Un experimento muestra c¨®mo var¨ªa la resistencia el¨¦ctrica en los nanotubos

En 1948 Walter Brattain, John Bardeen y William Shockley inventaron el transistor. La mec¨¢nica cu¨¢ntica hab¨ªa descrito previamente c¨®mo las propiedades conductoras de los materiales semiconductores pod¨ªan ser modificadas mediante la inclusi¨®n de dopantes. Gracias a este estudio fundamental fue posible la invenci¨®n del transistor. A?os despu¨¦s comenz¨® el proceso de integraci¨®n: primero fueron cientos, luego miles y as¨ª hasta llegar a las decenas de millones de transistores que incorporan los modernos microprocesadores. El transistor es por tanto un ejemplo perfecto de c¨®mo la combinaci¨®n de ciencia b¨¢sica y tecnolog¨ªa introduce cambios revolucionarios en nuestra sociedad.

En 1991 el cient¨ªfico japon¨¦s Sumio Iijima identific¨® una nueva estructura molecular al estudiar compuestos de carbono con un microscopio electr¨®nico; a esta nueva estructura se le denomin¨® nanotubo de carbono. Para visualizar un nanotubo simple de carbono se puede comenzar por imaginarse una l¨¢mina de grafito larga, plana y estrecha. En esta l¨¢mina los ¨¢tomos de carbono se disponen en los v¨¦rtices de una estructura en forma de panal de abeja. Si esta l¨¢mina se pliega para formar un cilindro se obtiene un nanotubo de carbono. El di¨¢metro de un nanotubo de carbono puede variar desde 0,5 nan¨®metros (hacen falta un mill¨®n de nanometros para formar un mil¨ªmetro) hasta unos 3 o 4 nan¨®metros y su longitud puede llegar a ser de varias micras.

Los nanotubos son mucho m¨¢s sensibles que los semiconductores a los defectos

Poco tiempo despu¨¦s de haber sido aislados, se descubri¨® que los nanotubos de carbono presentaban propiedades mec¨¢nicas y el¨¦ctricas interesantes. Respecto al transporte de corriente el¨¦ctrica, se demostr¨® que un nanotubo puede ser conductor o semiconductor dependiendo de c¨®mo se realice el plegamiento de la l¨¢mina de grafito. Esta propiedad indujo a pensar en la posibilidad utilizar en el futuro nanotubos como componentes b¨¢sicos de los transistores. Debido a las dimensiones nanom¨¦tricas de los nanotubos de carbono, se podr¨ªan introducir un n¨²mero enorme de transistores en un microprocesador. Pero antes de llegar al proceso de integraci¨®n, las propiedades electr¨®nicas de los nanotubos de carbono deben ser entendidas en detalle.

En el trabajo que en el mes de julio aparece publicado en Nature Materials hemos intentado responder a una pregunta b¨¢sica cuando se analiza cualquier material conductor: ?c¨®mo var¨ªa la resistencia el¨¦ctrica de un nanotubo cuando se introducen defectos en su estructura? Los defectos han sido introducidos externamente bombardeando con iones de arg¨®n; estos iones al chocar con el nanotubo a una velocidad de decenas de miles de metros por segundo arrancan ¨¢tomos de carbono del nanotubo, dejando vacantes en su estructura (v¨¦ase figura). Para realizar las medidas de resistencia el¨¦ctrica se ha utilizado un microscopio de fuerzas at¨®micas. Este microscopio funciona midiendo la deflexi¨®n de una peque?a palanca en cuyo extremo se ha colocado una punta conductora muy afilada. Con este microscopio primero se visualiza el nanotubo y, contactando con la punta a lo largo de su longitud, se puede medir la resistencia el¨¦ctrica.

Nuestros experimentos demuestran que la resistencia del nanotubo con vacantes crece exponencialmente con su longitud mientras que en un conductor normal (un hilo de cobre, por ejemplo) la resistencia crece linealmente con la longitud. Mediante un an¨¢lisis combinado teor¨ªa-experimento, hemos demostrado que esa dependencia exponencial hace que la resistencia el¨¦ctrica en el nanotubo sea extremadamente sensible a la cantidad de defectos y que la presencia de tan s¨®lo un 0,03% de vacantes sea capaz de incrementar la resistencia el¨¦ctrica de un nanotubo de 400 nan¨®metros de longitud en m¨¢s de mil veces. Este hallazgo podr¨ªa permitir modificar a voluntad la resistencia en un nanotubo mediante la inclusi¨®n controlada de defectos, de manera an¨¢loga a como se hace actualmente en los materiales semiconductores. Desde un punto de vista fundamental, la extremada sensibilidad a la presencia de defectos es consecuencia del car¨¢cter cuasi-unidimensional del nanotubo y del comportamiento mecano-cu¨¢ntico (ondulatorio) de los electrones dentro de ¨¦l. Cuando un electr¨®n rebota contra un defecto interfiere destructivamente, produci¨¦ndose una reducci¨®n en el flujo de electrones y por tanto un aumento en la resistencia. Este proceso de interferencia destructiva es mucho m¨¢s acusado cuanto m¨¢s estrecho es el canal por el que discurren los electrones (como en un nanotubo) y cuantos m¨¢s defectos tiene el sistema.

Totalmente espa?ol

En ciencia, tanto el factor humano como el tecnol¨®gico son important¨ªsimos para obtener buenos resultados cient¨ªficos. En este caso el equipo de investigadores estaba compuesto por seis miembros de la Universidad Aut¨®noma de Madrid (Cristina G¨®mez, Blanca Biel, Pedro de Pablo, Fernando Flores y los autores de este art¨ªculo) m¨¢s un investigador de la Universidad del Pa¨ªs Vasco (Angel Rubio). Respecto a la parte tecnol¨®gica, el microscopio ha sido ¨ªntegramente dise?ado y construido en Espa?a por la compa?¨ªa Nanotec Electr¨®nica S.L., una empresa surgida de la Universidad Aut¨®noma de Madrid y que es un peque?o ejemplo de c¨®mo la inversi¨®n en investigaci¨®n puede revertir de manera positiva en la sociedad.

Francisco Jos¨¦ Garc¨ªa Vidal y Julio G¨®mez Herrero son profesores de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.