¡®Nanoestructuras¡¯ para crear circuitos hasta cien veces m¨¢s eficientes

Una nueva t¨¦cnica de nanomoldeado, desarrollada con participaci¨®n espa?ola, permite crear estructuras cristalinas met¨¢licas con propiedades revolucionarias para la fabricaci¨®n de dispositivos electr¨®nicos.

Gracias a una combinaci¨®n de moldes de silicio y un sistema de microexplosiones inducidas por l¨¢ser, esta nueva t¨¦cnica permite la fabricaci¨®n a gran escala de cristales met¨¢licos. Estos materiales tienen propiedades potencialmente revolucionarias al permitir la producci¨®n de circuitos electr¨®nicos con eficiencias energ¨¦ticas hasta cien veces superiores a las actuales. Esto permitir¨ªa crear nuevos dispositivos que apenas necesitar¨ªan carga, y la miniaturizaci¨®n sin precedentes de ciertas aplicaciones que hasta ahora necesitan muy altos voltajes.

Este nuevo m¨¦todo de producci¨®n de nanoestructuras ha sido desarrollado por cient¨ªficos de IMDEA Nanociencia (Espa?a) y de las universidades de Purdue y San Diego (EEUU), quienes lo han presentado en un art¨ªculo publicado por la revista Science.

¡°El descubrimiento clave fue la inducci¨®n de superplasticidad mediante microexplosiones, pues hasta ahora no se sab¨ªa c¨®mo generar estas explosiones sin aumentar demasiado la temperatura del metal¡±, explica Rams¨¦s V. Mart¨ªnez, investigador de IMDEA Nanociencia y uno de los autores del art¨ªculo.

Los circuitos actuales son los responsables de que los ordenadores y m¨®viles de hoy en d¨ªa se calienten

Actualmente, la mayor parte de los circuitos electr¨®nicos se fabrican haciendo pasar una fina lluvia de part¨ªculas de metal l¨ªquido a trav¨¦s de una m¨¢scara con la forma del circuito, como si se hiciera un grafiti usando una plantilla. Esta t¨¦cnica de fabricaci¨®n produce circuitos imperfectos que, vistos al microscopio, presentan superficies rugosas y bordes granulados. Estos circuitos?al gotel¨¦ ofrecen resistencia al paso de la corriente el¨¦ctrica y son los responsables de que los ordenadores y m¨®viles de hoy en d¨ªa se calienten tanto durante su funcionamiento, y de que su bater¨ªa dure tan poco.

Este problema podr¨ªa solucionarse con el uso de nanoestructuras met¨¢licas cristalinas, que presentan bordes lisos y superficies sin defectos, con lo que son mejores conductores, pero no se hab¨ªan podido producir en el laboratorio. ¡°La fabricaci¨®n de nanoestructuras met¨¢licas cristalinas ha sido imposible hasta ahora, porque no pod¨ªamos introducir los metales en el molde a temperatura ambiente sin romper el molde, y si calent¨¢bamos el metal primero, este acababa fundido al molde¡±, explica Mart¨ªnez.

Este mismo m¨¦todo puede emplearse en la fabricaci¨®n de metamateriales, es decir, materiales cuyas superficies est¨¢n recubiertas de una serie de patrones o formas de tama?o nanom¨¦trico (un nan¨®metro es la millon¨¦sima parte de un mil¨ªmetro). Estas formas incluyen nanopir¨¢mides, engranajes, barras o surcos miles de veces m¨¢s finos que el grosor de un cabello humano y que resultan inapreciables a simple vista.

¡°Estas nanoestructuras tienen unas superficies extremadamente lisas, lo cual es potencialmente muy ventajoso para aplicaciones comerciales¡±, ha explicado Gary Cheng, profesor de ingenier¨ªa industrial en la Universidad de Purdue. ¡°Para las aplicaciones potenciales de esta tecnolog¨ªa, necesitamos propiedades como alta precisi¨®n, baja p¨¦rdida electromagn¨¦tica y gran conductividad t¨¦rmica y el¨¦ctrica. Antes de este m¨¦todo era muy dif¨ªcil encontrar todas estas propiedades en un mismo material¡±.

Esta nueva t¨¦cnica de nanofabricaci¨®n, denominada LSI por sus siglas en ingl¨¦s (Laser Shock Imprint), usa un molde de silicio con la forma final del circuito para generar las nanoestructuras, igual que en reposter¨ªa se usan moldes para dar forma a los pasteles. La dificultad radica en hacer que el metal entre en el molde, pues para ello habr¨ªa que fundirlo y solidificarlo muy r¨¢pidamente, a fin de evitar que molde y metal quedaran soldados irreversiblemente.

La t¨¦cnica LSI induce en el metal un estado de la materia conocido como ¡°superplasticidad¡±, que permite al metal deformarse para tomar la forma del molde de silicio sin adherirse a ¨¦l.

En un futuro cercano, permitir¨¢ la creaci¨®n de pantallas t¨¢ctiles cubiertas con nanoestructuras, capaces de interaccionar con la luz y generar im¨¢genes en 3D

Para conseguirlo se sit¨²a una fina capa de metal sobre el molde y se recubre con grafito. Este?sandwich se tapa a su vez con una l¨¢mina de vidrio. A continuaci¨®n se dispara un pulso l¨¢ser de alta potencia que pasa a trav¨¦s del vidrio y sublima el grafito. La sublimaci¨®n del grafito causa un brusco aumento de su volumen que, al no tener espacio para expandirse, genera ondas de choque que golpean el metal. Este golpeo hace que el metal adquiera el estado de superplasticidad, con lo que el acaba por tomar la forma del sello a la vez que mantiene su estructura cristalina.

Las estructuras cristalinas met¨¢licas de tama?o nanom¨¦trico generadas por LSI presentan bordes lisos, de precisi¨®n at¨®mica y pr¨¢cticamente libres de defectos. Estos cristales met¨¢licos facilitan el paso de la corriente el¨¦ctrica y presentan una excelente resistencia mec¨¢nica, lo que hace los hace candidatos ideales para la fabricaci¨®n de dispositivos electr¨®nicos ultra-r¨¢pidos, flexibles y de bajo consumo energ¨¦tico.

En un futuro cercano, la fabricaci¨®n de componentes mediante LSI permitir¨¢ la creaci¨®n de pantallas t¨¢ctiles cubiertas con nanoestructuras, capaces de interaccionar con la luz y generar im¨¢genes en 3D, adem¨¢s de sensores biol¨®gicos m¨¢s sensibles y econ¨®micos.

Los investigadores tambi¨¦n han creado estructuras h¨ªbridas que combinan metal con grafeno. ¡°Si se pone una capa de grafeno entre el molde y el metal, este puede tomar la forma del molde y recubrir la superficie met¨¢lica. Esto hace a esta t¨¦cnica compatible con el uso del grafeno y abre la posibilidad de fabricar dispositivos h¨ªbridos metal-grafeno¡± explica Mart¨ªnez.