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Nanoselect: nanotecnología para los retos de la energía y las comunicaciones

Ha finalizado el proyecto NanoSelect, liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC, y que tiene como objetivo ofrecer nuevas soluciones a problemas actuales en el campo de la energía y las comunicaciones. Este video resume el trabajo y los logros conseguidos.

Cada segundo, millones de millones de átomos se agregan a tu cabello, haciéndolo crecer 5 nanómetros.  

Este crecimiento es imperceptible para el ojo humano. Pero imagina que pudieses acercarte más...

Al igual que un milímetro es mil veces más pequeño que un metro, un nanómetro es un millón de veces más pequeño que un milímetro. A esa escala, el mundo está formado por átomos interaccionando a un ritmo frenético.

La nanociencia te permite ver y explorar, por primera vez, la estructura íntima de la que está hecha la materia… e incluso manipularla según nuestras necesidades.

En este contexto, el proyecto Nanoselect investiga y crea, a escala nano, óxidos de metales de transición, los materiales más abundantes y estables que existen en la naturaleza. Estos óxidos tienen muchas funcionalidades distintas y son muy flexibles. Manipulando sólo un poco su composición y las distancias entre sus átomos y su nanoestructura, se puede optimizar su comportamiento. Y combinando unos con otros se construyen nuevos materiales con nuevas propiedades y futuras aplicaciones.  

De esta manera, Nanoselect ofrece pequeñas soluciones a dos de los grandes retos a los que la sociedad se enfrenta hoy en día: la eficiencia energética y las soluciones TIC mejoradas. La superconductividad, la magnetoelectrónica y la electrónica inteligente forman parte de la esfera de acción de Nanoselect, contribuyendo a posicionar a Europa como un pionero en la generación de conocimiento y dispositivos de alta tecnología.

Nuevas metodologías

Nanoselect es un proyecto único porque reúne, de forma conjunta, todas las metodologías necesarias que permiten, desde el diseño y manufactura de nuevos materiales, átomo a átomo, a la fabricación de nuevos dispositivos a escala macroscópica.

El sincrotrón ALBA y los “Scanning electronic microscope” (SEM) y los “Transmission electronic microscope” (TEM), permiten caracterizar el volumen, la estructura y las funciones eléctricas, magnéticas y conductoras de superficies a nivel atómico.

El “Scanning tunneling microscope” (STM) y el “Atomic force microscope” (AFM) disponen de puntas ultrasensibles que establecen fuerzas de interacción con los átomos, de manera que permiten visualizar cómo éstos se estructuran en las superficies.

Y todas estas tecnologías permiten que descubramos las leyes que rigen el vasto y misterioso universo de lo pequeño.

Nanoselect no sólo observa el mundo nanoscópico. También lo construye. Para ello dispone de 200 m2 de sala blanca, un laboratorio de clase 10.000 desde donde se fabrican nanomateriales tipo nanocomposites o láminas ultradelgadas. Son nanomateriales que combinan las propiedades de distintos materiales para generar funcionalidades nuevas o recubrimientos que modifican drásticamente las propiedades de los materiales. Nos basamos en la aproximación “bottom-up” a los materiales nanoscópicos: de las moléculas al ensamblaje de los nuevos materiales. El click de la química! O también un laboratorio avanzado donde, a través de la ablación láser, se depositan átomos en nanoestructuras en un proceso físico de ensamblaje controlado. Se manipulan capas, se colocan partículas entre ellas y se ensamblan distintos componentes.

Por ejemplo, almacenar energía eléctrica, generar energía a partir de la luz del sol, catalizar reacciones químicas o mejorar la efectividad de fármacos.

En los últimos años, las capacidades cada vez mayores de los ordenadores han permitido poder simular muchos nanomateriales.  

Supercomputadoras, como el MareNostrum, permiten hacer modelos muy detallados del mundo nanoscópico, pero cuya precisión limita el número de átomos representados a 100.Nanoselect ha conseguido, con ordenadores menos sofisticados, mantener  una alta precisión en la simulación pero representando hasta 10.000 átomos.

No sólo se logran cálculos estadísticos, dinámicos y cinéticos sobre los nuevos materiales que se fabrican, sino que  también se diseñan modelos de nanoestructuras que todavía no existen. De esta manera, ya podemos imaginar y visualizar cómo serán los nanomateriales que manejaremos en el futuro.  

Se trata de que generemos el “genoma” de los nuevos materiales para poder diseñarlo mejor y más rápido!

Tecnologías de la informaión y la comunicación

La tecnología permite que nuestros recuerdos, nuestra vida, pueda almacenarse en entornos cada vez más pequeños y ubicuos. Sin embargo, almacenar y leer exigen energía Muchas veces, la energía se disipa en forma de calor.  

Veamos qué ocurre dentro de los dispositivos electrónicos…

Una memoria magnética es un conjunto de imanes nanométricos (bits). El cabezal es otro imán que escribe en lenguaje binario cambiando la orientación de estos imanes. Para que el cabezal trabaje, necesita de una corriente eléctrica, y aquí es donde se produce la pérdida de energía en forma de calor.

En Nanoselect, se ha optado por buscar una solución a esto sustituyendo la corriente eléctrica el campo eléctrico proporcionado por una pila y construyendo una estructura nanométrica formada por dos capas de materiales. La inferior, ferroeléctrica, cambia su carga superficial según la polaridad de la pila. La superior, ferromagnética, como un pequeño imán, al estar en contacto con la inferior, cambia su orientación por proximidad. De esta manera, la pila escribe la información magnética sin necesidad de flujo de corriente y sin generar calor.  

Las memorias muy pequeñas también tienen otros problemas. Podemos hacer bits muy pequeños, pero hay que leerlos… Los cabezales de nuestros ordenadores lo hacen hoy con un dispositivo llamado unión túnel, y que está formado por  2 láminas muy delgada ferromagnéticas, 2 imanes también, separadas por una lámina nanométrica de un aislante eléctrico. El flujo de carga eléctrica que pasa a través depende de la orientación relativa de la magnetización de las láminas. La misma, puede cambiar cuando el cabezal se acerca al bit y por tanto cambia su resistencia eléctrica. La sensibilidad del cabezal para detectar el estado del bit viene limitado por el desbalance de electrones con spin arriba o spin abajo. El problema es que, de forma natural, un material magnético tiene una proporción de spins bastante igualada, entre el 40 y el 50%. Por tanto, la resistencia eléctrica será muy parecida en este caso y, al variar la orientación, no cambiará el contraste.  

Desde Nanoselect, se ha optado por construir filtros que seleccionan, en un material, los spins de una única orientación. Con esta técnica se logra aumentar el contraste entre los dos estados y con ello sepueden hacer memorias más sensibles y más pequeñas.

Las comunicaciones del futuro serán más flexibles y adaptables a distintas situaciones. Los ópalos son un tipo de material que descompone la luz en distintas longitudes de onda, como hace un prisma, y filtra algunas de ellas.

Nanoselect desarrolla ópalos sintonizable magnéticamente, es decir, ópalos donde podemos elegir la luz que pasa y modificar sus propiedades mediante un campo magnético. Si se recubren con nanopartículas magnéticas, también se vuelve sensible a los imanes. Un imán externo, pues, podrá modificar las propiedades del ópalo y hacer que cambien también las propiedades de la luz que se filtra. Si a esto le añadimos otro filtro exterior, que sólo deje pasar determinados rayos, obtenemos un dispositivo o interruptor fácilmente reconfigurable y muy flexible.

Energía y superconductividad

El viento y el sol se perfilan como principales candidatas para abastecer de energía eléctrica limpia a Europa durante los próximos años.

Para el 2020, la Unión Europea pretende un 20% más de uso de energías renovables, un aumento del 20 % en la eficiencia del uso de la energía y un 20% menos de generación de CO2.

El reto es combatir el cambio climático.

Pero, para lograrlo, la electricidad deberá generarse con recursos renovables,  deberá recorrer grandes distancias, necesitaremos ser capaces de almacenarla y consumirla de forma más eficiente. Los hilos de cobre tradicionales disipan un 10% de la energía en forma de calor y no permiten generar campos magnéticos elevados. Así que necesitamos un material nuevo, capaz de transportar la electricidad de forma mucho más eficiente y generar campos magnéticos para generadores y motores eficientes.

Ese material ya existe, es el material superconductor. En NANOSELECT, trabajamos para fabricarlo de forma segura, rápida y barata. Para entender su funcionamiento tenemos que ir a la escala atómica y nanométrica. Los electrones se aparean en los materiales superconductores y con ello son capaces de sortear los obstáculos del mundo microscópico: se mueven ordenadamente y por ello no presentan resistencia eléctrica.

De esta forma, los superconductores consiguen una eficiencia 10 veces mayor a la de los cables de cobre tradicionales en el transporte de corriente eléctrica.  En presencia de un campo magnético, los superconductores lo atrapan parcialmente, generando vórtices magnéticos. Nosotros introducimos nanopartículas que interaccionan con los vórtices y provocan que se anclen en el material, quedándose inmóviles. Cuando esto ocurre, la resistencia eléctrica desaparece incluso bajo campos magnéticos muy intensos (100.000 veces mayores que el campo magnético terrestre). Por ello es posible generar campos magnéticos impensables anteriormente.

Los superconductores han hecho posible que existan instalaciones biomédicas y científicas impensables anteriormente. El reto actual es usar los nuevos superconductores de alta temperatura para abastecer de energía limpia a todo el mundo. Gracias a la técnica del “chemical solution deposition” y del “ink-jet printing” se generan las cuatro capas que dan lugar a las cintas superconductoras. Éstas, a su vez, se enrollan como espirales sobre cables tradicionales, aumentando su eficiencia y generando supercables.

Su uso permitirá no sólo transportar electricidad entre grandes distancias sin perder energía, sino también distribuirla de forma uniforme y flexible, regulando el flujo en que se transmite según la cantidad que se genere y la que se necesite. Ello facilita que se usen las energías renovables intermitentes. Asimismo también servirá para almacenar energía eléctrica sin pérdidas.

También será la base para generadores y motores más pequeños, ligeros, silenciosos y eficientes, ideales para mejorar la propulsión de barcos y para el diseño de una nueva generación de aviones, los aviones eléctricos.  Por tanto, la nanotecnología aplicada a la superconductividad, supone el punto de partida de la necesaria revolución energética de los próximos años.

Web del proyecto: http://ipanema.icmab.es/nanoselect/

Ha finalizado el proyecto NanoSelect, liderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del CSIC, y que tiene como objetivo ofrecer nuevas soluciones a problemas actuales en el campo de la energía y las comunicaciones. Este video resume el trabajo y los logros conseguidos.