Durante los últimos 10 años, unos de los
materiales nanoestructurados con más importancia han sido los nanohilos
semiconductores. La gran ventaja de este tipo de materiales reside en
que el material tiene unas capacidades de conducción eléctrica distintas
en escala “nano” de lo que tiene a gran escala. Los electrones,
actuando como portadores de carga, o bien los huecos (ausencia de
electrones) necesitan que los átomos estén juntos para transmitirse de
forma fluida; cuando la anchura del camino que recorren es mucho menor,
su movimiento se ve obstaculizado por los átomos del borde del material
que provoca una disminución de su velocidad en esa dirección. Estos
nanohilos apenas tienen unas decenas de nanómetros de diámetro y frente a
este tamaño se puede considerar que su longitud es infinita, de ahí que
en la práctica se consideren unidimensionales. De esta forma la carga
queda confinada en la sección longitudinal. Incluso, al igual que sucede
para los semiconductores convencionales en “bulk”, estos nanohilos
pueden ser dopados para conseguir unas determinadas propiedades.
Uno de los retos más importantes en este
campo ha sido poder controlar la longitud de estos materiales
unidimensionales, ya que en la síntesis convencional solo se consiguen
hilos de varios milímetros. En la revista Nature Materials, en el número de Julio de 2011, fue portada un grupo de la Universidad Bilkent de Ankara que afirmaba poder producir nanohilos de longitud indefinida.
Nanohilos de GaAs. Prof. Weman, NTNU Innovation and creativity
Los procedimientos de síntesis son
actualmente muy variados, desde el crecimiento basado en nanoclusters de
metal, crecimiento catalizado por metales y asistido por láser,
vapor-líquido-sólido , en fase vapor libre de catalizadores, disolución
química, etc (para más información acerca de estos métodos se puede
consultar el libro “Nanomaterials Handbook” de Yury Gogotsi, Ed. Taylor
and Francis, 2006. Capítulo 9.- “One-dimensional semiconductor and oxide
nanostructures”, pp. 285). En internet podemos encontrar un interesante
documental breve acerca del crecimiento de nanohilos de oro a partir de unas semillas de este mismo material.
El abanico de aplicaciones de estos
materiales es muy extenso y a pesar de que hoy muchas de sus
aplicaciones sigan siendo objeto de estudios teóricos y simulaciones, la
realidad es que en un futuro muy próximo se espera una aplicación
inminente de estos materiales. Como podemos leer en el artículo de Jordi Arbiol,
Profesor de Investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de
Barcelona del CSIC, estos materiales ya han sido satisfactoriamente
evaluados como transistores, diodos LED, incluso en una aplicación
futurible que los incluye como captadores efectivos de la luz para
células solares y su consiguiente importancia en el campo de las
energías renovables. Quedan en el tintero aplicaciones tan llamativas
como sensores (detectores de células cancerígenas
ya que al variar el contacto superficial del nanohilo cambian sus
propiedades eléctricas) o como memorias electrónicas de elevada
capacidad de almacenamiento y muy pequeño volumen.
Pero las aplicaciones no acaban aquí. Recientemente se ha descubierto una forma de alinear estos nanohilos mediante la aplicación de un campo eléctrico externo,
tanto más alineados conforme aumenta la fuerza de dicho campo, lo que
permite unas posibilidades de escultura y escritura basada en estos
materiales. Incluso, podemos observar que el interés de la investigación
de los nanohilos no queda únicamente relegado al laboratorio, sino que
importantes multinacionales y empresas dedican esfuerzo e inversión a
este objetivo. Tal es el caso de la empresa IBM
, que investiga profundamente el control y optimización del crecimiento
de estos nanohilos con objeto de poder adaptarlo a sus dispositivos
miniaturizados, estudiando las propiedades del transporte de carga y por
supuesto, lo más importante y de lo que en ocasiones se acusa a la
investigación de laboratorio tal cual muchos de nosotros la conocemos,
la integración y la fabricación a gran escala.
Dependiendo del tipo de síntesis llevada a cabo y variando las condiciones de crecimiento, se pueden conseguir una serie de geometrías que afectan enormemente a sus propiedades ópticas.
Pueden presentar confinamiento cuántico, y también emisión y por tanto
ser usados como LEDs como ya hemos señalado. Pero adicionalmente tienen
la ventaja de presentar una gran relación área superficial-volumen lo
que les hace candidatos idóneos para la detección como sensores y
biosensores ópticos. El grupo de investigación al que hace referencia el
anterior link trabaja ampliamente en el campo de las propiedades
ópticas e intenta dirigir la síntesis de estos nanohilos para conseguir propiedades antirreflejantes,
a partir de formas cónicas del nanohilo, favoreciendo el acoplamiento
de la luz a diferentes ángulos de incidencia y colores entre el aire y
el semiconductor, haciéndolos mejores absorbentes de la luz y emisión de
luz direccional.
Todo lo expuesto es solo un ejemplo de
la importancia de la miniaturización y la síntesis y crecimiento
dirigidos para conseguir las propiedades deseadas. Controlar la
estructura y modificarla al antojo de los investigadores proporcionará
todo tipo de aplicaciones “a la carta”. Caracterización experimental,
predicciones teóricas, simulaciones… cada pocas semanas aparecen
artículos con nuevos resultados basados en el desarrollo de nuevos
nanohilos como conductores unidimensionales. Aún quedan muchos retos
pendientes con este tipo de materiales, en el crecimiento, el proceso y
el ensamblaje, pero también respecto al concepto de biocompatibilidad,
ya que aún no existe una regulación estricta que los englobe (efectos
mediaombientales, toxicidad, manipulación, gestión como residuos, etc.,
aplicable también a todo material considerado “nano”). Lo que queda
claro es que frente a los materiales obtenidos en forma de “bulk”
presentan unas propiedades muy atractivas en el terreno electrónico,
térmico y óptico y por tanto, aún cabe esperar nuevas sorpresas en este
campo de investigación.
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