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Ingeniería Química

La memoria contenida en el vidrio

Un material innovador podrá almacenar datos digitales en tres dimensiones

Una nueva posibilidad se abre con las investigaciones del Grupo de Materiales Fotónicos del Instituto de Química de la Universidad Estadual Paulista (Unesp), de Araraquara: almacenar grandes cantidades de datos digitales en un pequeño pedazo de vidrio. Los científicos lograron desarrollar un tipo de material vítreo, producido con una alta concentración de óxido de tungsteno, que podrá recibir grabaciones en tres dimensiones, es decir, abarcando la altura, la longitud y la anchura. Esto representa un avance con relación a los principales medios electrónicos que almacenan memoria óptica en dos dimensiones, como en los casos de los CDs y los DVDs, capaces de acumular datos solamente en la superficie del material. Con la capacidad de almacenamiento tridimensional de vidrio de tungsteno, las aplicaciones pueden avanzar por varios campos de la informática y de la industria electroelectrónica, en la fabricación de chips y memorias para computadoras y en la producción de dispositivos de grabación audiovisual. Todo eso, desde luego, si las investigaciones que están en marcha comprobaran la eficacia del nuevo material y sus posibilidades de interacción con los equipamientos electrónicos. “En los últimos tres años han surgido muchas investigaciones en todo el mundo, relacionadas con materiales con una capacidad de grabación tridimensional, pero, hasta donde sabemos, ningún otro grupo nacional o extranjero ha llegado al estadio en que nosotros nos encontramos”, dice el químico Younès Messaddeq, coordinador del Grupo de Materiales Fotónicos de la Unesp.

La gran ventaja del nuevo material, que tiene una coloración amarillenta, en razón de la presencia del tungsteno en su composición, radica en que podrá superar, y de modo significativo, la capacidad actual de almacenamiento de los medios utilizados como memorias ópticas digitales. Un CD común, por ejemplo, puede almacenar 700 megabytes de información, cantidad suficiente para una hora y quince minutos de música de alta calidad, o más de 300 mil páginas de un texto escrito es espacio doble. Los DVDs más avanzados, a su vez, cuentan con 20 gigabytes de memoria y son capaces de almacenar largometrajes. “El vidrio podrá usarse como dispositivo para la grabación o transformárselo en una película fina, de algunos nanómetros de espesor, similar a las películas existentes hoy en día en CDs y DVDs”, dice el químico Gaël Poirier, alumno de posdoctorado y uno de los inventores del nuevo material. Estos discos compactos poseen una película de polímero de espesor también nanométrico, depositada sobre un vidrio pulido, donde se graban las informaciones. Es una capa fina de resina fotosensible (de policarbonato o poliéster, por ejemplo) producida con base en la evaporación de vidrios o polímeros especiales. “Vamos a probar grabando directamente en vidrios de tungsteno y en las películas finas con el mismo material para ver cuál de los dos es más eficiente”, dice Poirier.

Los investigadores de la Unesp certifican que la capacidad de almacenamiento del vidrio a base de óxido de tungsteno será infinitamente mayor que los disquitos actuales, aunque por ahora, no logran precisar el tamaño de dicha memoria. “Todavía no hemos tomado las medidas necesarias, pero el límite teórico de almacenamiento es de 1,6 terabyte (1.600 gigabytes) por centímetro cúbico”, dice Poirier. Esta capacidad, según Messaddeq, será fundamental para la proyección del éxito comercial del nuevo vidrio, que de por sí precisa ser superior a 200 gigabytes, pues ése es el volumen de informaciones de la memoria electrónica más amplia del mercado, cuyo lanzamiento está previsto para  este año por parte de la empresa norteamericana InPhase Technologies, una spin-off (una pequeña empresa de tecnología) originaria de la gigante de las telecomunicaciones Lucent Technologies , especializada en almacenamiento holográfico, una técnica que también permite guardar datos en tres dimensiones. “La diferencia fundamental entre nuestro vidrio y los materiales holográficos que graban en tres dimensiones consiste en que estos últimos son polímeros o vidrios porosos conteniendo polímeros. Graban en tres dimensiones, pero el proceso no es reversible”, dice Messaddeq.

Con el material vítreo de la Unesp la cosa es diferente. Puede contraponerse a los materiales utilizados hoy experimentalmente para el grabado en tres dimensiones, que poseen como gran limitación el hecho de no ser reversibles. “La no regrabación es una gran limitación en el campo de aplicación de almacenamiento de datos, porque estos materiales sólo podrán utilizarse como memorias ‘definitivas'”, dice Messaddeq. Las grabaciones en vidrio sintetizado, hechas en los laboratorios de la Unesp, pueden borrarse mediante un tratamiento térmico o exponiéndoselas a a láseres apropiados. Esto permite que el material pueda usarse como soporte regrabable o como memoria de alta capacidad. Además, el nuevo vidrio de tungsteno tiene un costo de preparación bastante inferior al de otros materiales vítreos especiales empleados como memorias ópticas, como los así llamados vidrios calcogenuros, que si bien permiten la ampliación de la memoria, graban en dos dimensiones, no son tridimensionales. Messasseq también lleva adelante proyectos con el vidrio calcogenuro (lea en Pesquisa FAPESP n° 86).

En 2002, la empresa japonesa Panasonic presentó un DVD con película a base de calcogenuro y alta capacidad de grabación (9,4 gigabytes) con recurso de regrabación. Este material se elabora con selenio, azufre y telurio, los elementos de la tabla periódica llamados calcógenos. “Nuestro vidrio de tungsteno es cien veces más barato con relación a los otros materiales que están en investigación, y que en el futuro se usarán para el almacenamiento de datos.”

La facilidad de producción del vidrio de óxido fotosensible de tungsteno es otra gran ventaja de este material. Se lo prepara partiendo de un proceso clásico de fabricación de vidrios, con base en la mezcla de los componentes de partida, nombre asignado a los reactivos químicos constituyentes del vidrio – óxido de tungsteno (WO3), polifosfato de sodio (NaPO3) y fluoruro de bario (BaF2). Éstos son homogeneizados y ubicados en un crisol, un recipiente cerámico que soporta altas temperaturas, que luego  trasportado al horno para la fusión. Posteriormente, el líquido fundido se vierte, con el auxilio de una pinza de acero inoxidable con puntas de platino, en un molde metálico apropiado y con la geometría deseada. El crisol utilizado (de óxido de aluminio o platino), como así también la temperatura de fusión, depende de la composición inicial del material, que oscila entre 1.000 y 1.600°C. Después de la sintetización del vidrio, la muestra es sometida a una recocción durante cuatro horas, y acto seguido, se la enfría gradualmente hasta llegar a la temperatura ambiente. La fase final del proceso de fabricación es el pulimento de la superficie, un punto importante para mejorar la calidad óptica del material. Para confirmar el estado vítreo de la muestra, se somete al material a técnicas de caracterización tales como difracción de rayos X, análisis térmico y observación visual. “El secreto del nuestro vidrio no está en los materiales utilizados, sino en su composición química”, dice Messaddeq.

Por casualidad
Al igual que con algunos de los más importantes descubrimientos de la historia de la humanidad, este nuevo material surgió por casualidad, mientras Poirier hacía experimentos durante su doctorado. “Hace dos años, yo estaba estudiando ciertas propiedades ópticas del vidrio con óxido de tungsteno y, por casualidad,  probé su fotosensibilidad usando un láser visible azul. Esto me permitió verificar que el vidrio era fotosensible al volumen y podía recibir grabaciones en tres dimensiones”, comenta Poirier. Para demostrar esta nueva propiedad del material (la grabación tridimensional), los investigadores hicieron hicieron un convenio con el Instituto de Estudios Avanzados del Centro Técnico Aeroespacial (IEAv/ CTA) de la ciudad de São José dos Campos, que grabó con láser, en tres dimensiones, la famosa cara del físico Albert Einstein en una muestra de vidrio que mide 1 centímetro de ancho por 3 centímetros de altura.

Para almacenar datos en el vidrio de tungsteno pueden usarse láseres ultravioletas (en el caso de grabaciones superficiales, en dos dimensiones), o láseres visibles, con una longitud de onda de 488 nanómetros (nm) ó 514 nm. Este último láser se empleó para la grabación de la cara de Albert Einstein en forma tridimensional. También se utilizan láseres infrarrojos impulsados para la grabación de datos en tres dimensiones. En este caso, los láseres poseen una potencia de pico muy alta, de algunos megavatios o gigavatios, en un tiempo de irradiación muy corto (del orden de los nanosegundos, la milmillonésima parte del segundo, el femtosegundos, o la trillonésima parte, lo que corresponde respectivamente a 10-9 y 10-12 segundos) para inducir procesos ópticos y el efecto fotosensible.

El hecho inédito de este descubrimiento hizo que los investigadores decidiesen solicitar la patente del vidrio de tungsteno ante el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI) con el apoyo del Núcleo de Patentes y Licencias de Tecnología (Nuplitec) de la FAPESP. “Esta patente, intitulada Materiales Fotosensibles Tridimensionales para el Almacenamiento de Datos Tridimensionales y Holografía, sólo vale para Brasil, pero dentro de un año, tal como lo permiten los acuerdos internacionales, haremos efectiva la protección de nuestro descubrimiento en otros países: Estados Unidos, Japón, Inglaterra, Francia, Alemania, Suecia, Italia, Australia y China”, afirma Messaddeq. Con el depósito de la patente, el nuevo material sintetizado por el Grupo de Materiales Fotónicos de la Unesp de Araraquara empezará a transitar a la muestra en congresos y eventos del área. Hasta el momento, la única presentación en el exterior ocurrió durante un taller sobre materiales avanzados, realizado en junio del año pasado en la Universidad de Münster, Alemania. “Presenté únicamente una diapositiva de la muestra del vidrio con la cara de Albert Einstein, y todos quedaron impresionados”, dice Messaddeq.

En busca de un socio nacional
El próximo paso de los investigadores consiste en hacer la caracterización del material, para determinar su capacidad de memoria. “Estos estudios van a apuntar si precisamos perfeccionar el vidrio de tungsteno, mejorando su composición, o si ya está listo para su producción en escala piloto”, dice el coordinador del grupo. Para realizar este trabajo, los científicos están buscando un socio nacional. “No sabemos si algún grupo de investigación en Brasil dispone de la tecnología como para hacer estas medidas. Si terminamos viendo  que no lo hay, vamos a intentar encontrar un socio en el exterior”, dice Messaddeq, quien espera concluir esta etapa del trabajo al final de este año.

En simultáneo a la caracterización, el grupo está investigando formas de producir películas delgadas con este vidrio. Al desarrollo de la tecnología adecuada y el control de los parámetros para preservar las propiedades de los fenómenos observados en el material vítreo se los está llevando a cabo la maestranda Bianca Montanari. “Como el tungsteno presenta diferentes estados de oxidación, la clave de la investigación de Bianca pasó por las condiciones de preparación”, dice Messaddeq, “Durante su primer año de estudios,  se abocó a explorar las condiciones para la obtención de películas homogéneas de buena calidad óptica; pero resta aún confirmar varias otras propiedades existentes en el vidrio”.

El  Laboratorio de Materiales Fotónicos del Instituto de Química de la Unesp de Araraquara, coordinado por los docentes Messaddeq y Sidney José Lima Ribeiro, cuenta con la participación de alrededor de 40 profesionales y estudiantes, siendo de éstos ocho investigadores con posdoctorado, diez alumnos de doctorado, siete de maestría y dos investigadores visitantes. Anualmente el equipo publica alrededor de 20 artículos en revistas científicas internacionales indizadas, tales como Journal of Chemical Physics, Journal of Physics and Chemistry of Solids y Applied Physics Letters.

Los Proyectos
1. Desarrollo de vidrios conteniendo óxido de tungsteno para su aplicación en óptica
2. Fotosensibilidad reversible en el ultravioleta y visible de vidrios a base de WO3
Modalidad
1. Línea Regular de Auxilio a la Investigación
2. Programa de Apoyo a la Propiedad Intelectual (PAPI)
Coordinador
Younès Messaddeq – Unesp
Inversión
1. 53.750,00 reales (FAPESP)
2.  6.000,00 reales (FAPESP)

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