“La verdadera revolución ocurrirá cuando los nanomateriales reemplacen al silicio”

de cerca

  • Pulickel Madhavapanicker Ajayan es Pionero en nanoestructuras de carbono y uno de los mayores expertos en nanomateriales 2D.
  • profesor en Universidad de arroz (Houston, Estados Unidos).
  • Autor de más de 1.500 publicaciones científicas, además de varios premios internacionalesha recibido dos premios Guinness por hacer el material más oscuro del mundo y el peine más pequeño.

Hace unos días dio una conferencia sobre “Ciencia de Materiales Bidimensionales” en el Instituto de Carboquímica. ¿Qué hace que los nanomateriales 2D sean científicamente interesantes?

Nano es una escala muy pequeña y hay aplicaciones industriales que requieren materiales a esta escala; La electrónica es un buen ejemplo. Se están fabricando dispositivos cada vez más pequeños. Y cuando bajamos a escalas muy pequeñas, las propiedades fundamentales cambian. Las propiedades de un material a nanoescala pueden diferir significativamente de las propiedades del mismo material cuando se presenta en forma macroscópica, aunque la composición sea la misma.

Todos hemos oído hablar del grafeno, pero ¿hay más materiales bidimensionales?

Sí, estamos rodeados de diferentes materiales. En mi propia investigación, comenzamos a buscar nanopartículas metálicas, luego pasamos a los nanotubos de carbono y luego al grafeno, otros materiales 2D, nanocompuestos, etc. La tecnología de materiales macroscópicos (3D) se basa en una dimensión de longitud, por lo que puede usar cualquier conexión y convertirlo en una nanoestructura. Puede ser 2D, puede ser 1D, pero esencialmente tienes la capacidad de crear nanomateriales a partir de cualquier compuesto.

¿De alguna conexión?

Prácticamente. No puedo decirle a nadie, pero tenemos una amplia gama de compuestos para construir.

¿Pueden volverse más interesantes que los gráficos a corto plazo si son “más manejables”?

No necesariamente. Hay desafíos intrínsecos relacionados con los nanomateriales y desafíos extrínsecos. El verdadero desafío sería controlar realmente el tamaño, la forma y la estructura para que se puedan lograr las propiedades que imaginamos. Los desafíos extrínsecos serían la escalabilidad, el costo, etc. Al igual que el grafeno, otros materiales tienen desafíos importantes relacionados con la escalabilidad, el costo y más. Puede que no sean exactamente iguales, pero lo son. Los nanotubos de carbono son un buen ejemplo. Estamos trabajando en ellos antes que en el grafeno, y es complicado obtener la estructura exacta de millones de nanotubos. Así que es muy barato competir con la fibra de carbono, por ejemplo, pero tenemos que reiterar que estamos en las primeras etapas de la nanotecnología. Solo han pasado 25 años, por lo que habrá muchos nanomateriales a largo plazo.

¿Qué aplicaciones de estos materiales están más cerca de nosotros?

La nanotecnología ya está en uso, si observa la tecnología de semiconductores, el tamaño de los dispositivos ya es nanotecnología. Hay nanocompuestos para aplicaciones específicas, los científicos están tratando de construir membranas… El almacenamiento de energía también es muy importante, ya se están usando materiales basados ​​en grafeno para eso, así que las aplicaciones están ahí… Sin embargo, creo que las verdaderas promesas de la nanotecnología, la verdadera revolución perdurará. Sucederá cuando, por ejemplo, el silicio sea reemplazado por nanomateriales, pero eso puede llevar mucho más tiempo de lo que pensamos. Ya ha habido demostraciones, pero la investigación y las investigaciones aún están en curso sobre cómo crear estas arquitecturas complejas con nanomateriales…

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¿Los nanomateriales reemplazarán al silicio?

Estoy seguro de que sucederá. La pregunta es por cuánto tiempo y, además, posiblemente no con la misma tecnología que usamos hoy.

¿Qué otras aplicaciones podemos esperar en el futuro?

Hay espacio para la nanotecnología en todas las áreas importantes. Los sensores estarán en todas partes y los nanomateriales jugarán un papel importante en esto. También en energía y catálisis, los catalizadores son fundamentalmente nanomateriales. Todavía tenemos que descubrir muchas aplicaciones, y muchas de ellas tendrán un impacto significativo en la sociedad. El problema del exceso de CO₂ es muy importante… ¿podemos convertirlo en un producto útil? ¿Y producir hidrógeno verde dividiendo el agua? Todo esto requiere una catálisis controlada y bien definida, y eso es lo que son los nanomateriales. Eso es lo que estamos tratando de entender. Intentamos definir la investigación básica detrás de los nanomateriales y la nanotecnología de tal manera que puedan desempeñar un papel en aplicaciones concretas a largo plazo. No debemos confundir la investigación básica que la mayoría de nosotros hacemos con la perspectiva a largo plazo, es decir, las aplicaciones.

El almacenamiento de energía es uno de los grandes retos de la actualidad. ¿Qué pueden aportar aquí estos materiales?

Un componente importante de las baterías son los materiales de los electrodos, que consisten en nanocarbonos, por ejemplo. El grafeno ya se usa ampliamente en supercondensadores y baterías de litio. A largo plazo, aparecerá una gran variedad de estructuras en las baterías de litio. Tal vez también baterías impresas en 3D, dispositivos de almacenamiento de energía impresos… La combinación de ciencia de materiales y nanotecnología es lo que realmente tiene un impacto. Muchos de los materiales que ahora usamos en dispositivos de almacenamiento de energía, baterías, etc. están en cierto sentido creados mediante nanoingeniería porque reducen el tamaño práctico, aumentan el área de superficie y aumentan la eficiencia de muchos procesos electroquímicos. A veces puede ser un desafío cuando se tiene un área muy pequeña… pero, en general, pasar a tamaños más pequeños, como lo está haciendo la nanotecnología, tiene beneficios específicos en el almacenamiento de energía y otras tecnologías.

Mencionaste la impresión 3D. ¿Estará asociado a la nanotecnología en el futuro?

Cuando hablamos de nanotecnología, nos referimos a la fabricación de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba. Arriba hacia abajo es lo que está haciendo la industria electrónica hoy en día. Toman el material y lo moldean desde un bloque hasta tamaños pequeños. Pero también existe un enfoque inverso, en el que los materiales y equipos también se pueden construir de abajo hacia arriba.

Los sistemas biológicos siempre funcionan de abajo hacia arriba. Eventualmente habrá competencia entre estos procesos, y la ventaja de la fabricación de abajo hacia arriba es que se pueden construir estructuras realmente complejas, jerarquías y tipos de materiales extremadamente heterogéneos, porque básicamente se está construyendo. La impresión 3D es una herramienta útil para esta fabricación de abajo hacia arriba. Todavía no hay una resolución específica a nanoescala, pero habrá una en el futuro. La gente está tratando de descubrir cómo obtener una resolución mucho más alta para poder imprimir cosas de formas muy biónicas y complejas. Creo que están relacionados.

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¿Viene una revolución tecnológica de la mano del grafeno?

Bueno, revolución es una palabra fuerte (risas). Para mí se trata realmente de construir conocimiento en esta área. Las tecnologías del futuro, desde la electrónica hasta las membranas o el almacenamiento de energía, deben contar con materiales nanotecnológicos, esa es la única opción. Y de una forma u otra, Graphene participará en ese escenario, pero si está preguntando sobre algo específico y cuándo sucederá, puede ser más difícil de responder. En algunos casos, la respuesta puede ser clara, pero en otros no lo es porque hay fuerzas en competencia y grandes desafíos… Pero creo que es un momento fascinante porque realmente puedes controlar los materiales en escalas muy pequeñas y eso te da mucha libertad. . Si se pregunta cómo será la tecnología dentro de 50 años, no tengo ni idea, es imposible de predecir. Será una tecnología más interesante, más compleja, más sofisticada…

¿Cuáles son las dificultades, los desafíos, las limitaciones?

Escalabilidad, a veces estructura… Lo que es más importante, a escalas más pequeñas, existe una fuerte correlación entre la estructura y las propiedades, y si no puede controlar la estructura a nivel atómico, tiene un problema de confiabilidad. La mayoría de los expertos en nanomateriales se enfrentan a la pregunta de cómo controlarlos realmente… Quiero decir, ¿puedo hacer grafeno a partir de nanotubos que sean exactamente iguales en un área muy grande? La respuesta es muy problemática. Está el problema de la heterogeneidad, de los defectos, de la escala… Podríamos tener algunas propiedades realmente geniales a pequeña escala, pero si ampliamos la escala y creamos una estructura más grande, es posible que no encontremos exactamente lo mismo. Hay muchas cosas que entran en juego. Por ejemplo, retos extrínsecos como escalabilidad, coste, etc. Aunque se trata de materiales competitivos, todavía tenemos que afrontar la relación coste-beneficio. Si haces un nanomaterial y tratas de reemplazar otro material que estás usando, debes preguntarte qué ventajas ofrece en términos de costo, fácil integración… y lleva tiempo lograr estas ventajas en la industria.

Dos récords mundiales también destacan en su carrera científica: el pincel más pequeño y el material más oscuro. ¿Como era?

Hemos tratado de romper las barreras conocidas de cuán pequeño se puede hacer algo. Y cuando estábamos haciendo cepillos de nanotubos, uno de los estudiantes tuvo la idea de que este podría ser el cepillo más pequeño del mundo… Y consideramos incluirlo en el Libro Guinness de los récords mundiales. Ese fue nuestro primer disco.

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Con el segundo ya teníamos experiencia de conseguir un récord Guinness. Intentamos crear estructuras que absorbieran mucha luz y se vieran muy, muy oscuras… incluso cuando se observan. Nuevamente nos preguntamos: ¿Cómo podemos hacer algo que sea lo más oscuro? Así que comenzamos con mediciones muy complejas y descubrimos que nuestro material tenía la absorción de luz más alta, al menos en la literatura conocida.

Tomó mucho tiempo, requirió muchas mediciones muy complejas en muchas direcciones. No es tan simple… ¿cómo se compara la oscuridad, quiero decir…

¿Encontró más tarde aplicación en su investigación?

Sí, piensa en absorber luz y convertirla en calor y usar el calor para algo… hay formas. Y el cepillo te permite limpiar lugares muy pequeños.

Cooperación con el ICB

Desde hace más de diez años, el profesor Ajayan colabora con científicos del grupo de investigación en Nanoestructuras y Nanotecnología de Carbono del Instituto de Carboquímica (CSIC). Su visita a Zaragoza tuvo como objetivo establecer nuevas líneas de investigación conjunta para el desarrollo de nanomateriales sostenibles.

“Conozco a Wolfgang Maser desde hace bastante tiempo y hemos trabajado juntos a lo largo de los años”, dice Ajayan, “va a ser fantástico trabajar juntos, ese debería ser el camino a seguir y espero que podamos lograr mucho más de lo que queremos”. puede hacer solo”. . Cómo detallado “en mi grupo Nos interesa utilizar algunos de los materiales que el Instituto de Carboquímica está construyendo para la catálisis y estudiar materiales dinámicos que cambiarán sus propiedades con el tiempo… Hacemos ciencia de los materiales, por lo que hay muchas sinergias”.

En su opinión, “La colaboración es esencial en la ciencia actual. Cuando me gradué publiqué artículos con otras dos personas, y hoy en día el número mínimo de personas en un artículo es diez. No todos podemos hacer todo, pero recurrimos a colegas que pueden hacer otras cosas”.

Esta entrevista ha sido realizada en colaboración con el Instituto de Carboquímica (CSIC).

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