Nanomateriales, mucho más que miniaturización

Para entender este artículo debemos hacer un esfuerzo por visualizar la magnitud tan pequeña que supone el nanómetro. Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro: para entenderlo mejor, es cien mil veces más pequeño que el grosor de un folio o mil veces más pequeño que una bacteria. Si enfocamos con un microscopio sobre una de nuestras sortijas de oro observaríamos que en un nanómetro solo hay espacio para unos pocos átomos.

Los nanomateriales son aquéllos que tienen dimensiones en el rango de los nanómetros, típicamente por debajo de 100. Pero, ¿por qué son importantes los nanomateriales?. Podría pensarse que la miniaturización es la razón fundamental. En un mundo en el que los móviles y los ordenadores han ocupado nuestras vidas, es cierto que esta puede ser una razón de peso. Los microprocesadores que son considerados el cerebro de los ordenadores, están compuestos de unidades más pequeñas llamadas transistores. La rapidez de estos cerebros depende de la cantidad de estos transistores, por lo que su miniaturización es crucial para conseguir ordenadores más potentes. De hecho, Gordon Moore predijo en 1965 con la famosa ley que lleva su nombre que la demanda de ordenadores cada vez más potentes obligaría a la tecnología a duplicar el número de transistores integrados en un microprocesador cada 2 años. Más de 50 años después, esta ley se ha cumplido con gran precisión y hoy en día los microprocesadores contienen más de 10 mil millones de transistores.

Pero quizás la razón más importante y fascinante desde el punto de vista científico es que cuando los materiales se encuentran estructurados en la nanoescala presentan propiedades singulares, a menudo superiores a las de su correspondiente macroscópico. La nanoestructuración modifica las propiedades físicas de los materiales como las mecánicas, ópticas o eléctricas, entre muchas otras.

La fabricación de materiales en la escala nanométrica puede alcanzarse siguiendo dos aproximaciones distintas. La primera se denomina top-down (de arriba abajo) y se basa en la erosión o división de un material que va reduciéndose hasta alcanzar la escala y diseño deseado. Esta aproximación es de especial relevancia en la industria, ya que engloba procesos usados ampliamente en la fabricación de dispositivos electrónicos. Por ejemplo, hoy en día los transistores que componen los microprocesadores se fabrican por nanolitografía óptica (top-down) que se basa en la utilización de resinas que reaccionan ante la luz y que mediante el uso de máscaras permiten retirar esta resistencia en zonas determinadas. De este modo se crea así un patrón deseado que delimita una zona para la deposición de un segundo material o para la erosión del material ya existente.

En la segunda aproximación denominada bottom-up (de abajo a arriba) se parte de estructurales básicas como átomos o moléculas que se ensamblan o depositan hasta llegar al nanomaterial deseado. Esta aproximación bottom-up tiene un gran potencial, ya que permite la fabricación de nanomateriales con una mayor precisión, llegando incluso a obtener precisión atómica. A pesar de la potencialidad de las aproximaciones bottom-up, es necesario avanzar en las técnicas involucradas ya que usualmente presentan velocidades de fabricación más bajas, suponiendo un coste mayor en procesos industriales.

Un ejemplo característico de la potencialidad de la nanoestructuración se encuentra en los materiales basados en carbono. El material del que está compuesto la mina de un lápiz se llama grafito, que está formado por un apilamiento de láminas de carbono. Cuando una de estas láminas con un solo átomo de espesor se encuentra aislada se le conoce como grafeno. El grafeno presenta propiedades físicas muy atractivas tales como su rigidez, su alta conductividad térmica o su alta velocidad electrónica. Tal es el interés de la comunidad científica en este material que la Unión Europea con el emblema Graphene Flagship ha financiado la mayor iniciativa en investigación en Europa con un presupuesto de mil millones de euros.

Si seguimos nanoestructurando una lámina de grafeno cambian por completo muchas de sus propiedades, en concreto las electrónicas. El grafeno es un material conductor que se transforma en semiconductor (el material en el que se basan los transistores de los ordenadores) cuando se estructura en nanotiras con anchuras del orden de un nanómetro. Lo mismo ocurre cuando estas nanotiras se encuentran enrolladas formando nanotubos de carbono. Para controlar las propiedades semiconductoras de estos materiales, el corte de las nanotiras de grafeno o el enrollamiento de los nanotubos debe realizarse con una precisión atómica. Esto, que puede parecer ciencia ficción, se ha conseguido en el laboratorio usando moléculas específicamente diseñadas para tal fin. La figura de abajo muestra como hace unos años demostramos la posibilidad de fabricar nanotubos de carbono con precisión atómica usando moléculas (Figura, izquierda) que forman la tapadera de un nanotubo (centro), que a su vez sirve de semilla para su crecimiento (derecha).

Como ya vaticinó el físico Richard Feynman en 1959 con su conferencia “There’s Plenty of Room at the Bottom” (“Hay mucho espacio en el fondo”), los nanomateriales son hoy en día uno de los focos más importantes en investigación. Aquí se han mostrado solo unos pocos ejemplos ilustrativos de su importancia pero existen infinidad de autores que dedican su investigación al desarrollo nanotecnológico, mostrando propiedades nuevas que abren un amplio abanico de posibilidades para aplicaciones futuras.

En el Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla, los autores del presente artículo están llevando a cabo una investigación novedosa sobre celdas solares nanoestructuradas unidimensionales en un proyecto financiado por el programa Europeo H2020 Marie Skłodowska-Curie Actions, titulado PlasmaPerovSol (Project ID 661480).