Source: https://www.slideshare.net/carlosdelgado7583/aplicacione-actuales-y-futuras-nanotubos
Timestamp: 2018-10-22 06:51:36+00:00

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Nanotubos de carbono by IriaGondar 586 views
1. vt María Jesús Rivas Martínez José Román Ganzer María Luisa Cosme Huertas www.madrimasd.org aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono vt 11 informe de vigilancia tecnológica aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono cimtan CONFEDERACIÓN EMPRESARIAL DE MADRID - CEOE www.madrid.org
2. vt María Jesús Rivas Martínez José Román Ganzer María Luisa Cosme Huertas informe de vigilancia tecnológica aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono www.madrimasd.org cimtan
3. Colección de Informes de Vigilancia Tecnológica madri+d Dirigida por: José de la Sota Ríus Coordinada por: Fundación madri+d para el Conocimiento CEIM Confederación Empresarial de Madrid - CEOE El Círculo de Innovación en Materiales, Tecnología Aeroespacial y Nanotecnología (CIMTAN) se enmarca dentro del IV Plan Regional de Investigación Científica e Innovación Tecnológica (IV PRICIT). El CIMTAN es una ini-ciativa de la Dirección General de Universidades e Investigación de la Comunidad de Madrid en la que partici-pan el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) y la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M). El presente informe de Vigilancia Tecnológica ha sido ela-borado en el INTA, institución a la que pertenecen los miembros del CIMTAN expertos en tecnología aeroespacial y nanotecnología. Los autores agradecen la colaboración ofrecida durante la elaboración del presente informe y su revisión final a: · Dr. Ángel Maroto Valiente. Investigador Juan de la Cierva. Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica. Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED). · Dr. Julio A. Alonso. Catedrático de Universidad. Departamento de Física Teórica, Atómica y Óptica. Universidad de Valladolid. Todos los derechos están reservados. Se autoriza la repro-ducción total o parcial de este informe con fines educacio-nales, divulgativos y no comerciales citando la fuente. La reproducción para otros fines está expresamente prohibi-da sin el permiso de los propietarios del copyright. cimtan Título: Informe de Vigilancia Tecnológica madri+d “Aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono” Autores: María Jesús Rivas Martínez, José Román Ganzer y María Luisa Cosme Huertas del Círculo de Innovación en Materiales, Tecnología Aeroespacial y Nanotecnología © De los textos: Los autores © De la colección «vt» y de la presente edición: CEIM Confederación Empresarial de Madrid - CEOE Dirección General de Universidades e Investigación Fundación madri+d para el Conocimiento Edita: Fundación madri+d para el Conocimiento Velázquez, 76. E-28001 Madrid Depósito Legal: M-56.489-2007 ISBN-13: 978-84-612-1528-7 Proyecto Gráfico: base12 diseño y comunicación s.l. Ilustraciones: Los autores
4. 4 ORGANIZACIÓN DEL INFORME 5 RESUMEN EJECUTIVO 9 EXECUTIVE SUMMARY 11 CAPÍTULO 1 Presentación 1.1 Introducción (PÁG. 13) 1.2 Objeto de estudio (PÁG. 14) 1.3 Justificación (PÁG. 15) 1.4 Metodología de trabajo (PÁG. 16) 19 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono 2.1 Electrónica (PÁG. 21) 2.2 Sensores (PÁG. 40) 2.3 Instrumentación científica (PÁG. 44) 2.4 Fotónica (PÁG. 48) 2.5 Materiales (PÁG. 50) 2.6 Biotecnología y Química (PÁG. 56) 2.7 Energía (PÁG. 60) 2.8 Mecánica (PÁG. 66) 73 CAPÍTULO 3 Análisis de información 3.1 Análisis de referencias científicas (PÁG. 75) 3.2 Análisis de proyectos (PÁG. 107) 3.3 Análisis de patentes (PÁG. 138) 163 CAPÍTULO 4 Datos de mercado 4.1 Análisis de mercado (PÁG. 165) 4.2 Agentes públicos y privados involucrados en el desarrollo de aplicaciones de nanotubos (PÁG. 170) 171 CAPÍTULO 5 Resumen y conclusiones índice de contenidos
5. Organización del informe Este informe se entrega en dos formatos: papel y CD (éste último incluido en la contraportada del primero). La estructura de la información contenida en el CD es la siguiente: · Informe: Es el informe propiamente dicho que se entrega, además, en formato papel. · Anexo I Bases de datos y estrategias de búsqueda: Listado de bases de datos y palabras clave utilizadas. · Anexo II Artículos, referencias científicas: Listado de artículos utilizados para la elaboración del informe. · Anexo III Proyectos de investigación: Listado de proyectos utilizados para la elaboración del informe. · Anexo IV Patentes: Listado de patentes utilizadas para la elaboración del informe. · Anexo V Empresas y centros de investigación: Listado de empresas y centros de investigación involucrados en referencias científicas, proyectos y patentes. · Anexo VI Empresas y centros de investigación españoles: Listado de empresas y centros de investigación consumidores de nanotubos de carbono en España. El fichero “Informe” es el que se entrega, además, en formato papel. Para usar el formato CD es suficiente con editar este fichero, ya que permite acceder al resto de la información mediante hipervínculos.
7. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 6 El informe de Vigilancia Tecnológica “Aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono” ha sido realizado por el Círculo de Innovación en Materiales, Tecnología Aeroespacial y Nanotecnología (CIMTAN) y se considera de interés general para toda la comunidad científica y empresarial que trabaja en el área de nanotecnología. Para su elaboración el personal del CIMTAN ha recibido asesoramiento y colaboración de expertos de la UNED y de la Universidad de Valladolid. El objetivo del informe es mostrar distintas aplicaciones posibles para los nanotubos de carbono, tanto las que ya se comercializan como aquellas que sólo existen a nivel de prototipo o de investigación científica, así como detectar empresas y centros de investigación involucrados en su desarrollo a nivel mundial. Los nanotubos de carbono, similares a pequeñas láminas de grafito enrolladas con diámetros nanométricos y longitudes del orden de las micras, son materiales únicos con propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas, térmicas y químicas excepcionales que los hacen aptos para mejorar numerosos productos ya existentes e incluso para generar otros nuevos. Muchas son las aplicaciones que pueden obtener importantes beneficios al incorporar nanotubos de carbono. Los materiales compuestos reforzados con nanotubos, las pantallas planas que utilizan los nanotubos como emisores de campo, los sensores biológicos y químicos para detectar sustancias contaminantes, la administración de fármacos o las pilas de combustible son sólo algunas de ellas. En general, sectores como electrónica, materiales, sensores, biotecnología, química, energía, mecánica, instrumentación científica y fotónica podrían verse favorecidos por la introducción de nanotubos de carbono en muchos de sus productos. La evolución de las publicaciones que tratan sobre aplicaciones de nanotubos de carbono presenta una tendencia ascendente en los últimos años, lo cual es una muestra del gran interés que suscitan. EE.UU. es el líder mundial en cuanto a número de publicaciones, pero también Asia es una región importante, debido en parte a la presencia en ella de importantes empresas electrónicas que pueden obtener grandes beneficios al incorporar nanotubos de carbono en sus productos. No hay que olvidarse tampoco de Europa, que también apuesta por estas nuevas tecnologías. El mercado de las aplicaciones de los nanotubos de carbono es todavía muy incipiente. Sólo los materiales compuestos reforzados con nanotubos aparecen en accesorios deportivos como raquetas de tenis o bicicletas. Las aplicaciones electrónicas son muy prometedoras ya que en ellas los nanotubos de carbono permitirán continuar con la miniaturización progresiva que afecta a esta área y que se encuentra amenazada por los límites físicos de funcionamiento del silicio, a punto de ser alcanzados. Sin embargo sólo hay prototipos electrónicos que incorporan
8. 7 RESUMEN EJECUTIVO nanotubos de carbono, todavía no hay productos comerciales debido a la falta de procesos industriales adecuados para su elaboración. Las tecnologías restantes que incorporan nanotubos de carbono muestran distintos grados de madurez para su acceso al mercado, pero ninguna se comercializa aún. Los nanotubos de carbono se presentan como una interesante alternativa para los fabricantes de multitud de productos que pretendan innovar, ya que prometen conseguir prestaciones inimaginables hasta ahora y revolucionar el mercado cuando irrumpan en él.
10. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 10 The Technology Watch report “Present and future applications of carbon nanotubes” has been made by the Circle of Innovation in Materials, Aerospace Technology and Nanotechnology (CIMTAN) and it is considered of general interest for scientists and companies involved in the area of nanotechnology. For its elaboration the CIMTAN has received advice and collaboration from experts in the UNED and the University of Valladolid. The objective of the report is to show different possible applications for carbon nanotubes, both already commercialized ones and those which only exist at prototype or scientific research level, as well as to detect companies and research centres involved in their development at world-wide level. Carbon nanotubes, similar to small graphite coiled sheets with nanometric diameters and lengths about microns, constitute a unique material with exceptional mechanical, electrical, optical, thermal and chemical properties which make them suitable to improve numerous already existing products and to even generate other new ones. Many are the applications that can take advantage of the properties of carbon nanotubes. Composite materials reinforced with nanotubes, flat screens that use the nanotubes as field emitters, biological and chemical sensors used to detect polluting substances, drug administration or fuel cells are only some of them. In general, sectors like electronics, materials, sensors, biotechnology, chemistry, energy, mechanics, scientific instrumentation and photonics could get many advantages from the introduction of carbon nanotubes in many of their products. The yearly ascending tendency in the number of publications that treat of carbon nanotube applications shows the great interest existing about them. EE.UU. is the world-wide leader in number of publications, but Asia is also an important region, partly due to the presence in it of very important electronic companies which can obtain great benefits when incorporating carbon nanotubes to their products. Although Europe appears in third place in number of publications, its contribution to the research and development of carbon nanotube applications is also very important, clearly betting on these new technologies. The market of carbon nanotube applications is still very incipient. Only composite materials reinforced with nanotubes appear in sport accessories like tennis rackets or bicycles. Electronic applications are very promising since carbon nanotubes will allow them to continue with the progressive miniaturization typical of this area which is at present threatened by the physical limits of operation of silicon, near to be reached. Nevertheless there are only electronic prototypes that incorporate carbon nanotubes, there are no commercial products due to the lack of suitable industrial processes for their elaboration. The other technologies that incorporate carbon nanotubes show different degrees of maturity in their access to the market, but they are not commercialized yet. Carbon nanotubes appear like an interesting alternative for the manufacturers of multiple products who are interested in innovating, since they promise to produce incredible benefits and to revolutionize the market when they burst into it.
11. CAPÍTULO 1 Presentación 1.1 Introducción (PÁG. 13) 1.2 Objeto de estudio (PÁG. 14) 1.3 Justificación (PÁG. 15) 1.4 Metodología de trabajo (PÁG. 16)
12. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 12 Este informe de Vigilancia Tecnológica ha sido realizado por el Círculo de Innovación en Materiales, Tecnología Aeroespacial y Nanotecnología (CIMTAN) en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). Se expone en esta sección una breve introducción a los nanotubos de carbono, el objetivo de la realización de este informe, las razones que lo han motivado y la metodología de trabajo seguida por el CIMTAN durante su elaboración.
13. 13 CAPÍTULO 1 Presentación 1.1 Introducción Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT – Single Wall Carbon Nanotubes) están constituidos por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal cilíndrica, de forma que su estructura es la misma que se obtendría si se enrollara sobre sí misma una lámina de grafito. Sus extremos pueden estar cerrados por media esfera de fulereno o pueden estar abiertos. Los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT – Multiwall Carbon Nanotubes) tienen una estructura similar a varios SWCNT concéntricos con diferentes diámetros. En ambos casos su principal característica, que dará lugar a un buen número de propiedades excepcionales, es que muestran una relación longitud/diámetro muy elevada: su diámetro es del orden de los nanómetros y su longitud puede variar desde unas micras hasta milímetros e incluso algunos centímetros. Los MWCNT fueron descubiertos en 1991 por Sumio Iijima, un ingeniero japonés de la empresa NEC. Desde el principio mostraron importantes efectos cuánticos debidos a su estructura casi unidimensional, lo que incentivó a numerosos científicos a trabajar en ellos. Los SWCNT se descubrieron dos años después por el grupo de Iijima en NEC y por otro grupo en el IBM Almaden Laboratory. A partir de su descubrimiento los científicos buscaron la forma de producirlos en el laboratorio. Desde entonces se ha avanzado mucho en los distintos métodos de síntesis que han ido surgiendo, así como en los de caracterización, purificación y separación. Desde el principio la teoría predijo excepcionales propiedades para los nanotubos de carbono, que han podido ser comprobadas experimentalmente a medida que ha evolucionado la instrumentación científica. Las propiedades son diferentes en los SWCNT y los MWCNT. Dependen, además, fuertemente de sus dimensiones (diámetro y longitud) y de los defectos presentes en el nanotubo (vacantes o impurezas ocupando el lugar de un átomo de carbono, deformaciones, inclinaciones,). Pero también dependen de la forma en que están dispuestos los hexágonos de la lámina de grafito, es decir de cómo se enrollaría la hipotética lámina de grafito que daría lugar a nuestro nanotubo. Los índices de Hamada (n,m) cuantifican esta cualidad de los nanotubos de carbono, dando lugar a tres grandes grupos: nanotubos armchair (n=m), nanotubos zigzag (m=0) y nanotubos chiral (n≠m≠0). Las excepcionales propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, químicas y ópticas de los nanotubos de carbono les capacitan para ser utilizados en multitud de aplicaciones, a cuya detección y análisis se dedica este informe. En el desarrollo de cada aplicación se explicarán la propiedad o propiedades de los nanotubos de carbono que la hacen posible.
14. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 14 1.2 Objeto de estudio Dos son los objetivos fundamentales de este informe de Vigilancia Tecnológica. En primer lugar, detectar aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono y, por tanto, presentar un estado del arte sobre el tema. En segundo lugar, conocer cuáles son los agentes involucrados a nivel mundial en el desarrollo de las mismas.
15. 15 CAPÍTULO 1 Presentación 1.3 Justificación Desde que se conoció la existencia de los nanotubos de carbono se han ido descubriendo sus interesantes propiedades y éstas han abierto un mundo de posibles aplicaciones en las que continuamente se consiguen importantes progresos. Existe actualmente un enorme interés sobre este tema en la comunidad científica que trabaja en el área de nanotecnología. Numerosas empresas también observan con atención los avances científicos que se producen por las ventajas competitivas y económicas que supondría la incorporación de nanotubos de carbono en el desarrollo de sus productos. Este informe es, por tanto, de utilidad para multitud de empresas y grupos de investigación que forman parte del Sistema Regional de I+D+i de la Comunidad de Madrid. Investigadores que quieran empezar una nueva línea de investigación pueden encontrar aquí una aproximación inicial y un contexto general en el que situarse e incluso empresas con las que colaborar. Empresas productoras de nanotubos de carbono obtienen información de qué sectores pueden ser sus clientes e incluso nombres concretos de compradores potenciales para sus productos, con los que pueden asociarse para proporcionarles los nanotubos de carbono adecuados con las propiedades específicas que necesitan. También las empresas fabricantes de aplicaciones en las que pueden incorporarse nanotubos de carbono podrían beneficiarse de los datos aquí suministrados, ya que en el informe se explican las ventajas que pueden aportar los nanotubos de carbono a sus productos, además de información sobre posibles competidores y colaboradores.
16. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 16 1.4 Metodología de trabajo La elaboración de este informe comenzó con un profundo estudio del tema a tratar. A continuación se realizaron búsquedas específicas en bases de datos especializadas con sentencias de búsqueda adecuadas al objetivo a conseguir (ver Anexo I Bases de datos y estrategias de búsqueda). Se buscaron publicaciones, proyectos y patentes. Los resultados que se obtuvieron fueron filtrados, analizados en profundidad y clasificados convenientemente. El último paso fue plasmar los resultados en el presente documento. Durante la elaboración del informe se contó en todo momento con el apoyo de expertos en el tema, siendo ellos los encargados de revisar y validar la información que aquí se presenta. Para que el aprovechamiento de la información contenida en este informe sea óptimo, se han considerado varias secciones. En la CAPÍTULO 1, en la que nos encontramos, se hace una breve introducción del contenido; en la CAPÍTULO 2 se explican las áreas y productos concretos en los que se pueden utilizar nanotubos de carbono; en la CAPÍTULO 3 se analizan los resultados obtenidos en las búsquedas realizadas, lo cual aporta valiosa información sobre países, autores, empresas, evolución anual de resultados, etc., todo ello considerando por separado publicaciones, proyectos y patentes; en la CAPÍTULO 4 se incluyen datos de mercado y se explica qué aplicaciones están ya comercializadas y cuáles en período de desarrollo de prototipos o simplemente en fase de investigación. El informe se completa con el resumen y las conclusiones expuestas en la CAPÍTULO 5. Uno de los objetivos del CIMTAN es la difusión de las técnicas de Vigilancia Tecnológica (VT) entre las empresas, asociaciones de empresas, centros de investigación, etc. que estén o quieran estar involucradas en los sectores de Materiales, Tecnología Aeroespacial y Nanotecnología. Por este motivo, en los informes de VT que se realizan a petición de los clientes, no sólo se recoge información de interés para la empresa, asociación o centro de investigación, sino que también se detallan las fuentes de información utilizadas y las estrategias de búsqueda empleadas, de forma que quien esté interesado en actualizar la información disponga de las herramientas necesarias para hacerlo. En la elaboración de los informes se intenta que el resultado sea de fácil lectura y rápida consulta. Para ello se exponen los análisis de forma visual mediante gráficos y tablas.
17. 17 CAPÍTULO 1 Presentación FIGURA: El proceso de la Vigilancia Tecnológica. Ilustración interna del CIMTAN que refleja el proceso de la Vigilancia Tecnológica.
18. CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono 2.1 Electrónica (PÁG. 21) 2.2 Sensores (PÁG. 40) 2.3 Instrumentación científica (PÁG. 44) 2.4 Fotónica (PÁG. 48) 2.5 Materiales (PÁG. 50) 2.6 Biotecnología y Química (PÁG. 56) 2.7 Energía (PÁG. 60) 2.8 Mecánica (PÁG. 66)
19. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 20 Se desarrollan en esta sección las diversas aplicaciones de los nanotubos de carbono que se han detectado durante la realización de este informe. Se han agrupado en los siguientes grandes temas: electrónica, sensores, instrumentación científica, fotónica, materiales, biotecnología y química, energía y mecánica. En los siguientes apartados se desarrolla cada uno de ellos.
20. 21 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono 2.1 Electrónica A pesar de las extraordinarias propiedades mecánicas y térmicas de los nanotubos de carbono, de las que tanto se habla en la literatura, sus primeras aplicaciones prácticas han sido electrónicas, planteándose como una posible revolución en determinadas áreas como la informática. Las peculiares propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono son las que han permitido utilizarlos en aplicaciones electrónicas. Puede verse a continuación una tabla resumen en la que se exponen las principales aplicaciones que surgen de cada propiedad. Propiedad Aplicación Metálicos (n-m=3i). Nanocircuitos: Interconectores. Semiconductores (n-m ≠3i). Nanocircuitos: Diodos, Transistores. Emisión de campo. Pantallas planas, lámparas y tubos luminiscentes, tubos de rayos catódicos, litografía por haz de electrones, fuentes de rayos X, amplificadores de microondas, tubos de descarga en redes de telecomunicaciones, microscopios electrónicos de barrido, nanotriodos, betatrones. Resuenan mecánicamente ante una señal Filtros RF. electromagnética incidente (por fuerzas de Coulomb). Comportamiento resistivo, Filtros RF. capacitivo e inductivo. Se deforman en presencia de un campo Memorias. eléctrico por fuerzas electrostáticas. Transforman la luz en electricidad y producen Dispositivos optoelectrónicos. luz al inyectarles exceso de carga. Tal vez la propiedad eléctrica más importante de los nanotubos de carbono que determina su utilización en electrónica es que pueden ser metálicos o semiconductores. Para que un nanotubo sea metálico debe de cumplirse que la diferencia n-m (n y m son los índices de Hamada, parámetros que indican la forma en que se enrollaría la lámina de grafito que daría lugar al nanotubo) debe ser múltiplo de 3, en caso contrario será semiconductor. No todos los nanotubos semiconductores tienen el mismo gap. Debido a que en el mundo cuántico los electrones se comportan como partículas y como ondas, estas pueden cancelarse o reforzarse. El hecho de que los nanotubos de carbono sean similares a láminas de grafito enrolladas, hace que algunas de las ondas que corresponderían al grafito sin enrollar se cancelen cuando éste se enrolla, quedando sólo unos estados cuánticos (o longitudes de onda) permitidos para los electrones. Cuanto más pequeño es el diámetro del nanotubo habrá menos estados permitidos que
21. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 22 estarán muy separados energéticamente, aumentando el número de estados y disminuyendo su separación a medida que crece el diámetro. De esta manera las dimensiones de los nanotubos determinan el tamaño de su gap. Es muy importante, por tanto, controlar dichas dimensiones, para lo cual es fundamental el método de crecimiento empleado. Incluso si se pudiera controlar el crecimiento de los nanotubos de pared múltiple podrían darse características específicas a cada capa de forma que podrían construirse cables coaxiales, etc. La introducción de defectos en los nanotubos de carbono también puede servir para controlar sus propiedades electrónicas, como puede leerse en el artículo “Defects in carbon nanotubes”. La tendencia actual en electrónica es la miniaturización de los dispositivos para mejorar las prestaciones: aumento de velocidad, densidad y eficiencia. En este proceso ampliamente demandado, las tradicionales tecnologías de silicio están alcanzando el mínimo tamaño que se puede conseguir garantizando su correcto funcionamiento. Los nanotubos de carbono pueden desempeñar el mismo papel que el silicio en los circuitos electrónicos, pero a escala molecular donde el silicio y otros semiconductores dejan de funcionar. De hecho se espera que los nanotubos de carbono sean una pieza básica en lo que se denomina “electrónica molecular”, que es aquella que utiliza moléculas como bloques de construcción para la fabricación de los dispositivos. Un único nanotubo de carbono, que es en realidad una única molécula, permite, como se verá en los apartados expuestos a continuación, el desarrollo de un dispositivo electrónico. La electrónica a nivel molecular permitirá no sólo hacer más pequeños los dispositivos convencionales, sino también crear otros nuevos que aprovechen los efectos cuánticos propios de la reducida escala nanométrica en la que trabajan. Hay algo más que pueden aportar los nanotubos de carbono a la electrónica: son excelentes conductores del calor, lo que los hace ideales disipadores del calor que se produce en los sistemas electrónicos. Una característica importante de los dispositivos electrónicos que integran nanotubos es que aumentan su vida útil debido básicamente a las propiedades mecánicas (resistencia mecánica, dureza, tenacidad, flexibilidad y elasticidad) y térmicas (buena conducción del calor y estabilidad estructural a altas temperaturas) de los nanotubos. Un problema importante de las aplicaciones electrónicas de los nanotubos de carbono es que éstos son muy susceptibles al ruido causado por fluctuaciones eléctricas, térmicas y químicas, lo cual es muy positivo para su aplicación en sensores como se verá en el apartado 2.2. Sensores de este informe, pero muy negativo para la electrónica. En todos los casos el desarrollo de dispositivos electrónicos basados en nanotubos de carbono se realiza todavía de forma un tanto artesanal. Conectar un nanotubo a un electrodo requiere una mezcla de técnicas de litografía tradicionales para los electrodos
22. 23 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono y el uso de microscopios de fuerza atómica para ver y manipular el nanotubo. Para conseguir una producción industrial de dichos dispositivos es necesario aun un importante avance en los métodos de crecimiento de los nanotubos y en la capacidad de hacerlos crecer directamente encima de diferentes materiales, silicio entre ellos, con orientaciones, formas y tamaños adecuados. 2.1.1 Nanocircuitos El carácter metálico o semiconductor de los nanotubos de carbono los hace interesantes para su aplicación en nanocircuitos. Así los conductores pueden ser empleados como interconectores o nanocables y los semiconductores pueden utilizarse para desarrollar ciertos dispositivos como diodos y transistores (aunque veremos que algunos diodos también incorporan nanotubos metálicos). El hecho de que los nanotubos semiconductores puedan tener distintos gaps y distintas conductividades abre un extenso abanico de posibilidades para la fabricación de múltiples tipos de nanodispositivos. 2.1.1.1 Interconectores (nanocables) En la miniaturización progresiva de la electrónica los cables también disminuyen su tamaño. Pero esto presenta dos problemas: se produce mucho calor y los cables se destruyen al ser bombardeados por la avalancha de electrones que supone el paso de una corriente. Los nanotubos de carbono se presentan como una opción interesante para solucionar estos problemas. Por un lado, las previsiones indican que conducen el calor tan bien como el diamante por lo que disipan fácilmente el calor a través de los contactos eléctricos de sus extremos (mejor cuanto más corto sea el nanotubo). Por otro lado, su fortaleza estructural les permitiría transportar enormes cantidades de corriente sin sufrir daños, incluso corrientes que podrían destruir el cobre o el oro. En el artículo “Carbon nanotubes for interconnect applications” se comparan las propiedades de los nanotubos de carbono con las de cables de oro equivalentes. Diversos factores influyen en la resistencia de un nanotubo de carbono que se utiliza como nanocable. Aunque todavía los científicos estudian cómo se mueven los electrones a lo largo de un nanotubo, parece ser que en nanotubos perfectos, sin ningún defecto, los electrones viajan “balísticamente” o sea, sin resistencia, sin ninguna dispersión que es la que origina la resistencia de los cables metálicos. La conductividad de un nanotubo de carbono disminuye al aumentar el número de defectos, entre ellos las vacantes. Esto es debido al comportamiento mecano-cuántico
23. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 24 (ondulatorio) de los electrones dentro del nanotubo. Cuando un electrón rebota contra un defecto interfiere destructivamente, produciéndose una reducción en el flujo de electrones y por tanto un aumento en la resistencia. Este proceso de interferencia destructiva es mayor cuantos más defectos encuentre el electrón en su camino. Así, la presencia de tan sólo un 0,03% de vacantes es capaz de incrementar la resistencia eléctrica de un nanotubo de 400 nanómetros de longitud en más de mil veces. Además, en un nanotubo de carbono con defectos aumenta la resistencia al disminuir el diámetro o al aumentar la longitud. Así, la resistencia del nanotubo con vacantes crece exponencialmente con su longitud mientras que en un hilo de cobre, por ejemplo, la resistencia crece linealmente con la longitud. 2.1.1.2 Diodos Un diodo es un dispositivo electrónico que sólo permite el paso de corriente en un sentido. Un diodo típico convencional es una unión p-n en la que un semiconductor extrínseco tipo p (dopado con aceptores – sustancias que aportan huecos) se une con un semiconductor extrínseco tipo n (dopado con donores – sustancias que aportan electrones), o mejor dicho, en un solo semiconductor un extremo se dopa con impurezas aceptoras y otra con donoras. A grandes rasgos, el diodo sólo conducirá la electricidad cuando se conecte la parte p al polo positivo de una batería y la parte n al polo negativo (esta forma de polarización se llama “directa”), situación en la que los electrones pasan de la parte n, donde hay exceso de electrones, a la parte p donde hay exceso de huecos. Si se conecta la parte p al polo negativo y la parte n al polo positivo (“polarización inversa”) la corriente que atraviesa el diodo es prácticamente nula, aunque existe y se llama “corriente de saturación”. Se pueden construir diodos con nanotubos de carbono de múltiples formas. Algunas de ellas se exponen a continuación: · Se ha comprobado que uniendo nanotubos metálicos y semiconductores dichas uniones se comportan como diodos permitiendo que la electricidad fluya sólo en una dirección, como se comenta en el artículo “Nanotubes for electronics”. · Se pueden construir diodos similares a las uniones P-N tradicionales utilizando campos eléctricos para conseguir regiones tipo p y otras tipo n, en lugar de dopar los nanotubos como se hace normalmente con los semiconductores normales. La unión p-n se consigue polarizando una mitad de un nanotubo con una tensión negativa y la otra mitad con una positiva. Además, al no tener un dopaje fijo, el diodo así construido puede cambiar dinámicamente de polaridad y pasar de ser p-n a n-p y viceversa. Polarizando de la misma forma ambas mitades se puede conseguir,
24. 25 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono además, un transistor de canal p (ambas mitades polarizadas negativamente) o de canal n (ambas polarizadas positivamente). Así es el diodo desarrollado por la empresa General Electrics, como puede leerse en la noticia “GE Global Research desarrolla el diodo de nanotubo de mejor rendimiento del mundo”. · Se pueden construir dipolos dopando un nanotubo con aceptores en una mitad y con donores en la otra. De esta forma se tiene una unión p-n similar a las tradicionales pero con dimensiones nanoscópicas. Puede consultarse el artículo “Electronic and transport properties of N-P doped nanotubes”. 2.1.1.3 Transistores Un transistor es un dispositivo electrónico que, básicamente, tiene tres conexiones: fuente (“source”), colector (“drain”) y puerta (“gate”). Aplicando una corriente o una tensión, según los casos, a la puerta se controla la corriente que circula entre fuente y colector. Así, por ejemplo, en el transistor bipolar se aplica una corriente a la puerta mientras que en el transistor de efecto campo lo que se aplica a la puerta es un potencial. El primero se puede usar como amplificador (la pequeña corriente que se aplica a la puerta sale amplificada por el colector), mientras que un uso típico del segundo es como interruptor (con la tensión que se aplica a la puerta se pasa de conducción – on – a no conducción – off – entre fuente y colector). Los nanotubos de carbono pueden emplearse para fabricar transistores a escala nanométrica. Algunos ejemplos se exponen a continuación. 2.1.1.3.1 Transistores de efecto campo Se puede construir un FET (Field Effect Transistor o transistor de efecto campo) nanométrico colocando un nanotubo semiconductor entre dos electrodos metálicos que harían de fuente y colector. El flujo de electrones pasaría a través del nanotubo, y se controlaría aplicando los voltajes adecuados a un tercer electrodo situado cerca de él, la puerta, que produciría el campo eléctrico responsable de controlar la conductividad del nanotubo. Un FET construido de esta manera podría funcionar a temperatura ambiente de forma muy parecida a los fabricados con silicio. Sin embargo, debido a su pequeño tamaño consumiría mucha menos potencia. A veces se hace referencia a los FET construidos con nanotubos como NT-FET. El FET puede actuar como un interruptor lógico, pasando el nanotubo de conductor a aislante según los voltajes aplicados a la puerta. Un FET fabricado con un nanotubo de carbono puede efectuar conmutaciones ON-OFF y viceversa a una velocidad mucho
25. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 26 mayor (alrededor de 1000 veces) que la que se consigue con los mismos dispositivos fabricados en silicio. Este dato es muy importante para la fabricación de futuros ordenadores, basados en conmutaciones de este tipo. Los siguientes artículos tratan sobre transistores de efecto campo basados en nanotubos de carbono: · “An 8-ghz f(t) carbon nanotube field-effect transistor for gigahertz range applications”. · “Carbon nanotube field-effect transistor operation at microwave frequencies”. · “Carbon nanotube field-effect transistors for high-performance digital circuits - transient analysis, parasitics, and scalability”. · “Calculations and applications of the complex band structure for carbon nanotube field-effect transistors”. 2.1.1.3.2 Transistores de electrón único Un transistor SET (Single-Electron Tunnelling o transistor de electrón único) tiene, en lugar de tres, cuatro electrodos: fuente, drenaje, puerta e isla. La isla está separada de los otros tres electrodos por respectivas capas de material aislante. Los electrones pasan desde la fuente hasta el drenaje de uno en uno atravesando mediante efecto túnel las capas de aislante. El paso o no de electrones se controla mediante el voltaje que se aplica en el electrodo puerta. Recordamos aquí que el efecto túnel es un efecto propio de la mecánica cuántica y, por tanto, aplicable a escalas muy pequeñas, según el cual una partícula puede atravesar una barrera de potencial sólo por el hecho de existir una probabilidad no nula de que la partícula se encuentre al otro lado de la barrera, cuando desde el punto de vista de la mecánica clásica la partícula no tendría energía suficiente para atravesar dicha barrera. Se puede fabricar un SET de dimensiones macrométricas sustituyendo la isla y las capas de aislante que la separan de fuente y drenaje por un único nanotubo de carbono. Se ha comprobado que, en determinadas circunstancias, se produce en los nanotubos un fenómeno llamado “bloqueo de Coulomb” que consiste en que un electrón que pretende entrar al interior de un nanotubo cuando ya hay otro electrón dentro sufre una repulsión. Los electrones pueden, por tanto, atravesar el nanotubo de uno en uno. El paso o no de electrones se controlaría mediante el voltaje aplicado desde un electrodo puerta cercano, como en el caso de un SET convencional. Otra forma de desarrollar un SET a partir de un nanotubo de carbono es la descrita en la noticia “Nanotube Single-Electron Transistor Works At Room Temperature”, publicada en
26. 27 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono el año 2001 en Chemical & Engeneering news. En ella puede leerse cómo el grupo del profesor Cees Dekker en la Universidad de Delft desarrolló un transistor de electrón único sustituyendo la isla por una nanotubo de carbono metálico con sus dos extremos curvados, siendo éstos los que determinan que se produzca el efecto túnel característico de este tipo de transistores. 2.1.1.3.3 Nanotubos en forma de Y Se puede conseguir un nanotubo con forma de Y controlando adecuadamente el proceso de crecimiento. Por ejemplo, en la Universidad de South California lo consiguen mediante el procedimiento de “chemical vapour deposition”; añadiendo partículas de hierro-titanio consiguen que salgan dos ramas a partir de otra principal, quedando las partículas en el interior de los nanotubos justo en el punto donde se unen las tres ramas. Se ha comprobado que la corriente de electrones que circula entre las dos ramas secundarias puede ser controlada aplicando un voltaje a la rama principal. O sea, que el nanotubo se comportaría como un transistor y podría usarse como un interruptor lógico con características muy similares a los de silicio, pero con un tamaño mucho menor. Estos transistores tienen una ventaja importante: no necesitan integrar nanotubos y silicio en el mismo dispositivo, lo cual presenta numerosas complicaciones, sino que están constituidos por sólo un nanotubo. En el artículo “Are electrical switching and rectification inherent properties of carbon nanotube y junctions?” se cuestionan si las características propias de los nanotubos en forma de Y dependen de la presencia de partículas catalizadoras en la unión de las tres ramas o es una característica propia del nanotubo, para concluir, tras realizar los cálculos teóricos oportunos, que son independientes de la presencia o no de partícula catalizadora. 2.1.1.4 Interruptores Los interruptores más frecuentes construidos con nanotubos de carbono son los transistores ya tratados en el apartado 2.1.1.3. Transistores. También se pueden construir interruptores nano-electro-mecánicos (NEMS) usando nanotubos y basados principalmente en fuerzas electrostáticas que moverían el nanotubo de una posición ON a otra OFF. Dado el tamaño nanométrico del dispositivo, intervienen también en este caso, aunque en menor medida, las fuerzas de Van der Waals, fuerzas de estabilización molecular resultantes de la atracción entre los pequeños dipolos atómicos que se forman debido al movimiento de los electrones alrededor del
27. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 28 núcleo. Aunque estos interruptores se mencionan en el apartado 2.8.5. NEMS, su descripción puede leerse en el apartado 2.1.4. Memorias, ya que la misma tecnología puede utilizarse como interruptor o como dispositivo de almacenamiento de datos. 2.1.2 Emisión de campo La emisión de campo es una forma de arrancar electrones de un sólido mediante la aplicación de un campo eléctrico suficientemente fuerte. Para conseguir que los electrones escapen de la superficie del sólido es necesario aplicarles energía. Hay diversas formas de suministrar esa energía. Así, por ejemplo, en la emisión termoiónica la energía proviene del calor y los electrones se emiten desde un material incandescente; en el efecto fotoeléctrico es una radiación electromagnética incidente sobre el emisor la que proporciona a los electrones la energía necesaria para escapar. En la emisión de campo, sin embargo, al aplicar un campo eléctrico suficientemente elevado al emisor los electrones escapan hacia el exterior mediante la formación de túneles cuánticos que les permiten atravesar la barrera de potencial de la superficie. Como se comentó en el apartado 2.1.1.3.2. Transistores de electrón único, los túneles cuánticos permiten que partículas con energía insuficiente para atravesar una barrera de potencial la atraviesen debido a la probabilidad no nula de que se encuentren al otro lado. En la emisión de campo, el campo eléctrico propicia la aparición del efecto túnel. La emisión de campo depende de las propiedades del material emisor y de su forma; así para un material y un campo eléctrico dados, cuanto más alargado y estrecho sea el emisor mayor será la corriente de electrones obtenida. Los nanotubos de carbono son excelentes emisores de campo, presentando ciertas ventajas frente a otros materiales. En primer lugar, emiten electrones a voltajes más bajos que otros electrodos debido a su forma alargada casi unidimensional. Además, debido a la fuerza con que los átomos de carbono se unen entre sí, tienen una vida útil mucho mayor ya que son muy estables ante corrientes elevadas. El principal inconveniente del uso de los nanotubos de carbono como emisores de campo es que sus propiedades emisoras dependen totalmente de su estructura y, por tanto, del proceso de síntesis utilizado. La corriente de electrones emitida por un nanotubo de carbono puede verse modificada por la adsorción de moléculas de diferentes sustancias en su superficie (como se expone en el artículo “Field emission properties of carbon nanotubes and their application to display devices”) y por la presión de la cámara en la que se encuentra; esto último puede utilizarse para desarrollar sensores, como puede verse en el apartado 2.2. Sensores.
28. 29 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono También los defectos en los nanotubos producen cambios en la emisión de electrones, como puede leerse en el artículo “Emission property of carbon nanotube with defects”. Hay múltiples aplicaciones posibles en las que se pueden emplear los nanotubos de carbono como fuentes de electrones. El término “electron gun” (traducido frecuentemente como “cañón de electrones”) es ampliamente utilizado en la literatura para referirse a las fuentes de electrones. Se exponen a continuación las aplicaciones detectadas durante la realización de este informe. 2.1.2.1 Pantallas planas Las pantallas planas son una de las aplicaciones más prometedoras de los nanotubos de carbono como emisores de campo. Durante mucho tiempo se ha pensado en la emisión de campo para las pantallas planas de televisores y ordenadores pero siempre se ha tropezado con el problema de que los emisores son extremadamente delicados. Los nanotubos de carbono con su extraordinaria estabilidad estructural pueden ser la solución a este problema. Presentan, además, numerosas ventajas frente a los “liquid crystal displays” (LCD): menor consumo, mayor brillo, mayor ángulo de visión, y rápida respuesta. La idea de un display plano fabricado con nanotubos es muy sencilla: el cátodo incorpora nanotubos dispuestos con sus puntas orientadas hacia el ánodo y éste, separado una cierta distancia del primero, se cubre con un material catodoluminiscente que emite luz cuando impactan los electrones contra él. Controlando electrónicamente el campo eléctrico que se aplica sobre los nanotubos se produce la imagen deseada. El cátodo emisor se puede construir de varias maneras. Por ejemplo, dispersando los nanotubos en una matriz plástica y usando el compuesto así creado para cubrir un electrodo sobre el que se aplica voltaje, los nanotubos que casualmente hayan caído con sus puntas orientadas hacia el ánodo serán emisores de electrones. También se pueden crecer los nanotubos directamente en arrays, formando “bosques” en los que todos tendrían sus puntas orientadas hacia el ánodo y, por tanto, todos serían emisores. El prototipo construido por la Universidad de Northwestern (“Applications of carbon nanotubes”), consiste en colocar tiras de resina epoxy con nanotubos sobre el cátodo y tiras de tinoxido de indio sobre el ánodo. Los píxeles se forman en la intersección de las tiras del cátodo y las del ánodo. Para una distancia de 30 μm entre el cátodo y el ánodo, se necesitan 230V para conseguir la densidad de corriente necesaria para crear una imagen (76 μmA/mm2).
29. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 30 2.1.2.2 Lámparas y tubos luminiscentes Las lámparas de nanotubos de carbono se basan en la misma idea que los displays planos: un cátodo que incorpora nanotubos emisores de electrones que impactan sobre un ánodo cubierto de un material catodoluminiscente. El impacto de los electrones produce luz. En este caso sólo se busca luz, no una imagen, por lo que no es necesaria la electrónica propia de las pantallas planas. Las lámparas así construidas son más eficientes (más de 10 veces) que las tradicionales, más brillantes y con una vida más larga (mayor de 8000 horas). Por ello se plantean como alternativa a las lámparas fluorescentes convencionales que usan mercurio altamente contaminante para el medio ambiente. En el artículo “Printed carbon nanotube field emitters for backlight applications” se comenta el uso de estas lámparas para la unidad de iluminación trasera de pantallas LCD, donde se espera que produzcan importantes reducciones de coste, al menos en pantallas de gran tamaño. 2.1.2.3 Tubos de rayos catódicos Un tubo de rayos catódicos es, como su nombre indica, un tubo en el que un emisor de electrones envía electrones hacia una pantalla recubierta con material catodoluminiscente que emite luz con una intensidad proporcional a la cantidad y velocidad de electrones incidentes. Entre el emisor de electrones y la pantalla hay un sistema deflector (magnético o electrostático) que permite desviar el haz de electrones verticalmente y horizontalmente de forma que se puedan recorrer todos los puntos de la pantalla de forma consecutiva. La rapidez con que se recorre la pantalla impide al ojo humano darse cuenta de que en realidad los píxeles se iluminan uno a uno. Las voluminosas pantallas tradicionales de TV, ordenadores, osciloscopios, etc. están fabricadas con tubos de rayos catódicos. Los nanotubos de carbono como emisores de campo pueden ser la fuente de electrones en los tubos de rayos catódicos. Un ejemplo serían los fabricados por la empresa Ise Electronic Co. en Japón, como se menciona en el artículo “Applications of carbon nanotubes”. 2.1.2.4 Litografía por haz de electrones La litografía por haz de electrones (EBL – Electron Beam Litography) o electrolitografía es una técnica especializada para crear plantillas extremadamente finas, fundamentales para la fabricación de los modernos circuitos electrónicos.
30. 31 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono La técnica consiste en cubrir la oblea sobre la que se quiere trabajar con una película sensible a los electrones. Mediante una fuente de electrones se “dibuja” sobre la película la plantilla que se pretende crear. La zona bombardeada con electrones sufre ciertos cambios estructurales. Posteriormente se somete el conjunto a la acción de una solución líquida que o bien disolverá la película protectora sólo en zona expuesta a los electrones (litografía positiva) o bien la no expuesta (litografía negativa), dejando al descubierto la oblea sólo en las zonas que nos interesan para su posterior procesado. La ventaja sobre la fotolitografía (es el mismo proceso pero utilizando luz visible o ultravioleta en lugar de electrones) es que tiene una resolución mucho mayor al no haber difracción. El principal inconveniente es que es un proceso más lento ya que en la litografía por haz de electrones la plantilla se dibuja en lugar de usar máscaras como ocurre en la fotolitografía. Los nanotubos de carbono como emisores de electrones pueden ser utilizados para esta aplicación, como se comenta en el artículo “Carbon nanostructures on silicon substrates suitable for nanolithography”. 2.1.2.5 Fuentes de rayos X Cuando se bombardea un metal con electrones, el metal emite rayos X. Por tanto, se puede fabricar una fuente de rayos X con un cátodo emisor de electrones que bombardean un ánodo metálico. El mecanismo es similar al ya descrito en el caso de las pantallas planas, lámparas y tubos luminiscentes y tubos de rayos catódicos, pero sustituyendo el material luminiscente del ánodo por un metal. Las fuentes de rayos X convencionales usan emisores termoiónicos que alcanzan temperaturas de hasta 2 000 °C. Los nanotubos de carbono, usando su propiedad de ser emisores de campo, pueden reemplazar a los emisores termoiónicos en esta aplicación. Las ventajas que ofrecen son: mayor vida útil (los emisores termoiónicos funcionan durante tiempos relativamente cortos debido a las altas temperaturas que alcanzan), y mayor eficiencia energética. Además, al trabajar a temperatura ambiente, permiten construir fuentes de rayos X portátiles que podrán usarse en ambulancias, para detectores de seguridad en aeropuertos y otros edificios, etc. El artículo “Acquisition of x-ray images by using a CNT cold emitter” trata sobre este tema. 2.1.2.6 Amplificadores de microondas En un amplificador de microondas convencional un cátodo incandescente genera una corriente continua de electrones, que atraviesan una bobina a la que se aplica la señal
31. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 32 RF que se quiere amplificar. Los electrones, sometidos al campo eléctrico creado por la bobina modulan su velocidad y se crean grupos de electrones con velocidades diferentes. Estos grupos atraviesan una segunda bobina en la que al pasar los electrones y según las características de la bobina se genera la señal RF amplificada, que será transmitida a una antena para su difusión. La eficiencia de este sistema es pequeña y disminuye al aumentar la frecuencia de la señal RF. El emisor termoiónico puede ser sustituido por nanotubos de carbono. Aparte de no tener que calentarlos, emiten directamente los electrones en grupos pudiendo conmutar entre estados ON y OFF según la señal RF de entrada (este proceso se llama “modulación temporal”). Este sistema permite eliminar la primera bobina de los amplificadores convencionales, lo que reduce en 2/3 el volumen total. Además, el colector final de los electrones también se simplifica ya que llegan menos electrones. Esto es debido a que en el amplificador convencional sólo alrededor de un 30% de los electrones del haz inicial se incorporan a los grupos, mientras que todos los electrones emitidos forman parte de ellos en el caso de los nanotubos. El resultado es una reducción en peso lo cual permitiría, por ejemplo, enviar satélites más pequeños al espacio (con el consiguiente ahorro económico) o bien aumentar el número de amplificadores embarcados. Para que la utilización de los nanotubos de carbono como emisores en amplificadores de microondas sea eficiente es necesario poder crear arrays en los que todos los nanotubos sean lo más parecidos posible en forma y tamaño para conseguir emisiones similares de todos ellos. Además, es necesario que estén bien cristalizados para que tengan una alta conductividad eléctrica. Es decir, también esta aplicación, como la mayoría, depende de la calidad en el proceso de crecimiento de los nanotubos. En el artículo “Aligned carbon nanotubes/fibers for applications in vacuum microwave amplifiers” se describe un amplificador de microondas basado en nanotubos de carbono en el que se obtendrían densidades de corriente del orden 1 A/cm2 a 1.5 GHz, mientras que en “Aligned carbon nanotubes/fibers for applications in vacuum microwave devices” se habla de un amplificador capaz de producir una potencia de 10 W a 30 GHz. 2.1.2.7 Tubos de descarga de gas en redes de telecomunicaciones Los tubos de descarga de gas consisten en dos electrodos paralelos colocados en el interior de una caja cerámica sellada y llena de una mezcla de gases nobles. Se usan para proteger circuitos de excesos de voltaje transitorios como el que ocurre, por ejemplo, tras la caída de un rayo. Estos tubos son aislantes en condiciones normales. Cuando hay un exceso de voltaje se produce una descarga entre los electrodos que
32. 33 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono convierte la mezcla de gases en un plasma conductor que cortocircuita el sistema y protege a los componentes de posibles daños. Son sistemas robustos, baratos y que no interfieren con el funcionamiento del sistema. Incorporando nanotubos de carbono como elementos de descarga en los electrodos se comprueba que se obtienen resultados mejorados respecto a los tubos de descarga convencionales. Como puede leerse en el artículo “Application of carbon nanotubes as electrodes in gas discharge tubes”, los tubos de descarga con nanotubos de carbono en sus electrodos reducen el voltaje de ruptura (aquel para el que se produce la descarga en el tubo) para corriente continua y disminuye las fluctuaciones del mismo. Esto los hace aptos para aplicaciones en las que no son válidos los tubos de descarga convencionales, como el ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) y el HDSL (High-bit- rate Digital Subscriber Line). 2.1.2.8 Microscopios electrónicos de barrido En el microscopio electrónico de barrido (SEM – Scanning Electron Microscope) un haz de electrones muy concentrado generado por una fuente emisora y enfocado y dirigido mediante lentes magnéticas se proyecta sobre la muestra a explorar y la recorre punto por punto, siendo el tamaño de la zona bombardeada de unos pocos nanómetros (típicamente entre 1 y 5 nm). Los electrones incidentes, llamados electrones primarios, tienen energías comprendidas entre unos cientos de eV y 100 KeV. Al alcanzar la muestra interaccionan con los átomos de ésta hasta una profundidad que oscila entre algo menos de 100 nm y unas 5 micras, dependiendo de las características del haz y de la muestra. Como resultado de dicha interacción se desprenden de la muestra distintos elementos: electrones secundarios, electrones dispersados, electrones reflejados, rayos x, luz visible, etc. Un SEM puede tener detectores para cada tipo de señal producida, pero lo más frecuente es detectar los electrones secundarios. De éstos se analizan los de baja energía (unos 50 eV) que son los generados a unos pocos nanómetros de la superficie. La información recogida de cada punto bombardeado en la muestra es procesada electrónicamente y convertida en un píxel de una pantalla. Rastreando la muestra se consigue una imagen completa de ésta. El resultado es una imagen tridimensional de la superficie. La resolución de un microscopio depende de la longitud de onda de la radiación que se utiliza, de forma que si la distancia que separa dos puntos es menor que la longitud de onda de la radiación que los ilumina no será posible diferenciarlos. Esto determina que la resolución de un SEM sea mucho mayor que la de un microscopio óptico: la longitud de onda asociada a los electrones que se usan en este tipo de microscopios es de unos 0,5 ángstroms, mientras que en el caso de la luz visible está comprendida entre 400 y 700 nm.
33. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 34 Como principales inconvenientes pueden citarse que los SEM tienen que trabajar en vacío para evitar que las moléculas de aire dispersen los electrones primarios, son muy sensibles a vibraciones y a campos electromagnéticos externos, y necesitan fuentes muy estables tanto de electrones como de voltajes para alimentar las lentes magnéticas. Además, el resultado es mucho mejor si la muestra es conductora, por lo que si aquella no cumple esta condición se recurrirá a cubrirla con una fina capa de metal, lo que puede alterar la muestra si esta es muy delicada e implica que, en el caso de muestras biológicas, sólo puedan observarse organismos muertos. La fuente de electrones que se utiliza normalmente en los SEM es un emisor termoiónico. Los nanotubos de carbono pueden utilizarse como emisores de campo para este tipo de aplicación, como se comenta en al artículo “Carbon nanotubes as electron sources”. 2.1.2.9 Nanotriodos Un triodo es un tubo de vacío en cuyo interior hay un cátodo cargado negativamente que emite electrones, un ánodo cargado positivamente que los atrae y, situada en algún punto entre ambos, una rejilla a la que se le aplica una tensión y a través de la cual pasan los electrones. Según el valor de la tensión que se aplica a la rejilla se controla el flujo de electrones que viaja del cátodo al ánodo. La rejilla permite, por tanto, que el triodo sea un amplificador y, además, un interruptor que conmuta de estado ON a OFF según deje pasar la corriente o no. Los emisores de electrones de los triodos convencionales son emisores termoiónicos. Éstos pueden ser sustituidos por emisores de campo como los nanotubos de carbono. El empleo de éstos últimos en concreto permitiría, además, fabricar nanotriodos, es decir, triodos de tamaño nanométrico que podrían emplearse como amplificadores o interruptores de reducido tamaño en MEMS (MicroElectroMechanical Systems, ver apartado 2.8.6. MEMS) o NEMS (NanoElectroMechanical Systems, ver apartado 2.8.5. NEMS). Así, en el artículo “Modeling of field emission nanotriodes with carbon nanotube emitters” se propone el desarrollo de un nanotriodo de unos 100 nm de tamaño. 2.1.2.10 Betatrones En el artículo “Possible application of carbon nanotubes to the field emission electron source for portable betatrons” se habla de la posibilidad de usar los nanotubos de carbono como fuentes de electrones en betatrones. Un betatrón es un acelerador de partículas beta, o sea, un acelerador de electrones ya que las partículas beta no son más que electrones de alta velocidad y alta energía.
34. 35 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono El betatrón fue inventado por D.W.Kerst en 1941. En su estructura más básica consiste en un tubo toroidal en cuyo interior se hace el vacío. En él se inyectan electrones con cierta velocidad. A través de la sección del toro se hace pasar un campo magnético variable en el tiempo que crea un campo eléctrico y éste acelera los electrones en su movimiento a lo largo del tubo. En un momento dado los electrones se deflectan para llevarlos a su destino. Si se les hace incidir con un metal puede dar lugar a una fuente de rayos X, como se ha comentado en el apartado 2.1.2.5. Fuentes de rayos X. Impactando con los materiales adecuados pueden generar otro tipo de radiaciones que se usan en terapias médicas, por ejemplo, contra el cáncer. El betatrón también puede utilizarse simplemente como herramienta para estudiar las características de los electrones. La ventaja de usar nanotubos de carbono como fuente de electrones es que permitiría el desarrollo de betatrones pequeños y portátiles, como se comenta en el artículo antes mencionado. 2.1.3 Filtros RF Los nanotubos de carbono pueden usarse como filtros RF. Se exponen a continuación dos posibles formas de conseguirlo. En primer lugar, se pueden construir filtros RF muy pequeños mediante arrays de nanotubos de carbono metálicos dispuestos de forma similar a las cerdas de un cepillo y encastrados en guías de onda microstrip de forma que los nanotubos queden perpendiculares al eje principal de la guía de ondas. Este sistema resonante vibrará ante señales comprendidas en cierto ancho de banda cuya frecuencia central se llama frecuencia de resonancia. La deformación de los nanotubos se produce por la fuerza de Coulomb ejercida por la señal RF sobre sus cargas. El resto de las frecuencias son reflejadas por los nanotubos metálicos. Los nanotubos así colocados constituyen un resonador mecánico muy eficiente, con alto factor de calidad Q (cociente entre la frecuencia de resonancia y el ancho de banda). El resultado es, por tanto, un filtro pasa banda de banda estrecha. La frecuencia de resonancia de los nanotubos se puede cambiar inyectando o retirando densidad de carga en los nanotubos (p.ej. mediante un condensador), o sea, que el filtro es sintonizable. De esta manera se obtienen filtros pasivos basados en resonadores electromecánicos con un tamaño adecuado para ser integrados, solucionando así el problema del gran tamaño (excesivo para ser integrados) de los que se usan actualmente en sistemas de comunicaciones. En segundo lugar, los nanotubos de carbono tienen comportamiento inductivo y capacitivo, además de resistivo, lo que puede utilizarse para construir circuitos LCR y, entre ellos, filtros RF con buenos resultados cuando se trabaja a altas frecuencias. Los filtros pasivos LCR son muy utilizados en aplicaciones donde no son aptos los filtros
35. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 36 activos porque se necesita gran margen dinámico (relación señal/ruido) y bajo ruido. Sin embargo normalmente los filtros LCR son demasiado grandes debido al tamaño del inductor y son difíciles de integrar. Por otro lado, los filtros pasivos que usan resonadores electromecánicos, muy utilizados en sistemas de comunicaciones, normalmente trabajan a frecuencias muy bajas, son caros y también son grandes para integrarlos. Los filtros pasivos LCR fabricados con nanotubos de carbono solucionarían todos estos problemas. En el artículo “A carbon nanotube film as a radio frequency filter” de Nina A. Prokudina, Evgenii R. Shishchenko, Oh-Shim Joo, Kyung-Hee Hyung and Sung-Hwan Han de la Universidad de Hanyang en Corea del Sur describen la fabricación de una película que contiene nanotubos de carbono y que funciona como filtro elimina-banda con una frecuencia central de 18 MHz. 2.1.4 Memorias Las memorias fabricadas con nanotubos de carbono podrían ser una alternativa interesante a las actuales memorias RAM de nuestros ordenadores. Para empezar serían memorias no volátiles. Además, serían más rápidas, baratas, resistentes a la radiación, con una vida casi ilimitada, con gran capacidad de almacenamiento de datos y con menor consumo que las actuales. Existen diferentes formas de construir memorias con nanotubos de carbono. Citaremos aquí sólo algunos ejemplos. La empresa estadounidense Nantero muestra en su página web su prototipo de memoria basada en nanotubos de carbono y fabricada con procesos estándar en el mundo de los semiconductores. Fabrican nanotubos sujetos por ambos extremos de unos interconectores y suspendidos a una altura de unos 10 nm sobre un electrodo. Cuando se aplica un campo eléctrico adecuado al nanotubo mediante una diferencia de potencial entre el electrodo y los interconectores, algunos de los átomos del nanotubo se mueven y éste se curva de forma similar a una catenaria debido a fuerzas electrostáticas hasta que su parte central toca el electrodo inferior cerrando el circuito. El nanotubo suspendido representa el estado OFF o el 0 lógico y el nanotubo en contacto con el electrodo el estado ON o 1 lógico. Una vez que el nanotubo está en contacto con el electrodo, las fuerzas de Van der Waals prevalecen sobre las elásticas y mantienen el contacto incluso cuando el campo eléctrico desaparece, lo que permite que estas memorias sean no volátiles. También sería posible fabricar una memoria con nanotubos unidos sólo por un extremo a un electrodo y dispuestos de forma horizontal. Por debajo y, a cierta distancia habría un segundo electrodo. Aplicando una diferencia de potencial entre ambos y aprovechando la deformación que se produce en el nanotubo ante la acción de un campo eléctrico, el nanotubo se inclinaría por su extremo libre hasta llegar a
36. 37 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono tocar el electrodo, cerrando el circuito. El circuito abierto sería el estado “OFF” y el cerrado el estado “ON”. En el artículo “Nanoelectromechanical Systems:Experiments and Modeling” puede leerse una pequeña descripción de esta tecnología aplicada a interruptores (en muchos casos interruptores y memorias se construyen de formas muy similares). Otro ejemplo sería la propuesta de la Universidad de California de construir memorias usando nanotubos de carbono telescópicos. Introduciendo un nanotubo en el interior de otro ligeramente mayor, los científicos pueden conseguir movimientos telescópicos y obtener así incluso 3 estados lógicos mediante 2 electrodos situados en ambos extremos de los dos nanotubos concéntricos. En ausencia de campos eléctricos los dos nanotubos permanecen unidos por la fuerza de Van der Waals. Si se aplican voltajes de signos opuestos a uno de los electrodos y al nanotubo interno, la fuerza electrostática vencerá a la de Van der Waals y el nanotubo interno saldrá disparado hacia el electrodo con carga opuesta hasta hacer contacto con él. Según el electrodo que se cargue se consiguen dos estados diferentes (nanotubo interno en contacto con el electrodo de la derecha o con el de la izquierda); estos, junto con el estado de reposo con ambos nanotubos unidos permite una lógica de tres estados con las posibilidades de almacenamiento de datos que ello conlleva. La noticia titulada “Telescoping nanotubes offer new option for nonvolatile memory” habla sobre este tema. Por último otra interesante posibilidad para el almacenamiento de datos es introducir partículas de hierro en el interior de nanotubos de carbono. El conjunto así formado tiene propiedades ferromagnéticas, lo que lo hace apto para la fabricación de memorias magnéticas similares a las convencionales pero permitiendo mayores densidades de almacenamiento. Los artículos “Iron filled single-wall carbon nanotubes - a novel ferromagnetic medium” y “Synthesis and magnetic study for fe-doped carbon nanotubes (CNTS)” tratan sobre este tema. En el artículo “Synthesis and properties of filled carbon nanotubes” se consideran también otros materiales ferromagnéticos como el níquel o el cobalto para dopar los nanotubos de carbono consiguiendo así no sólo dispositivos de almacenamiento sino también excelentes nanocables metálicos protegidos de la oxidación por los nanotubos que los envuelven. Las partículas magnéticas también podrían situarse en la superficie del nanotubo en lugar de hacerlo en su interior, como se comenta en el artículo “Controllable synthesis and magnetic properties of fe-co alloy nanoparticles attached on carbon nanotubes”. 2.1.5 Optoelectrónica Los dispositivos optoelectrónicos convierten la luz en electricidad y viceversa. Por ello los elementos clave de su funcionamiento serían antenas que en lugar de trabajar con ondas de radio trabajaran con señales de frecuencias correspondientes al rango visible.
37. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 38 Una antena dipolo de radiofrecuencia consiste en dos hilos conductores rectilíneos de igual longitud y colineales con radio mucho menor que su longitud y separados una mínima distancia en la que se coloca un generador o una línea de transmisión. La longitud total de un dipolo es la mitad de la longitud de onda de su frecuencia de resonancia (realmente alrededor de un 95% de dicha longitud debido a efectos de borde en las puntas). Podría pensarse que los nanotubos de carbono, dada su estructura casi unidimensional, podrían ser los hilos radiantes de una antena dipolo. Las investigaciones demuestran que esto es cierto para longitudes de onda de la luz visible: los nanotubos de carbono al ser iluminados con luz visible generan corrientes eléctricas. Al incidir los fotones sobre el nanotubo se separan las cargas positivas y negativas generando así la corriente. Aparte de su utilidad en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos, estas antenas de luz visible podrían utilizarse, por ejemplo, para recibir señales de televisión transportadas por un haz láser que se propaga por una fibra óptica, mejorando así la eficiencia y la calidad de las señales de televisión. Podrían, además, ser la base para la construcción de generadores fotovoltaicos muy eficientes, con las ventajas energéticas que esto supondría. Además, los dipolos individuales podrían utilizarse como elementos radiantes individuales de arrays, con los beneficios propios de este tipo de antenas. El efecto inverso también se ha demostrado: si se inyectan cargas positivas y negativas en un nanotubo, al recombinarse se produce emisión de luz. En la noticia titulada “Single-nanotube photodetector” publicada en julio de 2003 en Chemical & Engineering news, se comenta cómo la empresa IBM consiguió ambas cosas: producir una corriente al iluminar un nanotubo de carbono y que éste emita luz cuando se le inyectan cargas. 2.1.6 Grabado (etching) Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados para el grabado (etching) de nanotrincheras de anchura inferior a los 10nm en obleas de SiO2. En el artículo “Carbon nanotube guided formation of silicon oxide nanotrenches” describen el procedimiento utilizado en la Universidad Pohang de Ciencia y Tecnología de la República de Corea para conseguirlo. Explican cómo nanotubos de carbono de pared simple crecidos por el método CVD pueden ser utilizados como fuente de carbono, sustancia que reduce el SiO2 a su estado gaseoso. Se obtendrían así nanotrincheras con el tamaño y la forma del nanotubo utilizado. Estas nanotrincheras pueden ser utilizadas por ejemplo, para la fabricación de nanocables con unas dimensiones difíciles de conseguir mediante otras técnicas de grabado.
38. 39 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono 2.1.7 Espintrónica La electrónica utiliza la carga de los electrones para generar corrientes y en función de éstas y de sus valores maneja y transmite información. Pero desde hace años se conoce otra propiedad de los electrones que también puede ser aprovechada en el almacenamiento y tratamiento de datos, es el Espín. El concepto de espín se introdujo en la teoría de la Mecánica Cuántica en los años 20 para justificar los espectros de algunos átomos, y se puede entender como la rotación del electrón sobre su propio eje (de la misma manera que la Tierra tiene un movimiento de giro sobre sí misma además de en torno al Sol). Debido a que el electrón es una partícula cargada este movimiento de rotación sobre su eje debe generar un momento magnético y esta propiedad es la que permite interaccionar con el espín mediante campos magnéticos. Se denomina espintrónica (o también electrónica del espín) a la tecnología que permite aprovechar el espín de los electrones además de su carga para aumentar las posibilidades de la electrónica. Para poder aprovechar la propiedad del espín es necesario disponer, por un lado de dispositivos que generen corrientes de electrones polarizados en espín (es decir, que tengan el mismo valor de espín) y, por otro de dispositivos que sean capaces de detectar el valor del espín. En el desarrollo de los dispositivos que “polarizan el espín” se están utilizando materiales ferromagnéticos, ya que al aplicarles un campo magnético tienden a alinear sus espines con éste y se pueden considerar como “fuentes de espín”. Pero una vez lograda la “fuente de espín” es necesario proteger estas partículas con espín controlado ya que a medida que sufren colisiones pueden perder el valor inicial de espín. Los CNT pueden colaborar en esa tarea. En el artículo Magnetism of transition-metal/carbon-nanotube hybrid structures realizado en 2003 entre la Chang Gung University china y la University of North Carolina, se estudian estructuras híbridas CNT-Metal de transición (En concreto utilizan Cobalto) para el transporte de espín. La estructura puede estar formada tanto con el Cobalto en el interior del CNT como situado en su superficie externa. Sobre este mismo tema se ha publicado recientemente en Nature el artículo ‘Transformation of spin information into large electrical signals using carbon nanotubes’ realizado entre otros por J.M. Pruneda del ICMBA (CSIC). También de este mismo autor se puede tener acceso al artículo más general, ‘Molecular-Spintronics: the art of driving spin through molecules’.
39. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 40 2.2 Sensores Un sensor es un dispositivo que detecta cierta característica del medio externo, la transforma en otra que pueda ser fácilmente transmisible, medible y procesable, y transmite ésta última al dispositivo de control correspondiente. Realiza, por tanto, dos labores fundamentales: detección y transducción. El detector y el transductor pueden ser elementos separados o estar ambos integrados en el transductor. Es muy habitual que la característica a medir se transforme en magnitudes eléctricas, ya que éstas son fácilmente manipulables. Los nanotubos de carbono se presentan como una opción interesante para la fabricación de sensores de pequeño tamaño, portátiles, rápidos y de bajo consumo. En muchos casos, aunque no siempre, se aprovecha la circunstancia de que las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono dependen fuertemente de su estructura atómica y electrónica y cualquier modificación de origen físico o químico que se produzca en ésta provocará un cambio en dichas propiedades. Midiendo el cambio tendremos un reflejo de la característica que lo provocó. En la siguiente tabla se ofrece un resumen de la propiedad de los nanotubos que se aprovecha para cada tipo de sensor. Propiedad Tipo de sensor Cambio en la resistencia y capacidad al Sensores químicos. reaccionar químicamente con ciertas sustancias. Cambio en la resistencia provocado por fuerzas Sensores químicos de sustancias cargadas. electrostáticas procedentes del exterior. Cambio en la resistencia al ser sometidos a Sensores mecánicos. fuerzas mecánicas (presión, curvado, torsión): piezorresistividad. Cambio en la frecuencia de vibración al ser Sensores mecánicos resonantes. sometidos a una fuerza. Aumenta la resistencia con la temperatura. Sensores térmicos. Producen corriente eléctrica al ser calentados Sensores térmicos. con determinadas longitudes de onda del espectro infrarrojo: piroelectricidad. Producen corriente eléctrica al ser iluminados. Sensores electromagnéticos. Presentan fotoluminiscencia. Sensores electromagnéticos. Absorben luz visible e infrarroja. Sensores electromagnéticos. Emiten electrones cuando se estimulan Sensores electromagnéticos. con microondas. La corriente de electrones emitida (emisión Sensores de presión por emisión de campo. de campo) depende de la presión de la cámara.
40. 41 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono Desarrollamos brevemente a continuación los distintos tipos de sensores que pueden incorporar nanotubos de carbono, clasificados en función del parámetro que detectan: 2.2.1 Sensores químicos y biológicos Los sensores químicos se usan para detectar la presencia de determinadas sustancias en un entorno dado. Para ello se usan técnicas muy diversas, desde reacciones químicas con el analito o sustancia a analizar hasta cambios de propiedades físicas de todo tipo producidas en el detector del sensor ante la presencia del material que se pretende detectar. Los sensores químicos que se utilizan en entornos biológicos y los usados para la detección de contaminantes despiertan gran interés en la comunidad científica por sus potenciales beneficios para la salud y el medioambiente. En muchas ocasiones los sensores químicos desarrollados a partir de nanotubos de carbono basan su funcionamiento en la propiedad que tienen éstos de cambiar sus propiedades eléctricas, en concreto su resistencia y su capacidad, al reaccionar químicamente con las sustancias que se pretende detectar. Pueden existir diferentes mecanismos de reacción. Una posibilidad es utilizar nanotubos con defectos de forma que las moléculas a detectar ocupen los huecos. Incluso se producen cambios en la capacidad del nanotubo si éste se recubre con otra sustancia que, de alguna manera, atrape a las moléculas a detectar, de forma que éstas se quedan en la superficie del nanotubo pero sin interaccionar directamente con él. Los nanotubos de carbono también pueden detectar la presencia de sustancias que tengan cierta carga, basándose en que la resistencia de los nanotubos depende del número de cargas libres en su interior y éste número se puede alterar mediante fuerzas electrostáticas que proceden del exterior. En ocasiones la función de los nanotubos de carbono en los sensores no es ser el detector sino mejorar las prestaciones de ciertos materiales que se usan para realizar dicha función. Así, por ejemplo, en la reacción química que tiene lugar entre el analito y el electrodo del detector en sensores electroquímicos pueden hacer de catalizadores o facilitar el intercambio de electrones en una reacción de oxidación-reducción, como se comenta en el artículo “A conductive ormosil encapsulated with ferrocene conjugate and multiwall carbon nanotubes for biosensing application”. Los sensores químicos de nanotubos de carbono son rápidos y, a temperatura ambiente, mucho más sensibles que otros tipos de sensores usados actualmente. Debido a su pequeño tamaño y rapidez tendrán un papel muy importante en redes de seguridad y en control medioambiental.
41. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 42 2.2.2 Sensores mecánicos Se utilizan para detectar fuerzas de todo tipo y medir así o bien dichas fuerzas, o bien multitud de parámetros que se asocian a ellas. Se pueden citar como ejemplos los sensores acústicos, de flujo, de velocidad y de masa. Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados como sensores mecánicos ya que al ser sometidos a una fuerza se producen pequeños desplazamientos en su estructura atómica y se alteran sus propiedades eléctricas. Así, al presionar, retorcer o curvar un nanotubo se producen cambios en su resistencia, o sea, son piezorresistivos. Los sensores mecánicos también se pueden construir con dispositivos resonantes: un cantilever que vibra puede medir la fuerza que se le aplica en su extremo libre por los cambios que se producen en la frecuencia, amplitud o fase de la vibración. Se puede utilizar un nanotubo de carbono como elemento vibrante. Así, por ejemplo, podrían fabricarse sensores de masa con resolución de 1 attogramo. La vibración del nanotubo puede ser conseguida mediante la aplicación de un voltaje variable adecuado que produzca las atracciones y repulsiones correspondientes. En el artículo “Effect of defects on resonance of carbon nanotubes as mass sensors” puede leerse cómo afectan los defectos del nanotubo a la sensibilidad de este tipo de dispositivos. 2.2.3 Sensores térmicos Se utilizan para medir la temperatura o los cambios que se producen en ésta. Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados como sensores térmicos gracias a que su resistencia cambia con la temperatura. De hecho la resistencia aumenta prácticamente de forma lineal con la temperatura debido a que el calor crea vibraciones atómicas en el nanotubo y éstas hacen que se produzcan más colisiones con los electrones, dificultando su movimiento. Otra propiedad de los nanotubos de carbono en la que se pueden basar los sensores térmicos es que para determinadas longitudes de onda del espectro infrarrojo presentan piroelectricidad (producción de electricidad cuando son calentados). Un ejemplo de estos sensores puede verse en el artículo “Evaluation of a pyroelectric detector with a carbon multiwalled nanotube black coating in the infrared”. 2.2.4 Sensores electromagnéticos Detectan la presencia de ondas electromagnéticas.
42. 43 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados como sensores electromagnéticos debido a cuatro propiedades. En primer lugar, como ya se ha comentado en el apartado 2.1.5. Optoelectrónica, producen corrientes eléctricas al ser iluminados (con luz visible), lo que les hace aptos para su utilización como sensores ópticos. En segundo lugar, como se verá en el apartado 2.4. Fotónica, la fotoluminiscencia de los SWCNT hace que puedan ser utilizados como sensores de ciertas radiaciones cuyas longitudes de onda desencadenan el fenómeno. En tercer lugar, en el apartado sobre Fotónica ya mencionado se comenta que los nanotubos de carbono también pueden comportarse como absorbentes de radiación visible e infrarroja y esto también puede utilizarse como base para el desarrollo de sensores. Por último, la emisión de campo inducida por microondas que se describe en el artículo “Photon-stimulated field emission from semiconducting (10,0) and metallic (5,5) carbon nanotubes” puede servir para la fabricación de nuevos sensores para este tipo de radiación electromagnética, además de ser la base de los amplificadores de microondas como se vio en el apartado 4.2.6. Amplificadores de microondas. 2.2.5 Sensores de emisión de campo Hemos llamado así a sensores que aprovechan la capacidad de los nanotubos de carbono de emitir electrones, la cual ya ha sido comentada en el apartado 2.1.2. Emisión de campo. Así en el artículo “Application of carbon nanotube field emission effect to an ionization” puede leerse cómo el hecho de que la corriente de electrones emitida por los nanotubos de carbono varíe con la presión de la cámara en la que se produce la emisión puede ser aprovechado para desarrollar sensores de presión.
43. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 44 2.3 Instrumentación científica Los nanotubos de carbono pueden ser utilizados para mejorar las prestaciones de ciertos instrumentos científicos. En concreto pueden utilizarse como puntas de las sondas de microscopios de sonda de barrido y como abertura por la que circulan las partículas en suspensión de un contador coulter. En cada caso se aprovechan las propiedades de los nanotubos de carbono expuestas en la tabla siguiente: Propiedad Aplicación Estrechos, largos, resistentes mecánicamente, Microscopios de sonda de barrido. poco reactivos sin funcionalizar, funcionalizables para mejorar interacciones. Pequeño diámetro. Contadores Coulter. 2.3.1 Microscopios de sonda de barrido (SPM) Los microscopios de sonda de barrido (SPM – Scanning Probe Microscope) utilizan una sonda que rastrea físicamente la muestra que se pretende estudiar. La sonda se mueve mecánicamente y recorre toda la muestra detectando cierta interacción que se produce entre ambas en cada posición, lo que permitirá la construcción de una imagen topográfica de ésta. Tienen resolución nanométrica, trabajan en condiciones normales de presión y temperatura y, frente a otros tipos de microscopios no requieren apenas preparación de la muestra. Una parte fundamental de los microscopios de sonda de barrido es la punta de la sonda. Esta tiene que cumplir tres características fundamentales: 1º ser de anchura nanométrica, ya que esta dimensión determina la resolución; 2º tener la longitud suficiente como para poder rastrear desniveles y orificios profundos; 3º ser suficientemente resistentes como para no ser dañadas en la interacción que se produce con la muestra. Aunque se construyen puntas de sonda que cumplen las dos primeras condiciones, normalmente fallan en la tercera y tienen períodos de vida útil muy cortos. Los nanotubos de carbono son una alternativa eficaz para la construcción de estas puntas de sonda, por su radio nanométrico, su longitud y por su flexibilidad y elasticidad que les permiten soportar las interacciones con la muestra sin sufrir cambios en su estructura. La interacción que se produce entre punta y muestra puede ser o bien una fuerza por contacto o bien otros tipos de interacción. Los nanotubos de carbono como puntas también son ventajosos desde este punto de vista debido a dos circunstancias: en primer lugar permiten la funcionalización de sus extremos con diversas sustancias, lo que puede mejorar la interacción con la muestra cuando no hay contacto; en segundo
44. 45 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono lugar, reaccionan poco con la muestra cuando no están funcionalizados, lo que es una ventaja cuando punta y muestra están en contacto, frente a sustancias más reactivas que se usan en puntas y que pueden llegar a alterar la muestra al rastrearla. En el artículo “Recent advances in scanning probe microscope” se comentan diferentes contribuciones de los nanotubos de carbono al avance de los SPM. Los tipos de SPM detectados en nuestras búsquedas como posibles aplicaciones de los nanotubos de carbono son los siguientes: · Microscopio de fuerza atómica (AFM – Atomic Force Microscope). Tiene resolución de fracciones de Angstrom. Su sonda está formada por un cantilever microscópico con una fina punta en su extremo encargada de rastrear la muestra. Puede trabajar en modo “contacto” y en modo “sin contacto”. En el primer caso la punta toca la muestra y ésta ejerce una fuerza sobre la primera a medida que la sonda se desplaza sobre la muestra en el plano XY. Para mantener la fuerza constante se produce una realimentación sobre la muestra que se mueve en la dirección Z y este movimiento proporciona una imagen topográfica de la muestra. En el modo “sin contacto” el cantilever oscila a una frecuencia próxima a la resonancia y son las interacciones electrostáticas entre punta y muestra las que modifican la oscilación del cantilever (en frecuencia, amplitud o fase). También en este caso se pretende mantener fija la oscilación y para ello se mueve la muestra en el plano Z obteniendo con la información del desplazamiento una imagen topográfica. En ambos casos la información sobre el movimiento del cantilever se detecta mediante un haz láser que se refleja en él y es recogido por unos fotodiodos. Se pude usar un nanotubo de carbono como punta de sonda en este tipo de microscopios, con las ventajas ya comentadas, en general, para todos los SPM. En el artículo “Carbon nanotube atomic force microscopy tips: Direct growth by chemical vapor deposition and application to high-resolution imaging” se comentan las mejoras que pueden introducir nanotubos de carbono en los AFM. · Microscopio de fuerza magnética (MFM – Magnetic Force Microscope). Su estructura y funcionamiento es similar al del AFM trabajando en modo “sin contacto” pero en este caso la interacción que se produce entre muestra y punta es de tipo magnético. Para ello ambas tienen que estar fabricadas con materiales magnéticos. En algunos textos se les considera como un tipo de AFM (generalizando este concepto a otros tipos de interacción muestra-punta distintas a las fuerzas de contacto y electrostáticas) y en otros como un sistema diferente de microscopía. Los nanotubos de carbono cubiertos de un metal magnético totalmente o simplemente en el extremo más próximo a la muestra pueden usarse como puntas para estos microscopios. Las ventajas que presentan son las generales para todos los SPM. Puede encontrarse más información sobre este tema en el artículo “Metal-coated carbon nanotube tips for magnetic force microscopy”.
45. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 46 · También pueden usarse nanotubos de carbono que contienen en su interior un material ferromagnético (hierro, por ejemplo) como puntas de los MFM. Así se comenta en el artículo “Synthesis, properties, and applications of ferromagnetic-filled carbon nanotubes”. · Microscopio óptico de barrido de campo cercano (SNOM – Scanning Near-field Optical Microscope). Estos microscopios rastrean la muestra mediante un haz de luz que se emite (o se recibe, según el diseño) a través de una pequeña abertura situada en el extremo de la punta de la sonda, que no es más que una pequeña fibra óptica cubierta de un metal que refleja la luz y evita pérdidas. El diámetro de la abertura y la distancia sonda-muestra tienen dimensiones similares e inferiores a la longitud de onda de la luz que se emplea. Esta distancia sonda-muestra tan pequeña es la que determina que la región de trabajo esté en lo que se denomina “campo cercano” de la fuente emisora de luz que es la punta de la sonda. En el campo cercano el patrón de difracción de la luz cambia considerablemente respecto al convencional y varía con la distancia a la fuente. Esto, junto al pequeño tamaño de la abertura, determinan la resolución de este tipo de microscopios, mucho mayor que la que se obtiene con los microscopios ópticos normales. Así un SNOM puede conseguir una resolución entre 10 y 100 nm mientras que un microscopio óptico tradicional tiene la limitación de la mitad de la longitud de onda de la luz usada, unos 200 nm en el caso de la luz visible. Sólo regiones de la muestra del tamaño de la abertura son iluminadas cada vez y la imagen global se construye uniendo los datos de todos los puntos a medida que la sonda se mueve sobre la muestra. · Normalmente estos microscopios incorporan un dispositivo similar a los AFM, de forma que la punta de la sonda está montada sobre un dispositivo que vibra a una frecuencia próxima a la de resonancia y la interacción con la muestra hace que se produzcan cambios en su movimiento de vibración, lo que, igual que en los AFM, proporciona una imagen topográfica de la muestra que se suma a la óptica obtenida por el método ya descrito. El problema es que las fibras ópticas recubiertas de metal utilizadas normalmente como puntas de sonda tienen diámetros del orden de los 300 nm y esto produce malas resoluciones topográficas. El artículo “Application of carbon nanotubes to topographical resolution enhancement of tapered fiber scanning near field optical microscopy probes” propone añadir nanotubos de carbono en las puntas para mejorar así la resolución topográfica gracias a su reducido diámetro. Se añaden así al SNOM todas las ventajas ya comentadas para los SPM. 2.3.2 Contadores Coulter Un Contador Coulter es un instrumento científico que se utiliza para contar y medir partículas.
46. 47 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono Básicamente consta de dos electrodos que se encuentran sumergidos en una disolución de un electrolito débil en dos cubetas separadas por una pequeña abertura. Las partículas que se quieren medir y contar se encuentran en suspensión en la disolución de una de las cubetas, de forma que se produce un flujo de partículas en suspensión entre las cubetas a través de la abertura. El tamaño de la abertura debe ser tal que las partículas sólo puedan pasar de una en una. Si se aplica una diferencia de potencial a los electrodos se crea una corriente a través del electrolito y, por tanto, de la abertura. Las partículas en suspensión, que no son conductoras, producen cambios en la impedancia de la abertura al pasar por ella. Estos cambios se pueden detectar y contar así las partículas. Con una medida adecuada de los mismos obtendremos, además, información sobre la medida de las partículas ya que existe una estrecha relación entre la impedancia de la abertura y el tamaño de la partícula que la hace variar. Un único nanotubo de carbono colocado en una membrana impermeable puede usarse como canal a través del cual pasan las partículas. Se aprovecha así el reducido tamaño de su diámetro para conseguir una abertura de dimensiones muy pequeñas y poder así contar y medir partículas de dimensiones similares. Puede leerse un breve resumen del contador coulter desarrollado por la Universidad de Texas en el año 2000 usando un único nanotubo de carbono. También el artículo “A carbon nanotube-based coulter nanoparticle counter” trata sobre el mismo tema.
47. vt aplicaciones actuales y futuras de los nanotubos de carbono 48 2.4 Fotónica Mientras la electrónica funciona con corrientes de electrones, la fotónica es la ciencia y la tecnología encargadas de generar y procesar corrientes de fotones, principalmente en el espectro visible y en el infrarrojo cercano. Aunque estrictamente la palabra luz hace referencia sólo a la radiación visible por el ojo humano, extenderemos el concepto en este apartado de forma que cuando hablemos de luz nos referiremos tanto a radiación visible como a infrarrojo cercano. También la fotónica mira hacia los nanotubos de carbono en busca de nuevas opciones para la fabricación de dispositivos mejorados que le permitan, no sólo mejores resultados, sino también independizarse de la electrónica a la que tiene que recurrir en algunas ocasiones para realizar acciones que no puede llevar a cabo por sí misma. Las principales propiedades ópticas de los nanotubos de carbono en las que se basarán nuevas aplicaciones fotónicas son: · Presentan fotoluminiscencia. · Son absorbentes saturables de luz. La fotoluminiscencia (emisión de luz como consecuencia de la absorción previa de ciertas radiaciones) es una técnica ampliamente utilizada para investigar la estructura electrónica de los nanotubos de carbono. Pero, además, se ha podido observar que, en contra de lo que ocurre con otras moléculas individuales, en el caso de los SWCNT, la fotoluminiscencia no presenta fluctuaciones ni cambios bruscos de intensidad ni de espectro a temperatura ambiente (unos 300K). Gracias a esto, se ha comprobado que los SWCNTs tienen un enorme potencial para ser utilizados como fuentes luminosas de enorme utilidad para dispositivos fotónicos. Por otro lado, los nanotubos de carbono son absorbentes saturables de luz. Esto significa que, cuando la intensidad de la luz incidente supera cierto umbral, su absorción óptica decrece a medida que aumenta la intensidad de la luz que los ilumina de forma que se vuelven transparentes cuando dicha intensidad es suficientemente grande. La eficiencia del efecto de absorción saturable depende de la longitud de onda de la luz incidente. El espectro para el cual los nanotubos de carbono se comportan como absorbentes saturables depende del diámetro del nanotubo. Por ejemplo, se ha probado experimentalmente la absorción saturable de SWCNTs en el infrarrojo cercano (~1550 nm), que es la zona del espectro que se utiliza normalmente para las comunicaciones ópticas.
48. 49 CAPÍTULO 2 Aplicaciones de los nanotubos de carbono El uso de los nanotubos de carbono como absorbentes saturables presenta ciertas ventajas frente a otras tecnologías ya existentes, que utilizan semiconductores y requieren complicados procesos de producción. Entre ellas se pueden citar las siguientes: gran resistencia al daño, potencial bajo costo, dimensiones nanométricas y forma compacta y fácil de integrar. El hecho de que los nanotubos de carbono sean absorbentes saturables los hace ideales para ciertas aplicaciones fotónicas ultrarrápidas, como pueden ser: · Filtros pasa alto para la luz. Sólo transmitirán (o reflejarán si son espejos) las ondas con intensidades altas, absorbiendo el resto. · Espejos absorbentes saturables para bloqueadores de modo pasivos en emisores de pulsos láser. Si uno de los espejos de los extremos de la cavidad óptica donde se genera un haz de pulsos láser es un absorbente saturable conseguirá hacer los pulsos más estrechos, al eliminar señales laterales de menor intensidad, además de evitar que se formen pulsos secundarios de poca potencia. El artículo “Laser mode locking using a saturable absorber incorporating carbon nanotubes” trata sobre este tema. · Supresores de ruido. El ruido presente en una comunicación óptica puede ser eliminado con un absorbente saturable ya que, normalmente, es una señal de baja intensidad. · Interruptores. Dejarán pasar la luz o la absorberán (estados on/off) según la intensidad de una luz de control que podrá ser la propia luz que se pretende conmutar o bien una señal externa. Los dispositivos fotónicos son muy importantes ya que sería ideal poder tener sistemas totalmente ópticos sin tener que transformar señales luminosas en electrónicas para operar sobre ellas. Actualmente en telecomunicaciones, aunque en muchos casos se usa la transmisión óptica, lo que hay en ambos extremos es electrónica. Si ésta se pudiera sustituir total o parcialmente por fotónica aumentarían las posibilidades de las comunicaciones al aprovechar así mejor el potencial que tiene la luz como onda transportadora de gran cantidad de información a enormes velocidades. En el artículo “Carbon nanotube–polymer composites for photonic devices” puede leerse cómo pueden desarrollarse dispositivos fotónicos mediante compuestos poliméricos que incorporan nanotubos de carbono y que, por tanto, aprovechan sus propiedades.
El arte de innovar para no morir mario borghino
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