Hoy en día, puede llevar una computadora completa en el bolsillo porque los bloques de construcción tecnológicos se han ido haciendo cada vez más pequeños desde la década de 1950. Pero para crear futuras generaciones de productos electrónicos, como teléfonos más potentes, celdas solares más eficientes oincluso las computadoras cuánticas: los científicos deberán idear una tecnología completamente nueva en las escalas más pequeñas.
Un área de interés son los nanocristales. Estos pequeños cristales pueden ensamblarse en muchas configuraciones, pero los científicos han tenido problemas para descubrir cómo hacer que se comuniquen entre sí.
Un nuevo estudio presenta un gran avance para hacer que los nanocristales funcionen juntos electrónicamente. Publicado el 25 de marzo en Ciencia, la investigación puede abrir las puertas a futuros dispositivos con nuevas capacidades.
"Llamamos a estos bloques de construcción súper atómicos porque pueden otorgar nuevas habilidades, por ejemplo, permitir que las cámaras vean en el rango infrarrojo", dijo el profesor de la Universidad de Chicago Dmitri Talapin, autor correspondiente del artículo. "Pero hasta queahora, ha sido muy difícil ensamblarlos en estructurasypídales que hablen entre ellos. Ahora, por primera vez, no tenemos que elegir. Esta es una mejora transformadora.
En su artículo, los científicos establecen reglas de diseño que deberían permitir la creación de muchos tipos diferentes de materiales, dijo Josh Portner, estudiante de doctorado en química y uno de los primeros autores del estudio.
Un pequeño problema
Los científicos pueden hacer crecer nanocristales a partir de muchos materiales diferentes: los metales, los semiconductores y los imanes producirán cada uno propiedades diferentes. Pero el problema era que cada vez que intentaban ensamblar estos nanocristales en conjuntos, los nuevos supercristales crecían con "pelos" largosalrededor de ellos.
Estos cabellos dificultaron que los electrones salten de un nanocristal a otro. Los electrones son los mensajeros de la comunicación electrónica; su capacidad para moverse fácilmente es una parte clave de cualquier dispositivo electrónico.
Los investigadores necesitaban un método para reducir los pelos alrededor de cada nanocristal, de modo que pudieran empaquetarlos con más fuerza y reducir los espacios entre ellos. "Cuando estos espacios son más pequeños por solo un factor de tres, la probabilidad de que los electrones salten a través dees unas mil millones de veces más alta", dijo Talapin, profesor de Química e Ingeniería Molecular del Servicio Distinguido Ernest DeWitt Burton en UChicago y científico principal en el Laboratorio Nacional de Argonne. "Cambia mucho con la distancia".
Para afeitarse los pelos, buscaron entender qué estaba pasando a nivel atómico. Para esto, necesitaron la ayuda de poderosos rayos X en el Centro de Materiales a Nanoescala en Argonne y la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford en SLAC NationalAccelerator Laboratory, así como poderosas simulaciones y modelos de la química y la física en juego. Todo esto les permitió comprender lo que estaba sucediendo en la superficie y encontrar la clave para aprovechar su producción.
Parte del proceso para hacer crecer supercristales se realiza en solución, es decir, en líquido. Resulta que a medida que los cristales crecen, experimentan una transformación inusual en la que coexisten las fases gaseosa, líquida y sólida. Al controlar con precisión laquímica de esa etapa, podrían crear cristales con exteriores más duros y delgados que podrían empaquetarse mucho más juntos. "Comprender su comportamiento de fase fue un gran paso adelante para nosotros", dijo Portner.
La gama completa de aplicaciones aún no está clara, pero los científicos pueden pensar en múltiples áreas a las que podría conducir la técnica. "Por ejemplo, tal vez cada cristal podría ser un qubit en una computadora cuántica; acoplar qubits en matrices es uno de los desafíos fundamentalesde la tecnología cuántica en este momento", dijo Talapin.
Portner también está interesado en explorar el estado intermedio inusual de la materia que se observa durante el crecimiento de los supercristales: "La coexistencia de tres fases como esta es lo suficientemente rara como para pensar en cómo aprovechar esta química y construir nuevos materiales".
El estudio incluyó a científicos de la Universidad de Chicago, la Technische Universität Dresden, la Universidad Northwestern, la Universidad Estatal de Arizona, SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley.
La investigación se realizó en parte en el Centro de Materiales Avanzados para Sistemas de Energía y Agua del DOE, el Centro Integrado de Materiales Computacionales del Medio Oeste, el Centro de Materiales a Nanoescala en Argonne y la Fuente de Luz de Radiación de Sincrotrón de Stanford en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.
Financiación: Departamento de Energía de EE. UU., Departamento de Defensa de EE. UU., Fundación Nacional de Ciencias, Fundación Arnold y Mabel Beckman, Fundación Alfred P. Sloan, Fundación David y Lucile Packard, Premios Camille y Henry Dreyfus Teacher-Scholar, Fundación Sherman Fairchild.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago. Original escrito por Louise Lerner. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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