Nanomundo de nanotubos
2003/10/01 Rementeria Argote, Nagore - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria
El tema sembla ciència-ficció, en l'actualitat 40 milions de transistors entren en un segell. És clar on està el límit, els instruments més petits que es poden imaginar són els moleculars. Però, serem capaços d'arribar fins aquí?
Encara que de moment estem bastant lluny de la frontera, la importància que ha adquirit la nanotecnologia ens dóna una idea de la dimensió del tema. Els investigadors troben cada dia més aplicacions i s'han creat moviments contra la nanotecnologia, com sol ocórrer amb les tecnologies innovadores. Els qui no veuen amb bons ulls la nanotecnologia la tenen com a font de contaminació i, abans de tarda, demanen que s'investiguin els efectes que els residus generats poden tenir sobre el medi ambient i la salut humana.
Alguna cosa més que tubs nans
A pesar que en la dècada dels 90 es va aconseguir la fabricació d'aparells a nivell molecular, fins a l'any 2001 no es va aconseguir la interconnexió d'aquesta mena d'eines diminutes, aconseguint-se llavors la realització d'operacions computacionals bàsiques. Encara que per a això s'han utilitzat nanocables de diferents materials, els nanotubos de carboni són els més volguts pels investigadors.
De fet, els nanotubos de carboni tenen unes característiques molt especials, per la qual cosa es considera que poden tenir molts usos. Per a començar, tenen una estructura atòmicament especial. Els nanotubos són xarxes d'hexàgon formades per carboni, arrodonides en forma cilíndrica. Segons la torsió dels hexàgons, les propietats elèctriques del nanotubo varien, podent ser tant conductors com semiconductors.
Iniciació a la pilota
L'origen dels nanotubos radica en una molècula anomenada fulereno. Els fulerenos són molècules de carboni amb estructura en forma de pilota. En ella, els àtoms de carboni s'agrupen en hexàgons i pentàgons formant una esfera com una pilota de futbol. El diàmetre d'aquesta molècula depèn del nombre d'àtoms. Les primeres produïdes van ser de 60 i 70 àtoms de carboni, eren les estructures més estables, però ja hi ha unes altres de 20, 32, 50 i 540.
Els nanotubos s'han descrit com una combinació d'estructures de fulereno i grafit, ja que estan formats per capes com les del grafit. Aquestes capes estan doblegades en forma de cilindre i en les vores apareixen les mitges molècules del fulereno tancant els tubs.
Els nanotubos de carboni poden estar constituïts per múltiples capes, col·locades una sobre una altra com en les cebes, però són d'una sola capa les que s'utilitzen per a realitzar connexions en nanocirecidos, ja que l'estructura dels nanotubos multicapa i per tant la conductivitat és molt difícil de controlar. Solen tenir un diàmetre aproximat de nanòmetres i han de ser conductors, per descomptat, però la seva característica principal és que són capaces d'assemblar-los, de manera que en el propi circuit s'uneixen a uns altres nanotubos i altres peces.
Com es pot observar, els nanotubos de carboni són ideals per a la fabricació de xips moleculars, però aquest tipus de tecnologia encara no està madurada i és possible que a mesura que avança no siguin tan adequades.
De moment, sembla que els nanotubos tenen un gran futur. A més de treballar els nanocables per a circuits, ja tenen altres aplicacions. Per exemple, s'ha produït una millora de la resolució en el microscopi SPM i la casa Samsung l'ha utilitzat en les pantalles amb imatges en color.
Usos en l'aire
En teoria es coneixen la major part de les propietats dels nanotubos, però en la pràctica alguns no han pogut ser encara provats. No obstant això, es considera que gràcies als càlculs teòrics, poden tenir aplicacions en gairebé tots els camps.
Per exemple, el recobriment de les ales dels avions amb nanotubos evitaria que les espurnes generades per l'energia estàtica provoquessin un incendi. També en aeronàutica i astronàutica s'està investigant sobre els seus possibles usos en vaixells espacials. Diuen que en el futur els principals components dels cotxes i de tota mena d'aeronaus no seran metàl·lics, sinó que serà el torn d'altres materials com el carboni.
La nanotecnologia també agreujarà el món tèxtil. Amb els teixits amb els nanotubos intercalats de carboni es fabricaran les peces anti-bala més eficaces, les més resistents i lleugeres fins al moment. I, alliberant la imaginació, podem imaginar peces amb petits ordinadors basats en nanotubos, que avisin de quan tenen necessitat de netejar-se, o de constants vitals, per exemple.
Com es pot observar, els nanotubos tenen propietats que poden ser útils.
Ciència-ficció?
Continuarem sacsejant la imaginació. En una ciutat del futur, un cotxe s'ha anat a baix, un cotxe té avaries però en pocs segons ha recuperat el seu aspecte inicial.
És possible que en el futur es pugui fabricar aquest tipus de cotxes, també amb nanotubos de carboni. De fet, una de les propietats més cridaneres d'aquests tubs és l'elasticitat. Molts es poden equivocar abans de trencar-se, però no sols això, són capaços de recuperar l'aspecte anterior una vegada que la força que els ha doblegat s'ha detingut. Per tant, si la carrosseria dels cotxes es fa amb nanotubos de carboni, una vegada abonyegats en un accident, passarien a tenir forma original. No obstant això, els enginyers hauran de fer molta feina si no volen que els cotxes es rebotin abans, amb la força del cop.
Economia
Si aquest material és tan meravellós, per què ja no el trobem en els aparells que utilitzem diàriament? La pregunta és senzilla però la resposta no tant, ja que hi ha més d'una resposta possible. Els comptes no es poden oblidar. Encara no s'ha aconseguit produir grans quantitats de nanotubos, la qual cosa significa que es tracta d'un producte car, que en els últims anys s'està abaratint constantment. Per a algunes aplicacions, el preu de la fibra de carboni seria suficient per a ser econòmicament viable. I amb el temps no sembla difícil aconseguir l'objectiu, ja que les matèries primeres utilitzades per a la síntesi són abundants i el propi procés de síntesi no és car.
Per tant, un dels objectius dels investigadors és buscar una forma senzilla de produir nanotubos de carboni en grans quantitats, és a dir, trobar una manera de fer la síntesi industrialment.
De moment, s'utilitzen principalment tres vies de síntesis, però dues d'elles són difícils de portar a la indústria i la purificació dels productes que s'obtenen tampoc és fàcil. El tercer mètode consisteix en la utilització de gas natural per a la preparació de nanotubos de carboni, per la qual cosa la síntesi és relativament econòmica i la quantitat de producte és fàcilment controlable, però la reacció requerirà un major rendiment si es desitja un producte barat.
D'altra banda, cal tenir en compte que la tecnologia dels nanotubos és molt nova, encara que s'està desenvolupant molt ràpid. En conseqüència, difícilment es duran a terme tots els usos anunciats i, al mateix temps, s'espera que a mesura que avança la recerca hi hagi més aplicacions.
Neix el nanomundo dels nanotubos i les increïbles tecnologies de pel·lícules i llibres de ciència-ficció són cada vegada més reals. Arribarà la realitat més lluny de la imaginació?
Nanotubos d'altres materials
Teòricament, els nanotubos poden estar formats per qualsevol material amb estructura cristal·lina laminar. No obstant això, en l'actualitat les més fàcils de sintetitzar són les de carboni.
No obstant això, s'investiguen altres materials com el nitrur de bor, el titani i les combinacions amb bor, carboni i nitrogen. Sobretot en els nanotubos d'altres materials es busquen propietats que no tenen els nanotubos de carboni.
Per exemple, els nanotubos de nitrur de bor són molt interessants ja que tots tenen les mateixes propietats electròniques. Així, encara que són aïllants, són capaços de conduir corrent elèctric dopats.
Encara que els nanotubos de carboni s'utilitzen per a crear sensors de gasos, els de titani són únics per a la fabricació de sensors d'hidrogen. I és que, a més de ser molt sensibles, han vist que es poden utilitzar una vegada i una altra.
La recerca bàsica encara no ha arribat a tots els materials que poden formar nanotubos, però la guerra de patents ja ha començat i hi ha molts diners en joc.
Caracterització i classificació de nanotubos de carboni
Les propietats dels nanotubos depenen de l'estructura, d'aquí la importància de la seva classificació estructural.
Per a conèixer l'estructura es mesura la difracció de llum del nanotubo. I la classificació és conseqüència del càlcul teòric. Imaginem que tallem els enllaços del nanotubo en una línia recta paral·lela a l'eix i estenem la capa que forma el tub.
En aquesta superfície es defineix el vector que uneix les vores en el cas de la figura (N,M) = (10,10).
Aquest vector caracteritza exhaustivament el tub. Així, encara que poden existir milions de combinacions, es pot fer una classificació general.
- Quan N=M, el tub és de tipus butaca.
- M=0 en ziga-zaga.
- En tots els altres casos el tub és de caragol.
Teòricament, els nanotubos de carboni tipus butaca són metalls en conductivitat, mentre que els que ocupen N-M = 3 són semiconductors i la resta aïllants.
Llei de Moore S'ha parlat molt de la predicció realitzada en 1965 per Gordon Moore, qui en dues dècades va dir que cada any es doblegaria la capacitat dels computadors. Posteriorment, el mateix Moore va realitzar una correcció a aquest anunci, indicant que la duplicació es produiria cada 18 mesos. La llei de Moore s'ha complert fins ara, la grandària de les computadores ha anat disminuint exponencialment. No obstant això, quan comencen a aconseguir transistors d'uns pocs nanòmetres, intenten calcular fins quan aquesta llei estarà vigent. De fet, per a continuar fent computadores cada vegada més petites i que puguin processar densitats de dades majors és imprescindible que siguin també barates, i la tecnologia per a fer eines tan petites és, de moment, molt cara. No obstant això, només el futur sap el que passarà. Les computadores que contenen components de la grandària dels àtoms, que són les que poden ser i són les més petites, i que es desenvoluparan abans o després. A mesura que es vagi desenvolupant la nanotecnologia, el període de vigència de la llei de Moore cessarà necessàriament. |
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
