- Los nanotubos de carbono son estructuras de carbono casi atómicamente delgadas: solo 1-1.2 nanómetros de espesor.
- Los nanotubos de carbono "puros" son un poderoso semiconductor, uno que puede competir con el silicio para la integración en microprocesadores.
- Hoy, los científicos revelaron un microprocesador de 16 bits construido a partir de todos los nanotubos de carbono, empujándonos un paso más cerca de integrarlos en las computadoras del mundo real.
El carbono no es sólo el material del que está hecha la vida, también es el material sobre el que se está construyendo nuestro futuro.
El carbono, un elemento versátil que frecuentemente intercambia sus electrones para crear varias formas de sí mismo, ha ganado una excelente reputación en tecnología gracias a la exitosa exfoliación de grafeno, una lámina de carbono que tiene un solo átomo de espesor y tiene propiedades químicas notables.
Pero los nanotubos de carbono, una especie de primo del grafeno, han estado ocupándose silenciosamente de su propio lugar en el mundo de la ciencia de los materiales.
Un papel en Naturaleza anunció hoy un gran paso para los nanotubos de carbono: se han integrado con éxito en un chip de 16 bits, uno que envió el mensaje "¡Hola, mundo! Soy RV16XNano, hecho de CNT". ¡Hola Mundo! es un tropo informático que se remonta al menos a la década de 1970.
"Los nanotubos de carbono han sido un material prometedor para la electrónica de próxima generación durante casi dos décadas", dice Max Shulaker, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en el MIT y autor principal del artículo. "Pero siempre ha habido una desconexión gigante entre la promesa de los nanotubos de carbono y la capacidad de construir un sistema de trabajo real a partir de ellos".
¿Qué son los nanotubos de carbono?
Shulaker et al.
Si el grafeno es una lámina de carbono de un átomo de espesor, los nanotubos de carbono son una especie de versión enrollada de grafeno. Son ligeros y fuertes como el acero. Pero lo más relevante para los científicos de materiales, son un semiconductor casi perfecto.
Un semiconductor es un material que puede conducir electricidad, pero que también puede apagarse. Esto está integrado en el propio material y depende de la temperatura. El semiconductor más famoso es el silicio, cuya capacidad para encender y apagar contiene los estados binarios que componen la informática moderna.
Los nanotubos de carbono son importantes porque son de pequeño tamaño, nuevamente, en algunos casos, hasta un par de átomos, los convierte en un semiconductor compacto que podría, a medida que pasa el tiempo, hacer transistores cada vez más pequeños en microprocesadores, lo que lleva a computadoras aún más potentes. .
¿Cómo se hacen los nanotubos de carbono?
Al carbono le gusta ensamblarse en varias formas. Por ejemplo, bajo alta presión, el carbono se organizará en un diamante. Del mismo modo, los nanotubos de carbono también se cultivan bajo presión.
Esencialmente, el grafito, una forma bastante común de carbono, se coloca en un horno a alta presión y alta temperatura. Se bombea gas helio a la cámara y se añaden ciertos metales como catalizadores. A medida que el carbono arde, produce hollín. Dentro de este hollín hay nanotubos.
Pero no son necesariamente puro nanotubos, al menos no siempre. Para construir un chip, Shulaker y su equipo necesitaban nanotubos de carbono que fueran solamente semiconductores Pero los nanotubos de carbono impuros pueden asumir las propiedades de los metales, cuya conductancia no se puede desactivar.
"Puedes lograr que el 99,99% de las CNT sean semiconductoras, pero es casi imposible llevar ese porcentaje al 100% ", dice.
Pero afortunadamente, hay una manera de separar este trigo científico de la irritación.
"La mejor manera de obtener el grupo más puro de nanotubos de carbono es obtenerlos en forma de solución", dice Christian Lau, uno de los asistentes de investigación graduados de Shulaker. Entonces, el equipo tomó los nanotubos del horno y los colocó en una solución que separa los nanotubos "metálicos" de los semiconductores. Luego se aplica un polímero para ayudar a exfoliar más imperfecciones.
A partir de ahí, están listos para ser ensamblados en la electrónica de trabajo.
¿Cómo se convierten los nanotubos en un chip?
Shulaker et al.
Una vez que los nanotubos se separan, se pueden colocar sobre un sustrato, la superficie que los mantiene en su lugar, y se pueden construir en un chip completamente funcional. Las agrupaciones de nanotubos en sustratos pueden integrarse juntas para construir el dispositivo más grande. Este no es el primer microprocesador de nanotubos de carbono que se construye, pero es el más complejo. Un dispositivo anterior, por ejemplo, tenía 178 transistores. Este chip de 16 bits tiene más de 14,000. Los procesadores de computadora modernos tienen miles de millones de transistores en el interior, incluso en chips de teléfonos inteligentes, por lo que los nanotubos de carbono todavía tienen un largo camino por recorrer.
Pero debido a su tamaño compacto, los componentes informáticos de nanotubos podrían integrarse con componentes de silicio en el futuro, mejorando las velocidades y reduciendo el tamaño de los chips. Los nanotubos de carbono también pueden ser empujados a estados superconductores a temperaturas más bajas, lo que los hace más eficientes energéticamente que el silicio.
Entonces, ¿los nanotubos de carbono solo son buenos para las computadoras?
Los nanotubos de carbono son muy emocionantes para los investigadores porque son alcances potenciales más allá de la informática. Además de construir componentes informáticos de menor escala, los nanotubos metálicos pueden cumplir su propio propósito, reemplazando el cobre en algunas aplicaciones donde se necesita un conductor potente.
También se pueden integrar en baterías de iones de litio, que actualmente dependen de grafito y, cada vez más, de grafeno en los electrodos. Como resultado, se ha demostrado que en algunos casos duplican la capacidad de almacenamiento de las baterías.
También se pueden usar como componentes en células solares, en dispositivos biomédicos y en materiales compuestos, donde su resistencia y peso se convierten en un activo para construir materiales duraderos y livianos.
Entonces, ¿cuándo comienza el futuro de los nanotubos de carbono?
El equipo de Shulaker está trabajando con DARPA y compañías como Analog Devices (que, a diferencia de su nombre, construye semiconductores de vanguardia para la computación digital), ampliando el microprocesador y haciendo uso de la fundición de tecnología SkyWater para construir un procesador a mayor escala en el exterior. el laboratorio.
En los microprocesadores de silicio, la Ley de Moore —la velocidad y potencia de los procesadores se duplica casi cada dos años— siempre ha estado en vigencia. A algunos les preocupa que estemos llegando al final de lo que el silicio puede proporcionar.
Pero para los nanotubos de carbono, el límite aún no se ha descubierto.
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