Nanoestructuras, una mirada hacia adentro

Por Dalia Patiño González

Puebla, Puebla. 3 de abril de 2018 (Agencia Informativa Conacyt).- La física de los materiales estudia, entre otras cosas, las propiedades y características a nivel macroscópico de las estructuras; sin embargo, con el auge de la nanociencia y nanotecnología, también enfoca su atención en otras escalas mucho más pequeñas que abren una amplia gama de posibilidades para manipular la materia y cambiar el comportamiento de las partículas que la componen, dándole nuevos usos y propiedades.

El término nano proviene del prefijo griego que significa “enano”. Para entender a qué se refiere un nanómetro basta con tomar un milímetro y dividirlo en mil partes, cada una corresponde a una micra, pero si una micra se divide también en mil fragmentos iguales, cada uno equivale a un nanómetro, es decir, una millonésima parte de un milímetro. Esa es la medida de un nanómetro (1x10⁻⁹ m), explicó el doctor Máximo López López, investigador del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) durante su conferencia Producción de nanoestructuras y dispositivos cuánticos en semiconductores III-V y III-N.

La exposición del doctor Máximo López formó parte de las cuatro charlas impartidas por científicos mexicanos en el marco de las XXVIII Jornadas de Divulgación Científica del Instituto de Física de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (IFUAP), celebradas del 20 al 23 de marzo, que se conmemoran cada año en honor al fundador de este instituto, el ingeniero Luis Rivera Terrazas, figura emblemática de la universidad por sus aportes e impulso a la formación académica y la investigación.

Un universo diminuto

El interés por estructuras de magnitud mínima, que remiten al estudio y manejo de átomos y moléculas, ha sido histórico. Este universo diminuto brinda grandes posibilidades a la ciencia, ya en 1905 Albert Einstein se cuestionaba estas dimensiones, publicando un artículo donde estimó el tamaño de una molécula de azúcar. Su predicción, advierte el doctor Máximo López, fue del orden de un nanómetro. Tiempo después con tecnología moderna se corroboró esta dimensión expuesta por Einstein.

En 1959, el físico Richard Feynman enfatizó que si vas a dimensiones más pequeñas hay muchas posibilidades para hacer cosas. En sus ponencias anticipaba el campo de la nanotecnología. Su frase significativa fue: There’s plenty of room at the bottom (hay mucho sitio en el fondo).

“Hay muchas cosas que no entendemos hacia adentro, pero hay muchas posibilidades para estudiar y realmente comprender de qué se trata y qué podemos hacer con eso”, refirió el doctor Máximo López, mientras recordaba que en 2000, el expresidente estadounidense Bill Clinton anunció una iniciativa nacional de impulso para el estudio de la nanotecnología, con la idea de dar apoyo a esta área. A raíz de eso, muchos países adoptaron políticas similares para dar auge a la nanotecnología.

Indicó que comúnmente en el área de la electrónica es donde mejor se puede observar la influencia de esta ciencia. Como ejemplo mencionó lo que se conoce como la ley de Moore, después de que el cofundador de Intel en los años 70 analizara la evolución del número de transistores en un chip de computadora.

“Encontró que el número de transistores en ese chip se duplicaba cada dos años. Este comportamiento observado por Moore se ha mantenido hasta nuestros días. Cada dos años se dobla el número de transistores en un chip, y el número de transistores tiene que ver con el número de operaciones que puede realizar la máquina, eso es la miniaturización que refleja la capacidad de hacer transistores más pequeños que ocupen menos área pero con una amplia capacidad de cálculo”.

En la actualidad, si le ponemos un tamaño a un transistor de última generación, debe tener un tamaño aproximado de 10 nanómetros, explicó el doctor en física del Cinvestav, quien refirió que aunque se prevé lejano, ya existe la preocupación científica por los límites y por saber hasta dónde llegará esta tendencia de miniaturización, ya que la lógica dictará que no se podrá disminuir arbitrariamente el tamaño de las estructuras por las mismas propiedades de los materiales.

“Hay una preocupación, por eso hay que ir evolucionando y esa es una de las tendencias en electrónica. Qué es lo que sigue, pues está abierto y la ganancia es todas las capacidades que se puedan tener en las computadoras”.

Las nanoestructuras

Existen otras áreas que también exploran a través de la nanotecnología avances significativos. Por ejemplo, en la optoelectrónica el doctor Máximo López destacó la corriente de umbral con láser semiconductor.

“La corriente de umbral es la corriente mínima necesaria que se necesita para que el láser emita luz. En los años 70 se necesitó una corriente muy alta, alrededor de cinco mil amperes para un láser, pero ahora la tendencia cambió porque la corriente de umbral ha disminuido gracias a la producción de nanoestructuras. Esto permite que se pueda contar con un apuntador de láser, por ejemplo, algo que era impensable en los 70”.

Otro ejemplo que mencionó el investigador son los leds (del inglés light-emitting diode), una tecnología que está relacionada con la capacidad de producir ciertos materiales que se conocen como semiconductores, especialmente los de tamaño nanométrico.

El doctor Máximo López refirió que en el Departamento de Física del Cinvestav estudian, entre otras cosas, semiconductores III-V y III-N con los que se hacen láseres y leds, ya que a pesar de que el silicio (Si) es el “rey” de los semiconductores, no todo se puede hacer con este material.

Los semiconductores III-V, explicó, son los materiales que se forman combinando un átomo de la columna tres de la tabla periódica (aluminio, galio, indio) con un átomo de la columna cinco (arsénico, fósforo y antimonio). Mientras que la familia de semiconductores III-N se conforma con un átomo de la columna 3 con nitrógeno. Estos semiconductores se conocen como compuestos porque tienen dos átomos.

“El apuntador láser está hecho con materiales III-V y los leds están hechos con nitruro de galio e indio. De esta forma, la familia de semiconductores que se conoce como nitruros III-V se volvió muy popular por su importancia tecnológica y por su desarrollo en términos de la física de materiales”.

Recordó que en 2014, los japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shūji Nakamura recibieron el premio Nobel en Física por la creación del diodo emisor de luz (led) en color azul, y señaló que en 2016 se contabilizaron 16 billones de dólares en el mercado de semiconductores III-N.

De las aplicaciones, mencionó que con los láseres rojos se graban los CD en el orden de los 800 nanómetros, con una “baja capacidad”, pero que gracias al desarrollo de láseres con longitudes de onda más cortas, en el orden de los 400 nanómetros o menos, fue que se pudieron obtener el DVD y el Blu-ray, usando un láser azul para grabar y leer este tipo de discos; no obstante, esta es solo una de las muchas aplicaciones de materiales nanoestructurados.

Acercando la ciencia a los jóvenes

Finalmente, la doctora Estela Calixto Rodríguez, académica e investigadora del IFUAP, indicó en entrevista que con estas jornadas de divulgación se busca ofrecer un espacio para que los jóvenes que cursan el bachillerato tengan un acercamiento y conozcan las carreras que se ofrecen en el área, así como los temas que se abordan.

“Estamos interesados en dar a conocer las actividades e investigación que realizamos en el área de física y física de materiales en general, pero también tocamos temas de astronomía. Para esta edición, podemos decir que hubo una participación aproximada de 100 alumnos de nivel preparatoria por cada conferencia”, añadió Calixto Rodríguez, coordinadora de estas jornadas.

Astronomía, motor de la civilización fue otra de las ponencias a cargo del doctor José Franco, doctor en física por la Universidad de Wisconsin-Madison, en Estados Unidos, e investigador del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). También participaron la doctora María de la Paz Elizalde González, investigadora del Centro de Química del Instituto de Ciencias de la BUAP, con el tema La razón química del aroma: el cuento de un picudo hidrocálido, y el doctor José Antonio de la Peña, investigador del Instituto de Matemáticas de la UNAM, quien habló sobre La estabilidad del sistema solar.