Científicos crean el cable eléctrico más fino posible, de sólo 3 átomos de grosor

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Científicos de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, y el SLAC National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía han descubierto una forma de usar diamantoides (la forma de diamante más pequeña posible) para ensamblar átomos y formar los cables eléctricos más delgados posibles, con sólo tres átomos de ancho.

La nueva técnica, en la que se toman varios tipos de átomos y se colocan juntos como si fuera LEGO, podría ser utilizado potencialmente para construir diminutos cables para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo tejidos que generan electricidad, dispositivos optoelectrónicos que emplean electricidad y luz, y materiales superconductores que conducen la electricidad sin ninguna pérdida. Los científicos divulgaron sus resultados en Nature Materials.

“Lo que hemos demostrado aquí es que podemos hacer pequeños cables conductores del tamaño más pequeño posible que, básicamente, se ensamblan solos”, dijo Hao Yan, investigador postdoctoral de Stanford y autor principal del artículo. “El proceso utiliza una síntesis simple en un solo recipiente. Arrojas los ingredientes a la vez y puedes llegar obtener resultados en media hora. Es casi como si los diamantoides supieran adónde querían ir”.

Cuanto más pequeño, mejor

(Imagen ampliable) Esta animación muestra los bloques de construcción uniéndose en la punta de un nanocable en crecimiento. Cada bloque consiste de un diamantoide (la unidad más pequeña posible de diamante) unido a átomos de cobre y sulfuro (esferas amarillas y marrones). Como los bloques de LEGO, sólo encajan de una forma concreta, que viene determinada por su forma y tamaño. Los átomos de cobre y sulfuro del centro forman el cable conductor, y los diamantoides forman la capa exterior aislante. Imagen: SLAC National Accelerator Laboratory

Aunque existen otras maneras de hacer que los materiales se auto-ensamblen, este es el primero parece construir hacer un nanocable con un núcleo sólido y cristalino con buenas propiedades electrónicas, dijo el co-autor del estudio Nicholas Melosh, profesor asociado en SLAC y Stanford e investigador en SIMES, el Instituto de Stanford para Ciencias de Materiales y Energía en SLAC.

Los hilos con forma de aguja tienen un núcleo semiconductor (una combinación de cobre y azufre conocido como calcogenuros) rodeado por diamantoides unidos que forman un caparazón aislante.

Su tamaño minúsculo es importante, dijo Melosh, porque un material que existe en sólo una o dos dimensiones (como los puntos, los alambres o las láminas a escala atómica) puede tener propiedades muy diferentes y extraordinarias en comparación con el mismo material hecho a granel. El nuevo método permite a los investigadores reunir esos materiales con precisión y controlarlos átomo por átomo.

Los diamantoides utilizados como herramientas de montaje son diminutas jaulas de carbono e hidrógeno. Se encuentran naturalmente en los fluidos del petróleo, que son extraídos y clasificados por tamaño y geometría en un laboratorio de la SLAC. Durante la última década, un programa de investigación de SIMES dirigido por Melosh y el Profesor Zhi-Xun Shen de la Universidad Stanford de California y SLAC ha encontrado una serie de usos potenciales para los pequeños diamantes, incluyendo la mejora de las imágenes de microscopio electrónico y la fabricación de minúsculos aparatos electrónicos.

Atracción constructiva

(Imagen ampliable) Ilustración que muestra el grupo exagonal de 7 nanocables ensamblados con diamantoides. Cada cable tiene un núcleo eléctricamente conductivo de cobre y sulfuro rodeado de un caparazón aislante de diamantoides. Imagen: H. Yan et al., Nature Materials

Para este estudio, el equipo de investigación aprovechó el hecho de que los diamantoides se atraen fuertemente entre sí, a través de lo que se conoce como fuerzas van der Waals. (Esta atracción es lo que hace que los diamantoides microscópicos se agrupen en cristales como los del azúcar, que es la única razón por la que pueden ser vistos a simple vista).

Comenzaron con los diamantoides más pequeños posibles (jaulas individuales que contienen sólo 10 átomos de carbono) y unieron un átomo de azufre a cada uno. Una vez se encontraron flotando en una solución, cada átomo de azufre se unió con un solo ion de cobre. Esto creó el bloque básico de los nanocables.

De este modo estos bloques de construcción se desplazaron uno hacia el otro, atraídos por la atracción de van der Waals entre los diamantoides y se unieron a la punta del nanocable para hacerlo crecer.

“Al igual que los bloques de LEGO, que sólo se ajustan en ciertas formas que están determinadas por su tamaño y forma”, dijo el estudiante graduado Stanford Fei Hua Li, que jugó un papel crítico en la síntesis de estos diminutos cables y averiguó cómo crecían. “Los átomos de cobre y azufre de cada bloque de construcción se enrollaron en el centro, formando el núcleo conductor del alambre, y los diamantoides más voluminosos se enrollaron en el exterior, formando el caparazón aislante”.

Un conjunto versátil de herramientas para crear nuevos materiales

(Imagen ampliable) Modelo de bolas y palos de las estructuras atómicas de los diamantoides en el laboratorio SIMES del SLAC. Los investigadores utilizaron el diamantoide más pequeño posible, de tan sólo 10 átomos de carbono, para ensamblar los nanocables más pequeños posibles.

El equipo ya había utilizado diamantoides para fabricar nanocables unidimensionales a base de cadmio, zinc, hierro y plata, incluso algunos que crecieron lo suficiente como para ser vistos en un microscopio, y experimentaron  igualmente la realización de reacciones en diferentes disolventes y con otros tipos de moléculas rígidas parecidas a las jaulas, como los carboranos.

Los hilos a base de cadmio son similares a los materiales utilizados en optoelectrónica, como los diodos emisores de luz (LED), y los basados ​​en zinc son como los utilizados en aplicaciones solares y en los generadores de energía piezoeléctrica, que convierten el movimiento en electricidad.

“Puedes imaginarte tejiéndolos en telas para generar energía”, dijo Melosh. “Este método nos proporciona una caja de herramientas versátil donde podemos integrar una serie de ingredientes y condiciones experimentales para crear nuevos materiales con propiedades electrónicas finamente ajustadas y una física interesante”.

Artículo original publicado por el SLAC National Accelerator Laboratory. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-01-19T14:28:15+00:00