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Química

Contactos poderosos

Nuevas nanopistas de cerámica pueden hacer conexiones en circuitos y transistores

Los pronósticos para el desarrollo futuro de áreas tales como la electroelectrónica, la computación o cualquier otro segmento industrial no serán completos si los instrumentos, las piezas o cualquier tipo de desarrollo no llegan a medirse en nanómetros, una unidad de medida comparable al tamaño de las partes de un pelo, dividido por 100 mil. Una de las proyecciones que se implementará más rápidamente en las computadoras y artefactos electrónicos, es decir, durante los próximos 20 años, es el uso de nanoalambres metálicos, para hacer la conexión entre componentes de un chip o de una placa de circuito integrado. Hasta ahora son muchos los estudios que se realizan en tal sentido en todo el mundo, que apuntan ese camino para facilitar más todavía la miniaturización de los circuitos y volver más rápida la capacidad de procesamiento de equipos electrónicos. Pero incluso antes de que esos nanoalambres o nanocables lleguen a los ambientes industriales, están surgiendo las nanopistas de cerámica, que surgen como una opción prometedora en medio a toda esta carrera tecnológica.

“Las nanopistas  o nanocintas tiene la ventaja de no que se funden, tal como sucede con los nanoalambres metálicos. Puede sometérselas a altas potencias de corriente eléctrica sin que por ello se quiebren. Soportan diez veces más densidad de corriente que un nanohilo de oro, por ejemplo”, afirma el físico Marcelo Ornaghi Orlandi, del equipo de investigadores de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), quien desarrolló nuevos tipos de nanopistas de cerámica. Este grupo también forma parte del Centro Multidisciplinario de Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) financiados por la FAPESP.

La nanopista desarrollada en São Carlos es la primera en el mundo con este formato, de acuerdo con los investigadores. Hasta ahora, únicamente existían películas delgadas de este material, que se elabora con un semiconductor, en este caso el óxido de indio (InO3), dopado con estaño (SnO2), otro metal. Esto significa que algunos átomos de la molécula de indio fueron reemplazados por otros de estaño. El material dopado, llamado ITO, de Indium Tin Oxide, nombre del óxido de indio dopado con estaño, se convierte así en conductor de la corriente eléctrica. Las películas de ITO, debido a su característica de ser transparentes, se adecuan para funcionar como antiempañante de vidrios en automóviles. Al recibir una pequeña corriente eléctrica se calientan y eliminan el empañado. El problema radica en que estas películas son por ahora caras para este tipo de instalación.

Alta carga
La primera nanopista del Cepid Cerámica posee en su molécula un 85% de óxido de indio y un 15% de óxido de estaño. Con ésta es posible interconectar componentes con un buen nivel de paso de corriente eléctrica. “Las nanocintas serán útiles allí donde exista la necesidad de contar con una alta capacidad de potencia eléctrica, en las conexiones de circuitos”, dice Orlandi. Podrán adaptarse al actual proceso de fabricación de circuitos integrados, pues la cerámica resiste a las sustancias corrosivas utilizadas en este proceso. Las nanopistas también serán útiles en la construcción y en las conexiones entre transistores, que son ampliadores de las señales eléctricas. En las computadoras, por ejemplo, cada chip carga varios minúsculos transistores en su interior, y las nanopistas harán las conexiones entre ellos, permitiéndoles funcionar a velocidades de procesamiento más rápidas, alrededor de diez veces más que las actuales. Así, una computadora podría funcionar a 30 gigahertz (GHz), en lugar de a los actuales 3 GHz. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor es el procesamiento de la información en el circuito de un celular, de una computadora o de un televisor.

Las nanopistas de cerámica miden entre 40 y 800 nanómetros de ancho y de 4 a 100 nanómetros de espesor, y aun con ese tamaño, suministran una alta densidad de corriente eléctrica. Esto sucede porque las nanopistas poseen excelentes características cristalinas, con poca concentración de imperfecciones. De esta manera, las mismas permiten una conducción de electrones con muy baja dispersión, facilitando así la obtención de transistores de alto desempeño. Los investigadores han testeado con éxito la nanopista cerámica con 1 ampere de corriente eléctrica. Esto equivale a una densidad de aproximadamente 15 millones de amperes por centímetro cuadrado, la corriente suficiente como para fundir un alambre de cobre de 0,025 milímetro de diámetro, mientras que la nanopista, de 0,00008 milímetro, no se quiebra.

La garantía de la patente
Los resultados de la nanopista aparecieron en octubre de 2004, en el marco de un congreso de la Sociedad de Investigación de Materiales (MRS, por sus siglas en inglés), en Boston, Estados Unidos, y llamaron la atención de un representante de una multinacional japonesa. “Sin embargo, nosotros estábamos preparando la patente para el depósito en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI) de Brasil, por eso no les hemos suministrado todavía las informaciones más precisas que ellos nos están pidiendo”, dice Orlandi. “Ahora podemos negociar, pues tenemos un año, de acuerdo con las normas mundiales, para depositar la patente en otros países”, dice el profesor Elson Longo, coordinador del CMDMC, quien salió recientemente del cuerpo docente de la UFSCar, y ahora está vinculado al Instituto de Química de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) de Araraquara. Ambas universidades y el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, por sus siglas en portugués) forman el Cepid Cerámica.

Otra ventaja del nuevo material es su proceso de elaboración, que es mucho más barato que otras formas utilizadas por investigadores de todo el mundo para producir nanomateriales dopados. “Nosotros empleamos un método químico controlado, en lugar de los métodos físicos, que utilizan haces de láser, mucho más caros”, afirma Longo. En el mundo existen películas de ITO producidas en hornos, pero la innovación del grupo de São Carlos consistió en producir ese material en forma de nanopistas. “Hicimos la síntesis de las nanopistas de ITO a 1.100°C, una temperatura considerada baja para el crecimiento del material y para el control del dopaje”, dice Orlandi. El dopaje, que es la introducción de átomos en una molécula, se hace dentro de un horno donde se añaden los óxidos de estaño y de indio, junto con el carbono. Durante la quema, el carbono reacciona con los óxidos, formando gases de óxido de estaño y óxido de indio. Luego interactúa con el oxígeno para formar ITO en la región fría del horno, con un control preciso de temperatura y presión.

El uso de nanopistas es por ahora un proyecto industrial de mediano plazo, para dentro de unos 20 años. Simultáneamente a la disminución del tamaño de esos dispositivos, será necesario desarrollar técnicas de nanomanipuleo, pues el control sobre la posición de las nanopistas o los nanocables conductores en un circuito electrónico es una tarea sumamente ardua e industrialmente impensable en la actualidad. “Otro problema que limita el uso de las nanopistas, que son objeto de estudios avanzados, está en los dispositivos electrónicos, donde la unión de los circuitos no es tan eficiente como con los alambres de tamaños macroscópicos. El calor producido por el alto valor de corriente eléctrica hace que se corten los nanocables metálicos”, diz Orlandi. “Con el tiempo, estos nanocables también sufren un proceso de oxidación y no soportan las grandes densidades de carga eléctrica”, dice Longo. Por eso los científicos apuestan al estudio y el desarrollo de las cerámicas a escala nanométrica.

Sensor de humo

A diferencia de las nanopistas, que constituyen una apuesta con visión de futuro, un otro compuesto cerámico de alto contenido tecnológico podrá salir al mercado de manera más rápida. Es un sensor de gases tóxicos desarrollado por el Cepid Cerámica. Este dispositivo tiene como función principal informar sobre el despeño de un catalizador automotor. Dicho catalizador es una pieza también fabricada con cerámica, que va acoplada al escape de los vehículos para transformar los gases que el motor produce, como el monóxido de carbono (CO) y óxido de nitrógeno (NOx), para que queden así en forma de nitrógeno (N2) totalmente inerte, y dióxido de carbono (CO2), menos contaminante que el CO. Los investigadores, coordinados por los profesores Edson Leite y Elson Longo, desarrollaron el sensor para que detecte los gases CO y NOx cuando el catalizador presente fallas. El sensor, instalado junto con el catalizador en el caño de escape, detecta la presencia de los dos gases nocivos y envía una señal electrónica al tablero del vehículo. Otra forma de uso es la producción de pequeños aparatos, que pueden acoplarse a la boca de escape, tanto para las pruebas de la policía de tránsito como en los talleres mecánicos. “En el caso de la policía de tránsito, sería como el medidor de alcohol en el aliento de las personas, pero para el coche”, dice Elson Longo. Los vehículos que emanan gases más allá de los niveles aceptables de acuerdo con la legislación pueden caratularse dentro de lo que se considera como delito ambiental, con multas que van de los 500 a los 10 mil reales.

El sensor se fabrica mediante el empleo de óxido de estaño con partículas nanométricas, que miden 8 nanómetros y son capaces de soportar las altas temperaturas de un motor, de entre 400°C y 500°C, sin que se modifiquen sus características físicas. “Desarrollamos un método donde el estaño fue dopado con elementos llamados tierras raras, como el cerio (Ce), el lantanio (La) y el metal itrio (Y) para dotar de estabilidad a las nanopartículas”, dice Leite. El sensor funciona mediante la acción de los gases sobre su superficie, modificando sus características eléctricas y emitiendo una señal eléctrica que puede convertirse en señal luminosa o sonora.

El dispositivo, que se encuentra en fase de pruebas en la Escuela de Ingeniería de São Carlos de la Universidad de São Paulo (USP), y presenta todavía problemas de funcionalidad en un ambiente extremadamente sucio como es el escape de un automóvil, cuenta con chances de interesarles a cuatro empresas que producen catalizadores en Brasil. En lo atinente a la parte esencialmente académica, el trabajo con el sensor ha generado 15 artículos en revistas internacionales, y tres doctorados. El primer artículo, publicado en la revista Advanced Materials, en 2000, fue considerado como uno de los más citados (entre el 1% que configura los más citados) en el área durante tres años. Desde 2000, fueron 51 citas en el área de nuevos materiales.

Los proyectos
1. Nanopistas conductoras
2. Sensores de gases tóxicos
Modalidad
Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid)
Coordinador
Elson Longo – Centro Multidisciplinario para el Desarrollo de Materiales Cerámicos (CMDMC)
Inversión
R$ 1.200.000,00 por año, para todo el CMDMC

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