Un experimento muestra cómo varía la resistencia eléctrica en los nanotubos
En 1948 Walter Brattain, John Bardeen y William Shockley inventaron el transistor. La mecánica cuántica había descrito previamente cómo las propiedades conductoras de los materiales semiconductores podían ser modificadas mediante la inclusión de dopantes. Gracias a este estudio fundamental fue posible la invención del transistor. Años después comenzó el proceso de integración: primero fueron cientos, luego miles y así hasta llegar a las decenas de millones de transistores que incorporan los modernos microprocesadores. El transistor es por tanto un ejemplo perfecto de cómo la combinación de ciencia básica y tecnología introduce cambios revolucionarios en nuestra sociedad.
En 1991 el científico japonés Sumio Iijima identificó una nueva estructura molecular al estudiar compuestos de carbono con un microscopio electrónico; a esta nueva estructura se le denominó nanotubo de carbono. Para visualizar un nanotubo simple de carbono se puede comenzar por imaginarse una lámina de grafito larga, plana y estrecha. En esta lámina los átomos de carbono se disponen en los vértices de una estructura en forma de panal de abeja. Si esta lámina se pliega para formar un cilindro se obtiene un nanotubo de carbono. El diámetro de un nanotubo de carbono puede variar desde 0,5 nanómetros (hacen falta un millón de nanometros para formar un milímetro) hasta unos 3 o 4 nanómetros y su longitud puede llegar a ser de varias micras.
Los nanotubos son mucho más sensibles que los semiconductores a los defectos
Poco tiempo después de haber sido aislados, se descubrió que los nanotubos de carbono presentaban propiedades mecánicas y eléctricas interesantes. Respecto al transporte de corriente eléctrica, se demostró que un nanotubo puede ser conductor o semiconductor dependiendo de cómo se realice el plegamiento de la lámina de grafito. Esta propiedad indujo a pensar en la posibilidad utilizar en el futuro nanotubos como componentes básicos de los transistores. Debido a las dimensiones nanométricas de los nanotubos de carbono, se podrían introducir un número enorme de transistores en un microprocesador. Pero antes de llegar al proceso de integración, las propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono deben ser entendidas en detalle.
En el trabajo que en el mes de julio aparece publicado en Nature Materials hemos intentado responder a una pregunta básica cuando se analiza cualquier material conductor: ¿cómo varía la resistencia eléctrica de un nanotubo cuando se introducen defectos en su estructura? Los defectos han sido introducidos externamente bombardeando con iones de argón; estos iones al chocar con el nanotubo a una velocidad de decenas de miles de metros por segundo arrancan átomos de carbono del nanotubo, dejando vacantes en su estructura (véase figura). Para realizar las medidas de resistencia eléctrica se ha utilizado un microscopio de fuerzas atómicas. Este microscopio funciona midiendo la deflexión de una pequeña palanca en cuyo extremo se ha colocado una punta conductora muy afilada. Con este microscopio primero se visualiza el nanotubo y, contactando con la punta a lo largo de su longitud, se puede medir la resistencia eléctrica.
Nuestros experimentos demuestran que la resistencia del nanotubo con vacantes crece exponencialmente con su longitud mientras que en un conductor normal (un hilo de cobre, por ejemplo) la resistencia crece linealmente con la longitud. Mediante un análisis combinado teoría-experimento, hemos demostrado que esa dependencia exponencial hace que la resistencia eléctrica en el nanotubo sea extremadamente sensible a la cantidad de defectos y que la presencia de tan sólo un 0,03% de vacantes sea capaz de incrementar la resistencia eléctrica de un nanotubo de 400 nanómetros de longitud en más de mil veces. Este hallazgo podría permitir modificar a voluntad la resistencia en un nanotubo mediante la inclusión controlada de defectos, de manera análoga a como se hace actualmente en los materiales semiconductores. Desde un punto de vista fundamental, la extremada sensibilidad a la presencia de defectos es consecuencia del carácter cuasi-unidimensional del nanotubo y del comportamiento mecano-cuántico (ondulatorio) de los electrones dentro de él. Cuando un electrón rebota contra un defecto interfiere destructivamente, produciéndose una reducción en el flujo de electrones y por tanto un aumento en la resistencia. Este proceso de interferencia destructiva es mucho más acusado cuanto más estrecho es el canal por el que discurren los electrones (como en un nanotubo) y cuantos más defectos tiene el sistema.
Totalmente español
En ciencia, tanto el factor humano como el tecnológico son importantísimos para obtener buenos resultados científicos. En este caso el equipo de investigadores estaba compuesto por seis miembros de la Universidad Autónoma de Madrid (Cristina Gómez, Blanca Biel, Pedro de Pablo, Fernando Flores y los autores de este artículo) más un investigador de la Universidad del País Vasco (Angel Rubio). Respecto a la parte tecnológica, el microscopio ha sido íntegramente diseñado y construido en España por la compañía Nanotec Electrónica S.L., una empresa surgida de la Universidad Autónoma de Madrid y que es un pequeño ejemplo de cómo la inversión en investigación puede revertir de manera positiva en la sociedad.
Francisco José García Vidal y Julio Gómez Herrero son profesores de la Universidad Autónoma de Madrid.
