El avance tecnológico reside especialmente en la forma en la que se ha construido el mapa. Según comentaba Urs Duerig, uno de los ingenieros del proyecto en IBM; “Encontramos la posibilidad de hacer formas en 3D mediante la eliminación de material en lugar de añadidos en capas superiores, es como los antiguos egipcios cuando cincelaban en placas de piedra. Aquí tenemos el equivalente, pero en la nano escala”.

Una diminuta punta de silicio implementada en un resalte se calienta a medida que se acerca a un sustrato de polímero. Mediante el tratamiento a través de una determinada fuerza y temperatura en el polímero, el material puede adaptarse a la forma y características deseadas. En este caso, el mapa de la Tierra en 3D fue fabricado en tan solo dos minutos y 23 segundos.

El equipo de ingenieros de IBM crearon a su vez un modelo a escala del Cervino, la montaña más conocida de los Alpes por su espectacular forma de pirámide, que ha sido incluso imitada en Disneylandia. La famosa montaña se recreó en cristal molecular, llegando a 25 nanómetros de alto, a una escala de 1 a 5 mil millones.

Los resultados del proyecto fueron divulgados en las revistas Advanced Materials and Science.

El desarrollo de largos nanocables de platino por parte de un equipo de ingenieros de la Universidad de Rochester pronto podría conducir al desarrollo de células de combustible comercialmente viables. Los nuevos cables pueden proporcionar un aumento significativo tanto en la longevidad como en la eficiencia de las pilas de combustible, que hasta ahora han sido utilizadas principalmente para fines muy específicos tales como la alimentación de naves espaciales.

Estos nanocables implementados en las pilas de combustible podrían ofrecer energía a muchos tipos de vehículos, ayudando a reducir el uso de combustibles derivados del petróleo en el transporte, de acuerdo con James CM Li, director del proyecto y profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Rochester.

Muchos ingenieros y científicos han estado trabajando en el desarrollo de pilas de combustible desde hace décadas, sin embargo, todas las tecnologías descubiertas aún no se comercializan. El platino es caro, y el enfoque estándar para su utilización en pilas de combustible está lejos de ser ideal. Estos nuevos nanocables son un paso clave hacia una mejor solución.

Los nanocables de platino diseñados por el equipo de Rochester, tienen aproximadamente diez nanómetros de diámetro y algunos centímetros de longitud, creando el primer auto-soporte en una red de platino puro que puede servir como electrodo en una pila de combustible. Existen nanocables muchos más cortos que ya han sido utilizados en una variedad de tecnologías, como sensores a nanoescala y nanocomputadoras. Para ello se emplea un proceso conocido como electrospinning, una técnica usada para producir fibras sólidas largas ultra-delgadas. A través de ésta técnica fueron capaces de crear nanocables de platino miles de veces más pequeños que los anteriores.

Dentro de una pila de combustible el catalizador facilita la reacción del hidrógeno y del oxígeno, separando el combustible de hidrógeno comprimido en los electrones e iones de hidrógeno ácido. Los electrones son dirigidos a través de un circuito externo al suministro de energía, mientras que los iones de hidrógeno se combinan con los electrones y el oxígeno pasa a formar el “residuo” del producto, generalmente líquido o en vapor de agua.

El platino ha sido el principal material utilizado para la elaboración de catalizadores de pilas de combustible debido a su capacidad para soportar los duros ambientes ácidos en el interior de la pila de combustible. Su eficiencia energética también es sustancialmente mayor que los más baratos de los metales como el níquel.

Los esfuerzos anteriores en la mejora de catalizadores se han basado en gran medida en las nanopartículas de platino con el fin de maximizar la superficie expuesta de platino. La idea básica es simple: Cuanto mayor sea la superficie, mayor será la eficiencia. Pero esto tiene ciertos problemas de enfoque, las nanopartículas están vinculadas a los altos costos del platino.

En primer lugar, las partículas individuales, a pesar de ser sólidas, pueden tocar una a la otra a través del proceso de fusión de la superficie de difusión, que combina la reducción de su superficie total junto a la energía. Como la superficie disminuye, lo mismo ocurre con la tasa de catálisis en el interior de la pila de combustible.

En segundo lugar, las nanopartículas de carbono requieren de una estructura de apoyo en su lugar. Lamentablemente, las partículas de platino no se adjuntan particularmente bien a estas estructuras de carbono, estando sujeto a oxidación y, por tanto, a la degradación. Como el carbono se oxida con el tiempo, más y más partículas se desprenden y se pierden definitivamente.

Los nuevos nanocables evitan por completo estos problemas, con el platino dispuesto en una serie concreta a lo largo, con características flexibles, finas y uniformes, acepta a las partículas que se fijan en su lugar y no necesitan de un apoyo adicional. El platino ya no pierde eficiencia durante la operación normal de una célula de combustible.

La razón por la cual anteriormente no se ha llegado a este tipo de nanocables es debido a su dificultad de concepto, los parámetros que afectan a la morfología de los cables son muy complejos y, cuando no son lo suficientemente largos, se comportan de la misma forma como las nanopartículas.

Uno de los principales desafíos a los que se enfrentó el equipo de ingenieros fue superar la reducción de la formación de bolas de platino a lo largo de los nanocables. Sin condiciones óptimas, a lo largo del cable acaba finalmente tomando forma de lo que se parece más a una serie de perlas intercaladas en un collar. Debido a que el platino es bastante caro, es muy importante que no se produzca ningún residuo a la hora de ejecutar una pila de combustible.

El actual objetivo del equipo de investigadores es optimizar las condiciones en el laboratorio para obtener un menor número de bolas, e incluso desarrollar nanocables de manera más uniforme. Posteriormente, enfocarán sus esfuerzos en hacer una pila de combustible y demostrar de lo que esta tecnología es capaz.

Más información: Universidad de Rochester

Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts han investigado las estructuras de proteínas en base a materiales con el propósito de aprender la clave en el desarrollo de nuevos productos ligeros, y de robusta fuerza. Recientemente descubrieron que el enlace de las proteínas que producen los materiales resistentes no responde al vínculo de la mayoría redundantemente incorporada o del más complicado patrón empleado en la actualidad. En cambio, la disposición óptima de proteínas descubierta se basa en cadenas, respondiendo a un patrón de dos grupos de cuatro bloques de proteínas alfa-helicoidal.

Esta composición de dos jerarquías repetidas (grupos y bloques) proporciona una gran fuerza, la capacidad de soportar presión mecánica sin que se desforme, presentando una gran robustez. Debido a que la proteína alfa-helicoidal sirve como piedra angular de muchos materiales comunes, la comprensión de las propiedades de estos materiales han sido objeto de una intensa investigación científica desde el descubrimiento de la proteína en la década de 1940.

En un artículo publicado en línea el 27 de enero en la revista Nanotechnology, Markus Buehler y Theodor Ackbarow describen el modelo de desempeño de la proteína, sobre la base de simulaciones de dinámica molecular. Con su modelo se puso a prueba la fortaleza y solidez de las cuatro diferentes combinaciones de ocho proteínas alfa-helicoidal: un solo grupo de ocho proteínas, dos grupos de cuatro bloques de proteínas, cuatro grupos de dos bloques de proteínas, y el doble de dos bloques de grupos de proteínas. Basando sus modelos moleculares en un comportamiento realista, incluyeron cadenas de formación de hidrógeno en cadenas enrolladas en las proteínas alfa-helicoidal.

“La forma tradicional de diseñar materiales es examinar las propiedades a nivel macro, pero una manera más eficiente en el diseño de los materiales es jugar con el maquillaje estructural a nanoescala”, decía Buehler, profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental en el MIT. “Esto proporciona un nuevo paradigma en la ingeniería que nos permite diseñar nuevas clases de materiales”.

Cada vez con más frecuencia, las proteínas en materiales naturales se utilizan como inspiración para el diseño de materiales sintéticos que se basan en nanocables y nanotubos de carbono, que pueden ser fabricados para ser mucho más fuertes que los materiales biológicos. Buehler Ackbarow demuestra que la labor de reorganizar el mismo número de elementos en jerarquías a la nanoescala, hacen que un material pueda ser cambiado radicalmente. Esto podría eliminar la necesidad de inventar nuevos materiales enfocados diferentes aplicaciones.

En un estudio de seguimiento realizado por Buehler, Zhao Qin y Steve Cranford, llevaron a cabo pruebas similares en las que utilizaron más de 16.000 elementos en lugar de ocho. Ellos encontraron que el 98 por ciento de los cables dispuestos al azar, hacia que las estructuras no cumpliesen con un rendimiento óptimo al nivel de auto-ensamblado de moléculas naturales, que constituyen el otro 2 por ciento de las estructuras.

Este análisis muestra que los encajes al azar de los elementos típicos conducen a resultados inferiores, y puede explicar por qué muchos materiales en ingeniería todavía no son capaces de combinar diferentes propiedades tales como la solidez y fortaleza. “Sólo unas pocas colocaciones nanoestructuradas constituyen la base material para un óptimo rendimiento, y esto debe ser incorporado en el proceso de diseño de materiales”, decía Buehler.

Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Más información: Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT

Un desafío clave de la investigación en nanotecnología está en conocer cómo se comportan los diferentes materiales con longitudes de sólo “una milmillonésima de un metro”. Cuando se reduce a esos diminutos tamaños, muchos materiales de la vida cotidiana muestran nuevas propiedades interesantes y potencialmente beneficiosas. Ahora un grupo de ingenieros de Rensselaer han descubierto nuevas nanoestructuras híbridas que podrían allanar el camino hacia nuevos dispositivos de almacenamiento de datos, así como mejoras en sistemas de suministros farmacológicos.

El comportamiento magnético es un tipo de fenómeno que pueden cambiar significativamente dependiendo del tamaño del material. Sin embargo, el gran reto de la observación de las propiedades magnéticas de materiales a nanoescala ha impedido un estudio más profundo del tema.

Los investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer han desarrollado y demostrado un nuevo método para detectar el comportamiento magnético de los nanomateriales. Para ello crearon un nuevo proceso en la creación de una única multi-capa de nanotubos de carbono que se encuentra incrustado con nanoestructuras de cobalto. Las agrupaciones de cobalto tienen medidas que oscilan entre 1 y 10 nanómetros.

Después de una serie de experimentos, el equipo de ingenieros ha llegado a la conclusión de que la conductividad eléctrica de los nanotubos de carbono es lo suficientemente sensible para detectar y ser afectado por trazas de actividad magnética, como los presentes en el cobalto incorporado en las nanoestructuras. Con ello se demostró en primera instancia la detección de campos magnéticos de estos pequeños imanes individuales mediante un nanotubo de carbono.

Los resultados completos del estudio se detallan en un artículo titulado; “Detección de la actividad magnética a nanoescala a través de un único nanotubo de carbono”, recientemente publicado por la revista “Nano Letters”.

Dado que los grupos de cobalto en este sistema están incrustados en el interior del nanotubo más que en la superficie, esto no causa la dispersión de electrones y, por tanto, no parecen afectar al atractivo de las propiedades conductoras de acogida de nanotubos de carbono. Desde un punto de vista genérico, estas nanoestructuras híbridas pertenecen a una nueva clase de materiales magnéticos.

Estas nuevas nanoestructuras híbridas abren nuevas vías de investigación únicas en física aplicada, allanando así el camino para una mayor funcionalidad en nanotubos de carbono utilizando la electrónica magnética con un gran grado de libertad, pudiendo dar lugar a importantes aplicaciones espintrónicas.

Las posibles aplicaciones de este material con las nuevas generaciones de sensores de conductividad a nanoescala, dará lugar a nuevos avances en dispositivos de almacenamiento digital, además de un mayor desarrollo de la espintrónica, que ofrecerá nuevas aplicaciones en campos médicos.

Más información: Instituto Politécnico Rensselaer

Imagine un teléfono móvil auto-alimentado que nunca necesita ser cargado, ya que convierte las ondas sonoras producidas por el usuario en la energía que necesita para seguir funcionando. Esta idea no es tan descabellada como puede parecer gracias a un equipo de ingenieros de la Universidad de Texas dirigidos por el profesor Cagin Tahir, del Departamento de Ingeniería Química, cuya investigación revolucionará el campo de la auto-alimentación en dispositivos.

Utilizando materiales conocidos en los círculos científicos como “piezoeléctricos”, el grupo de investigación se centró en el campo de la nanotecnología, realizando un importante descubrimiento en el área de la captación de energía, un campo que tiene por objeto desarrollar dispositivos auto-alimentados que no requieran de un suministro de energía reemplazable, por ejemplo, como las baterías.

En concreto, el profesor Cagin y sus socios de la Universidad de Houston descubrieron que un cierto tipo de material piezoeléctrico puede encubrirse de la energía en un 100 por ciento de aumento cuando son fabricados en un tamaño muy pequeño, en este caso, alrededor de 21 nanómetros de espesor. Es más, cuando los materiales se construyen más grandes o más pequeños de este tamaño, muestra una disminución significativa de energía en su capacidad de conversión.

Las conclusiones de la investigación, que se detallan en un artículo publicado este otoño en “Physical Review B”, la revista científica de la American Physical Society, hacen referencia los ingenieros que potencialmente podría tener profundos efectos positivos en dispositivos electrónicos auto-suficientes de baja potencia, como teléfonos móviles, computadoras portátiles, comunicadores personales y una serie de otros relacionados con los dispositivos de computadoras utilizados por todo el mundo, desde el consumidor medio a funcionarios encargados de hacer cumplir la ley e incluso soldados en el campo de batalla.

Muchos de estos dispositivos de alta tecnología contienen componentes que se miden en nanómetros, una microscópica unidad de medida que representa a una milmillonésima de un metro. Los átomos y las moléculas se miden en nanómetros, haciendo un cálculo un cabello humano tiene aproximadamente 100.000 nanómetros de ancho.

La duración de la batería sigue siendo una gran preocupación popular en los reproductores de mp3 y teléfonos móviles, que son requeridos para llevar a cabo un número cada vez mayor de funciones. Pero más allá de la mera conveniencia del consumidor, la libre alimentación en dispositivos son de un gran interés para varias agencias federales de seguridad.

La Agencia de Proyectos de Investigación de Defensa Avanzada, ha estudiado los métodos por el cual los soldados sobre el terreno pueden generar energía para sus equipos portátiles a través de simplemente el caminar. Y los sensores (tales como los utilizados para detectar explosivos), podrían beneficiarse en gran medida de una auto-alimentación, ofrenciendo una tecnología que reduciría la necesidad de pruebas y sustitución de baterías. Incluso los anti-disturbios de la policía, a través de ondas de sonido, tales como ondas de presión en gases, líquidos y sólidos podrían ser aprovechados para la auto-alimentación en nano y micro dispositivos del futuro si estos materiales son procesados y fabricados adecuadamente para este propósito.

La clave de esta tecnología, es su potencial piezoeléctrico, los cuales son materiales (por lo general, cristales o cerámica) que generan tensión, cuando alguna forma de estrés mecánico se aplica. Por el contrario, demuestran un cambio en sus propiedades físicas cuando se aplica un campo eléctrico. Las propiedades piezoeléctricas fue descubierta por científicos franceses en la década de 1880, por lo que no es un concepto nuevo, de hecho se utilizó por primera vez en los dispositivos de sonar durante la Primera Guerra Mundial. Hoy en día se pueden encontrar en los micrófonos, relojes de cuarzo y encendedores de cigarrillos en automóviles, en estos, al pulsar el botón causa un ligero impacto en un cristal piezoeléctrico que, a su vez produce suficiente tensión para crear una chispa y encender el gas.

Si bien los avances en las aplicaciones siguen evolucionando, el trabajo piezoeléctrico a nanoescala es un esfuerzo relativamente nuevo, con diferentes y complejos aspectos a considerar. Por ejemplo, imagine que el trabajo de un material con el tamaño y la forma de un teléfono es puesto a tratar con el mismo material del tamaño de un pelo, cuando este tipo significativo de cambio se produce en escala, los materiales reaccionan de manera diferente. En este caso, algo del tamaño de un cabello es mucho más flexible y susceptible a los cambios de su entorno. Estos tipos de cambios han de ser tenidos en consideración a la hora de llevar a cabo investigaciones a esta escala.

En la actualidad el equipo de ingenieros están estudiando las leyes básicas de la naturaleza como la física y tratando de aplicar en términos de desarrollo, mejores materiales y desempeño en la ingeniería, además de buscar productos químicos en las constituciones y las composiciones físicas, así como la forma de manipular estas estructuras a fin de que se pueda mejorar el rendimiento de estos materiales.

Más información: Texas A&M University

El buque insignia de los materiales basados en nanotecnología en los últimos 20 años han sido los nanotubos de carbono (CNTs). Los ingenieros lo han concebido para aplicaciones que van desde nanotubos para dispositivos microelectrónicos hasta el tratamiento contra el cáncer. Su estructura atómica debería, en teoría, ofrecer propiedades mecánicas y eléctricas muy superiores a los materiales más comunes.

Lamentablemente, la teoría y los experimentos no han podido converger en las verdaderas propiedades mecánicas de CNTs. Los ingenieros de la Universidad Northwestern recientemente han realizado la primera medición experimental de las propiedades mecánicas de los nanotubos de carbono que directamente corresponden a las predicciones teóricas.

Los nanotubos de carbono son estructuras cilíndricas por lo general con menos de 30 nanómetros de diámetro y varias micras de largo. Su pequeño tamaño hace que sean muy fuertes, pero al mismo tiempo son muy difíciles de poner a prueba a título individual, como resultado de ello, los experimentos suelen apartarse mucho de las predicciones basadas en la mecánica cuántica.

Como nos comentaba Horacio Espinosa, profesor de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Northwestern; “Las imágenes y resoluciones de medición, así como las ambigüedades estructurales atómicas (defectos), ocultan los resultados de la mayoría de los experimentos y siempre ofrecen poca fiabilidad en la predicciones mecánicas”.

El profesor Espinosa y su equipo de investigación en Northwestern, han resuelto estos problemas utilizando un ensayo con los materiales a nanoescala basados tecnológicamente en un sistema microelectromecánico (MEMS). Este sistema electrónico permite que las mediciones de carga y de desplazamiento durante una prueba, que se realiza dentro de un microscopio electrónico de transmisión, proporcione en tiempo real imágenes atómicas. Este método elimina toda ambigüedad en los resultados de las pruebas, ofreciendo seguridad en todas las cantidades medidas, resultando coincidente con las predicciones de la mecánica cuántica de una manera magnífica.

Los investigadores adicionalmente, también informaron en el mismo artículo de la revista “Nature”, la relación con el efecto de irradiación de electrones en estos materiales. Se podría pensar que la irradiación podría degradar la estructura atómica del material, pero los investigadores encontraron lo contrario. Irradiar un multi-recubrimiento de nanotubos de carbono con un intenso haz de electrones en realidad forman lazos entre las capas del tubo. Esto es como la combinación de múltiples nanotubos en uno para formar una estructura más fuerte.

Este fenómeno también se ha teorizado en el pasado, y la investigación confirma que las propiedades de los nanotubos de multi-recubrimiento puede ser fácilmente y controlablemente alterado por la radiación de electrones. El uso de simulaciones por ordenador de la estructura atómica de los nanotubos, dio la capacidad a los investigadores para aislar el mecanismo de refuerzo mediante la irradiación.

El mismo procedimiento utilizado para fortalecer los nanotubos individuales de multi-recubrimiento por irradiación puede también ser utilizado para unir los nanotubos individuales en un conjunto. Este mecanismo de “crosslinking” es un método prometedor para crear estructuras más largas de nanotubos. Cuando los nanotubos son embalados como conjunto, por lo general poseen muy débiles interacciones a lo largo de sus superficies; hilar una cuerda de nanotubos no sería casi tan fuerte como sus componentes a nanoescala. Sin embargo, la irradiación puede ser la clave para mejorar estas interacciones mediante la inducción de enlaces covalentes entre tubos. Si las propiedades de los nanotubos se pueden ampliar hasta la macroescala de cuerdas y fibras, pueden llegar a ser una opción viable para cualquier resolución de alta resistencia. Esto podría incluir grandes cables para aplicaciones en la industria o infraestructuras, así como pequeños hilos para tejidos ligeros, balísticos o armaduras de refuerzo compuesto.

Más información: Northwestern University