Película de carbono sobre chip de silicio. Imagen: A. Demortiere. Fuente: Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides.
Después de más de media década de especulaciones, fabricación, modelado y pruebas, un equipo internacional de investigadores dirigido por Yuri Gogotsi, de la Universidad Drexel (Filadelfia, EE.UU.), y Patrice Simon, de la Universidad Paul Sabatier de Toulouse (Francia), han confirmado que su proceso para hacer películas y micro-supercondensadores de carbono permitirá que los microchips y sus fuentes de alimentación sean lo mismo.
El descubrimiento, publiado en una reciente edición de la revista Science, es la culminación de años de investigación colaborativa por parte del equipo, que creó el material de carbono en 2010. Desde entonces, su objetivo ha sido mostrar que es posible físicamente acoplar el centro de procesamiento de un dispositivo electrónico -el microchip- con su fuente de energía.
"Esto nos ha llevado bastante tiempo, pero el objetivo era no sólo hacer un dispositivo de almacenamiento de energía tan pequeño como un microchip, sino hacer un dispositivo de almacenamiento de energía que sea parte del microchip y hacerlo de una manera que se integre fácilmente en los procesos de fabricación de chips de silicio actuales", dice Simon en la nota de prensa de Drexel.
Simon dirigió la investigación bajo los auspicios de la red de investigación francesa sobre almacenamiento de energía electroquímica (RS2E), una spin-off de Le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) y el Ministerio francés de Investigación. "Con este logro, el futuro está abierto de par en par para los fabricantes de chips y dispositivos electrónicos personales."
Esto confirma la creencia que tenía el grupo desde que fabricaron los materiales por primera vez: que estas películas son lo suficientemente versátiles como para integrarse a la perfección en los sistemas que alimentan microchips de silicio, como los que hay en un portátil o en un reloj inteligente.
Los retos a los que se enfrentaba el grupo en el desarrollo del material eran cuestiones sobre su compatibilidad, su estabilidad mecánica y durabilidad para su uso en sustratos flexibles. Una vez respondidas, se abre un sinfín de posibilidades para que las películas de carbono lleguen a los chips de silicio, incluida la integración de baterías a microescala en un chip.
"El lugar donde la mayoría de las personas acabará notando el impacto de este desarrollo es en el tamaño de sus dispositivos electrónicos personales, como sus teléfonos inteligentes", dice Gogotsi, del Departamento de Ingeniería y Ciencia de los Materiales de Drexel, que dirige el Instituto de Nanomateriales.
"Aún más importante", añade, "se necesita almacenamiento de energía en-un-chip para crear el Internet de las cosas. Este trabajo es un paso importante hacia ese futuro".
El descubrimiento, publiado en una reciente edición de la revista Science, es la culminación de años de investigación colaborativa por parte del equipo, que creó el material de carbono en 2010. Desde entonces, su objetivo ha sido mostrar que es posible físicamente acoplar el centro de procesamiento de un dispositivo electrónico -el microchip- con su fuente de energía.
"Esto nos ha llevado bastante tiempo, pero el objetivo era no sólo hacer un dispositivo de almacenamiento de energía tan pequeño como un microchip, sino hacer un dispositivo de almacenamiento de energía que sea parte del microchip y hacerlo de una manera que se integre fácilmente en los procesos de fabricación de chips de silicio actuales", dice Simon en la nota de prensa de Drexel.
Simon dirigió la investigación bajo los auspicios de la red de investigación francesa sobre almacenamiento de energía electroquímica (RS2E), una spin-off de Le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) y el Ministerio francés de Investigación. "Con este logro, el futuro está abierto de par en par para los fabricantes de chips y dispositivos electrónicos personales."
Esto confirma la creencia que tenía el grupo desde que fabricaron los materiales por primera vez: que estas películas son lo suficientemente versátiles como para integrarse a la perfección en los sistemas que alimentan microchips de silicio, como los que hay en un portátil o en un reloj inteligente.
Los retos a los que se enfrentaba el grupo en el desarrollo del material eran cuestiones sobre su compatibilidad, su estabilidad mecánica y durabilidad para su uso en sustratos flexibles. Una vez respondidas, se abre un sinfín de posibilidades para que las películas de carbono lleguen a los chips de silicio, incluida la integración de baterías a microescala en un chip.
"El lugar donde la mayoría de las personas acabará notando el impacto de este desarrollo es en el tamaño de sus dispositivos electrónicos personales, como sus teléfonos inteligentes", dice Gogotsi, del Departamento de Ingeniería y Ciencia de los Materiales de Drexel, que dirige el Instituto de Nanomateriales.
"Aún más importante", añade, "se necesita almacenamiento de energía en-un-chip para crear el Internet de las cosas. Este trabajo es un paso importante hacia ese futuro".
El método
El método de los investigadores para depositar carbono sobre una oblea de silicio es consistente con los procedimientos de fabricación de microchips actualmente en uso, facilitando así los desafíos de la integración de dispositivos de almacenamiento de energía en la arquitectura del dispositivo electrónico.
Como parte de la investigación, el grupo mostró cómo se podrían depositar las películas de carbono sobre obleas de silicio en una variedad de formas y configuraciones para crear docenas de supercondensadores en una sola oblea de silicio.
El deseo de tener supercondensadores en microelectrónica se debe a que pueden almacenar una gran cantidad de energía en relación a su tamaño, pueden cargar y descargar su energía de forma extremadamente rápida y su esperanza de vida es casi ilimitada. Con este descubrimiento, el camino está libre para que los fabricantes de microchips den un gran paso adelante en la forma en que elaboran sus productos.
Además, estas películas de carbono ofrecen buenas perspectivas para el desarrollo de recubrimientos elásticos con un bajo coeficiente de fricción que se pueden utilizar en partes deslizantes libres de lubricantes, tales como juntas dinámicas.
También pueden utilizarse en la producción de membranas para la filtración de gas, y la desalinización o purificación de agua, debido a que el tamaño de sus poros está en el rango de las moléculas individuales. Las películas de carbono producidos por este método son bastante versátiles y pueden encontrar aplicaciones en muchas áreas.
El método de los investigadores para depositar carbono sobre una oblea de silicio es consistente con los procedimientos de fabricación de microchips actualmente en uso, facilitando así los desafíos de la integración de dispositivos de almacenamiento de energía en la arquitectura del dispositivo electrónico.
Como parte de la investigación, el grupo mostró cómo se podrían depositar las películas de carbono sobre obleas de silicio en una variedad de formas y configuraciones para crear docenas de supercondensadores en una sola oblea de silicio.
El deseo de tener supercondensadores en microelectrónica se debe a que pueden almacenar una gran cantidad de energía en relación a su tamaño, pueden cargar y descargar su energía de forma extremadamente rápida y su esperanza de vida es casi ilimitada. Con este descubrimiento, el camino está libre para que los fabricantes de microchips den un gran paso adelante en la forma en que elaboran sus productos.
Además, estas películas de carbono ofrecen buenas perspectivas para el desarrollo de recubrimientos elásticos con un bajo coeficiente de fricción que se pueden utilizar en partes deslizantes libres de lubricantes, tales como juntas dinámicas.
También pueden utilizarse en la producción de membranas para la filtración de gas, y la desalinización o purificación de agua, debido a que el tamaño de sus poros está en el rango de las moléculas individuales. Las películas de carbono producidos por este método son bastante versátiles y pueden encontrar aplicaciones en muchas áreas.
Referencia bibliográfica:
P. Huang, C. Lethien, S. Pinaud, K. Brousse, R. Laloo, V. Turq, M. Respaud, A. Demortiere, B. Daffos, P. L. Taberna, B. Chaudret, Y. Gogotsi, P. Simon: On-chip and freestanding elastic carbon films for micro-supercapacitors. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aad3345.
P. Huang, C. Lethien, S. Pinaud, K. Brousse, R. Laloo, V. Turq, M. Respaud, A. Demortiere, B. Daffos, P. L. Taberna, B. Chaudret, Y. Gogotsi, P. Simon: On-chip and freestanding elastic carbon films for micro-supercapacitors. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aad3345.