevo detector permitirá medir presiones ultrabajas en gases ultrarralos. Un detector ultrarrápido que nos muestra que el futuro a corto plazo de los chips de nanotubos de carbono se encuentra entre la nanoelectrónica y la microelectrónica. Es curioso pero todo ello me recuerda a la punta de un microscopio de efecto túnel, macroscópica, pero que permite ver una superficie a escala atómica. El artículo técnico es B. Grüner, M. Jag, A. Stibor, G. Visanescu, M. Häffner, D. Kern, A. Günther, J. Fortágh, “Integrated Atom Detector Based on Field Ionization near Carbon Nanotubes,” ArXiv, 6 Nov 2009.

Nanotoxicología: Respirar nanotubos de carbono produce fibrosis pulmonar, una causa de cáncer de pulmón

Dibujo20091029_macrophages_engulfed_multiwalled_carbon_nanotubes_carried_them_to_lung_linig

¿Son tóxicos los nanotubos de carbono? Ratones que han inhalado nanotubos de carbono multicapa en una sola dosis presentan rastros de dichos nanotubos en sus pulmones y tras varias semanas han desarrollado fibrosis pulmonar, una de las causas del cáncer de pulmón. James Bonner de la Universidad de Carolina del Norte, Raleigh, EEUU, y sus colegas han expuesto ratones a aerosoles de nanopartículas (nanotubos de carbono multicapa) durante 6 horas tanto en dosis altas de 30 miligramos por metro cúbico como a dosis bajas de 1 miligramo por metro cúbico. En dosis altas, los macrófagos, un tipo de glóbulos blancos que fagocitan elementos extraños, han engullido los nanotubos y los han conducido por los bronquios y bronquiolos. Tras varias semanas después de la exposición, estos ratones han desarrollado fibrosis pulmonar (pequeñas cicratices en las vías respiratorias) de tipo subpleural. En dosis bajas no se observan estos efectos así como tampoco en dosis altas de nanopartículas de carbón. La fibrosis pulmonar está asociada al desarrollo de algunos cáncer de pulmón. Aunque el estudio no lo demuestra directamente, podría ser que la inhalación de nanotubos de carbono puede ser la causa del desarrollo de tumores pulmonares. Los trabajadores de las empresas de nanotecnología que bregan diariamente con nanotubos deberán tener muy presentes estos estudios: deberán tratar en lo posible de no respirar un ambiente cargado de nanotubos. Nos lo cuentan en “Nanotoxicology: Lung penetration,” Nature 461: 1176, 29 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico Jessica P. Ryman-Rasmussen et al. “Inhaled carbon nanotubes reach the subpleural tissue in mice,” Nature Nanotechnology, Published online: 25 October 2009.