Tendencias Científicas
El investigador de IMDEA Nanociencia, Ramsés V. Martínez.
Ramsés V. Martínez es un investigador madrileño que actualmente trabaja en el Instituto de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA Nanociencia) de Madrid.
Formado en la Universidad Autónoma de la capital en física aplicada, ha trabajado en el CSIC, en la Universidad de Harvard y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, siempre investigando en el área de la fabricación de sistemas a escala “nano” (el nanómetro es una unidad de longitud que equivale a una mil millonésima parte de un metro).
Hace unos días, la revista Science publicaba un artículo sobre su último trabajo, realizado con colaboradores del IMDEA Nanociencia y de las universidades de Purdue y San Diego (en EEUU). En él, los investigadores han conseguido desarrollar un nuevo sistema de fabricación (bautizado como LSI) que permite crear cristales metálicos usando microexplosiones generadas por pulsos láser.
Estos cristales servirán para fabricar circuitos electrónicos para dispositivos móviles, tan “perfectos” como los cristales que algunos materiales forman en la naturaleza. Como resultado, los circuitos serán energéticamente más eficientes, tanto como para que no haya que preocuparse jamás de cargar baterías o que éstas puedan recargarse únicamente con la electricidad estática que generamos al caminar, aseguran los científicos.
En la actualidad, los dispositivos electrónicos cotidianos, como teléfonos móviles y ordenadores, funcionan con circuitos metálicos de superficie rugosa y bordes granulados, parecidos, bajo el microscopio, a nieve apelmazada. Estos circuitos son los responsables de que nuestros ordenadores y móviles se calienten tanto durante su funcionamiento, y de que su batería dure tan poco.
Ustedes han señalado en Science que su técnica permite fabricar elementos electrónicos como si fueran pasteles. ¿Cómo es eso posible?
Porque la LSI es una especie de máquina de estampar: Primero se coge una lámina de metal y se la pinta con grafito (que es una disolución de partículas de carbono). Esto se hace con un espray, en una de las caras de dicha lámina.
A continuación, se deposita la lámina sobre un sello con la forma del circuito (la parte sin pintar es la que se pone en contacto con el sello) y se coloca, sobre la parte pintada con grafito, un vidrio. Es decir, que se hace un sándwich con la lámina de metal, colocándola entre el sello y el vidrio.
Finalmente, se aplica a todo un pulso láser de unos pocos femtosegundos de duración y de alta potencia. El láser pasa a través del vidrio y sublima el grafito. Este, a su vez, al convertirse en gas, genera una onda de choque, ya que no tiene espacio para incrementar su volumen.
La presión del gas hace que se produzca un espachurramiento repentino de la lámina de metal contra el sello, lo que le otorga superplasticidad. De esta forma, se conforma el sello sin problemas, manteniendo su estructura cristalina.
Formado en la Universidad Autónoma de la capital en física aplicada, ha trabajado en el CSIC, en la Universidad de Harvard y en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, siempre investigando en el área de la fabricación de sistemas a escala “nano” (el nanómetro es una unidad de longitud que equivale a una mil millonésima parte de un metro).
Hace unos días, la revista Science publicaba un artículo sobre su último trabajo, realizado con colaboradores del IMDEA Nanociencia y de las universidades de Purdue y San Diego (en EEUU). En él, los investigadores han conseguido desarrollar un nuevo sistema de fabricación (bautizado como LSI) que permite crear cristales metálicos usando microexplosiones generadas por pulsos láser.
Estos cristales servirán para fabricar circuitos electrónicos para dispositivos móviles, tan “perfectos” como los cristales que algunos materiales forman en la naturaleza. Como resultado, los circuitos serán energéticamente más eficientes, tanto como para que no haya que preocuparse jamás de cargar baterías o que éstas puedan recargarse únicamente con la electricidad estática que generamos al caminar, aseguran los científicos.
En la actualidad, los dispositivos electrónicos cotidianos, como teléfonos móviles y ordenadores, funcionan con circuitos metálicos de superficie rugosa y bordes granulados, parecidos, bajo el microscopio, a nieve apelmazada. Estos circuitos son los responsables de que nuestros ordenadores y móviles se calienten tanto durante su funcionamiento, y de que su batería dure tan poco.
Ustedes han señalado en Science que su técnica permite fabricar elementos electrónicos como si fueran pasteles. ¿Cómo es eso posible?
Porque la LSI es una especie de máquina de estampar: Primero se coge una lámina de metal y se la pinta con grafito (que es una disolución de partículas de carbono). Esto se hace con un espray, en una de las caras de dicha lámina.
A continuación, se deposita la lámina sobre un sello con la forma del circuito (la parte sin pintar es la que se pone en contacto con el sello) y se coloca, sobre la parte pintada con grafito, un vidrio. Es decir, que se hace un sándwich con la lámina de metal, colocándola entre el sello y el vidrio.
Finalmente, se aplica a todo un pulso láser de unos pocos femtosegundos de duración y de alta potencia. El láser pasa a través del vidrio y sublima el grafito. Este, a su vez, al convertirse en gas, genera una onda de choque, ya que no tiene espacio para incrementar su volumen.
La presión del gas hace que se produzca un espachurramiento repentino de la lámina de metal contra el sello, lo que le otorga superplasticidad. De esta forma, se conforma el sello sin problemas, manteniendo su estructura cristalina.
Circuito cristalino fabricado en oro, pirámides de plata de filo nanométrico y nanotuercas cristalinas de aluminio fabricadas con la técnica LSI. Imagen: Huang Gao, Gary J. Cheng, Ramses V. Martinez et al. Fuente: Science/Sinc.
¿Esto no se había hecho nunca?
La fabricación de nanoestructuras metálicas cristalinas había sido, hasta ahora, imposible de realizar (por eso se ha publicado nuestro trabajo en Science).
Si aplicas presión sobre un metal contra un sello, destruyes el sello (pues el metal es más duro que el sello). Si calentabas el metal primero y luego lo espachurrabas contra el sello, metal y sello quedaban soldados.
El descubrimiento clave para esta invención ha sido la "inducción de superplasticidad mediante microexplosiones" pues, que yo sepa, hasta la fecha no se había sabido como generar estas explosiones sin que estas aumentaran en demasía la temperatura del metal (que con la LSI se mantiene frio en todo momento, para evitar su soldadura con el sello).
¿Mejorará este sistema el rendimiento energético de los dispositivos electrónicos?
Al menos dos órdenes de magnitud de mejoría en el consumo energético pueden esperarse al utilizar LSI para generar circuitos eléctricos. La velocidad de respuesta de los dispositivos creados por LSI debería sufrir un incremento similar al consumo, pero en un circuito siempre se es esclavo del componente más lento; por ello, no puedo concretar. Circuitos simples aumentarán su velocidad más que otros más complejos.
Es importante mencionar que aplicaciones que requieren altos voltajes, a día de hoy, podrán beneficiarse de estas mejorías y requerir tan solo decenas de voltios para funcionar. La miniaturización de estos componentes será asombrosa, al no necesitar de las grandes y pesadas fuentes de HV que actualmente son imprescindibles.
¿Está el futuro de la electrónica en la nanotecnología?
Sin lugar a dudas. La gran demanda de prestaciones que exigimos a nuestros componentes electrónicos cotidianos (desde móviles a ordenadores) requiere de circuitos complejos que deben funcionar con poco voltaje (para que las baterías duren más) y tan rápido como sea posible. La nanotecnología hace posible aplicar estas mejoras en electrónica, al miniaturizar los circuitos.
¿Cuál es el principal desafío al que se enfrentan en este campo?
Aún cuando esta técnica funciona para metales, los circuitos eléctricos contienen muchos otros componentes, como semiconductores y cerámicas resistivas. Ahora es necesario la integración de estos otros componentes en paralelo.
Para este trabajo, ustedes afirman haber “imitado a la naturaleza” –en concreto, a los cristales que la naturaleza genera-. ¿Ha probado a imitar a la naturaleza en otros proyectos o con otros fines?
Mi investigación se centra en el desarrollo de nuevos materiales. En el pasado imitamos a la naturaleza al fabricar tentáculos robóticos similares a los de un pulpo. También en la fabricación de dispositivos microfluídicos de diagnóstico. En este caso, emulamos el efecto omnifóbico presente en las hojas de la flor de loto.
¿Qué proyectos desarrollará en adelante en IMDEA Nanociencia?
En el futuro continuaré desarrollando materiales avanzados en colaboración con la Universidad de Purdue. Específicamente, me centraré en el desarrollo de nuevos circuitos implantables biocompatibles, con capacidad para monitorizar el estado de salud de los pacientes, desde dentro de ellos mismos. La información recogida por estos circuitos será enviada al exterior del cuerpo via wireless.
La fabricación de nanoestructuras metálicas cristalinas había sido, hasta ahora, imposible de realizar (por eso se ha publicado nuestro trabajo en Science).
Si aplicas presión sobre un metal contra un sello, destruyes el sello (pues el metal es más duro que el sello). Si calentabas el metal primero y luego lo espachurrabas contra el sello, metal y sello quedaban soldados.
El descubrimiento clave para esta invención ha sido la "inducción de superplasticidad mediante microexplosiones" pues, que yo sepa, hasta la fecha no se había sabido como generar estas explosiones sin que estas aumentaran en demasía la temperatura del metal (que con la LSI se mantiene frio en todo momento, para evitar su soldadura con el sello).
¿Mejorará este sistema el rendimiento energético de los dispositivos electrónicos?
Al menos dos órdenes de magnitud de mejoría en el consumo energético pueden esperarse al utilizar LSI para generar circuitos eléctricos. La velocidad de respuesta de los dispositivos creados por LSI debería sufrir un incremento similar al consumo, pero en un circuito siempre se es esclavo del componente más lento; por ello, no puedo concretar. Circuitos simples aumentarán su velocidad más que otros más complejos.
Es importante mencionar que aplicaciones que requieren altos voltajes, a día de hoy, podrán beneficiarse de estas mejorías y requerir tan solo decenas de voltios para funcionar. La miniaturización de estos componentes será asombrosa, al no necesitar de las grandes y pesadas fuentes de HV que actualmente son imprescindibles.
¿Está el futuro de la electrónica en la nanotecnología?
Sin lugar a dudas. La gran demanda de prestaciones que exigimos a nuestros componentes electrónicos cotidianos (desde móviles a ordenadores) requiere de circuitos complejos que deben funcionar con poco voltaje (para que las baterías duren más) y tan rápido como sea posible. La nanotecnología hace posible aplicar estas mejoras en electrónica, al miniaturizar los circuitos.
¿Cuál es el principal desafío al que se enfrentan en este campo?
Aún cuando esta técnica funciona para metales, los circuitos eléctricos contienen muchos otros componentes, como semiconductores y cerámicas resistivas. Ahora es necesario la integración de estos otros componentes en paralelo.
Para este trabajo, ustedes afirman haber “imitado a la naturaleza” –en concreto, a los cristales que la naturaleza genera-. ¿Ha probado a imitar a la naturaleza en otros proyectos o con otros fines?
Mi investigación se centra en el desarrollo de nuevos materiales. En el pasado imitamos a la naturaleza al fabricar tentáculos robóticos similares a los de un pulpo. También en la fabricación de dispositivos microfluídicos de diagnóstico. En este caso, emulamos el efecto omnifóbico presente en las hojas de la flor de loto.
¿Qué proyectos desarrollará en adelante en IMDEA Nanociencia?
En el futuro continuaré desarrollando materiales avanzados en colaboración con la Universidad de Purdue. Específicamente, me centraré en el desarrollo de nuevos circuitos implantables biocompatibles, con capacidad para monitorizar el estado de salud de los pacientes, desde dentro de ellos mismos. La información recogida por estos circuitos será enviada al exterior del cuerpo via wireless.
Referencia bibliográfica:
Huang Gao, Gary J. Cheng, Ramses V. Martinez et al. Large-scale nanoshaping of ultrasmooth 3D crystalline metallic structures. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1260139.
Huang Gao, Gary J. Cheng, Ramses V. Martinez et al. Large-scale nanoshaping of ultrasmooth 3D crystalline metallic structures. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1260139.
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