‘Nanoestructuras’ para crear circuitos hasta cien veces más eficientes

Una nueva técnica de nanomoldeado, desarrollada con participación española, permite crear estructuras cristalinas metálicas con propiedades revolucionarias para la fabricación de dispositivos electrónicos.

Gracias a una combinación de moldes de silicio y un sistema de microexplosiones inducidas por láser, esta nueva técnica permite la fabricación a gran escala de cristales metálicos. Estos materiales tienen propiedades potencialmente revolucionarias al permitir la producción de circuitos electrónicos con eficiencias energéticas hasta cien veces superiores a las actuales. Esto permitiría crear nuevos dispositivos que apenas necesitarían carga, y la miniaturización sin precedentes de ciertas aplicaciones que hasta ahora necesitan muy altos voltajes.

Este nuevo método de producción de nanoestructuras ha sido desarrollado por científicos de IMDEA Nanociencia (España) y de las universidades de Purdue y San Diego (EEUU), quienes lo han presentado en un artículo publicado por la revista Science.

“El descubrimiento clave fue la inducción de superplasticidad mediante microexplosiones, pues hasta ahora no se sabía cómo generar estas explosiones sin aumentar demasiado la temperatura del metal”, explica Ramsés V. Martínez, investigador de IMDEA Nanociencia y uno de los autores del artículo.

Los circuitos actuales son los responsables de que los ordenadores y móviles de hoy en día se calienten

Actualmente, la mayor parte de los circuitos electrónicos se fabrican haciendo pasar una fina lluvia de partículas de metal líquido a través de una máscara con la forma del circuito, como si se hiciera un grafiti usando una plantilla. Esta técnica de fabricación produce circuitos imperfectos que, vistos al microscopio, presentan superficies rugosas y bordes granulados. Estos circuitos al gotelé ofrecen resistencia al paso de la corriente eléctrica y son los responsables de que los ordenadores y móviles de hoy en día se calienten tanto durante su funcionamiento, y de que su batería dure tan poco.

Este problema podría solucionarse con el uso de nanoestructuras metálicas cristalinas, que presentan bordes lisos y superficies sin defectos, con lo que son mejores conductores, pero no se habían podido producir en el laboratorio. “La fabricación de nanoestructuras metálicas cristalinas ha sido imposible hasta ahora, porque no podíamos introducir los metales en el molde a temperatura ambiente sin romper el molde, y si calentábamos el metal primero, este acababa fundido al molde”, explica Martínez.

Este mismo método puede emplearse en la fabricación de metamateriales, es decir, materiales cuyas superficies están recubiertas de una serie de patrones o formas de tamaño nanométrico (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro). Estas formas incluyen nanopirámides, engranajes, barras o surcos miles de veces más finos que el grosor de un cabello humano y que resultan inapreciables a simple vista.

“Estas nanoestructuras tienen unas superficies extremadamente lisas, lo cual es potencialmente muy ventajoso para aplicaciones comerciales”, ha explicado Gary Cheng, profesor de ingeniería industrial en la Universidad de Purdue. “Para las aplicaciones potenciales de esta tecnología, necesitamos propiedades como alta precisión, baja pérdida electromagnética y gran conductividad térmica y eléctrica. Antes de este método era muy difícil encontrar todas estas propiedades en un mismo material”.

Esta nueva técnica de nanofabricación, denominada LSI por sus siglas en inglés (Laser Shock Imprint), usa un molde de silicio con la forma final del circuito para generar las nanoestructuras, igual que en repostería se usan moldes para dar forma a los pasteles. La dificultad radica en hacer que el metal entre en el molde, pues para ello habría que fundirlo y solidificarlo muy rápidamente, a fin de evitar que molde y metal quedaran soldados irreversiblemente.

La técnica LSI induce en el metal un estado de la materia conocido como “superplasticidad”, que permite al metal deformarse para tomar la forma del molde de silicio sin adherirse a él.

En un futuro cercano, permitirá la creación de pantallas táctiles cubiertas con nanoestructuras, capaces de interaccionar con la luz y generar imágenes en 3D

Para conseguirlo se sitúa una fina capa de metal sobre el molde y se recubre con grafito. Este sandwich se tapa a su vez con una lámina de vidrio. A continuación se dispara un pulso láser de alta potencia que pasa a través del vidrio y sublima el grafito. La sublimación del grafito causa un brusco aumento de su volumen que, al no tener espacio para expandirse, genera ondas de choque que golpean el metal. Este golpeo hace que el metal adquiera el estado de superplasticidad, con lo que el acaba por tomar la forma del sello a la vez que mantiene su estructura cristalina.

Las estructuras cristalinas metálicas de tamaño nanométrico generadas por LSI presentan bordes lisos, de precisión atómica y prácticamente libres de defectos. Estos cristales metálicos facilitan el paso de la corriente eléctrica y presentan una excelente resistencia mecánica, lo que hace los hace candidatos ideales para la fabricación de dispositivos electrónicos ultra-rápidos, flexibles y de bajo consumo energético.

En un futuro cercano, la fabricación de componentes mediante LSI permitirá la creación de pantallas táctiles cubiertas con nanoestructuras, capaces de interaccionar con la luz y generar imágenes en 3D, además de sensores biológicos más sensibles y económicos.

Los investigadores también han creado estructuras híbridas que combinan metal con grafeno. “Si se pone una capa de grafeno entre el molde y el metal, este puede tomar la forma del molde y recubrir la superficie metálica. Esto hace a esta técnica compatible con el uso del grafeno y abre la posibilidad de fabricar dispositivos híbridos metal-grafeno” explica Martínez.