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.
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”.
Como un pastel
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.
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.
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