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Apoyada con equipo de cómputo de hasta 48 procesadores, que mediante algoritmos matemáticos realiza cálculo en paralelo, mientras ella imagina y modela la estructura física y química de nuevos materiales desarrollados en el universo nano, Angélica Estrella Ramos Peña, del Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) de la UNAM, predice con simulación computacional las propiedades fisicoquímicas de los nanoalambres de carburo de silicio, útiles para hacer dispositivos microelectrónicos.
Son capaces, por ejemplo, de generar luz y reducir el consumo de energía; con ellos será posible, en un futuro, desarrollar dispositivos que impliquen trabajar en condiciones extremas de temperatura, voltaje y frecuencia. También, pueden soportar un gradiente de voltaje o de campo eléctrico hasta ocho veces mayor que el silicio o el arseniuro de galio, sin que sobrevenga la ruptura.
Este elevado valor de campo eléctrico de ruptura lo hace de utilidad en la fabricación de componentes que operan a elevado voltaje y alta energía, como diodos, transistores, supresores, incluso dispositivos para microondas de alta energía, explicó la investigadora.
Antes de desarrollar y probar los nanoalambres a nivel experimental, se hace modelado molecular para analizar opciones en su diseño y construcción. Así puede modificar el acomodo de los átomos en la computadora y verlos de frente, de lado, por arriba y por abajo, con el conocimiento previo de las variantes de la estructura atómica, que pueden producir cambios en el resultado final.
“Si probamos en la computadora, a veces no sabemos hacia dónde va el resultado; estamos en un camino azaroso, como el del viajero Fernando de Magallanes, que buscaba atravesar el continente porque estaba convencido de que los mares estaban comunicados, pero lo que logró fue darle la vuelta al mundo. Al realizar un proyecto de investigación, en un principio los resultados que se encuentran pueden ser sorprendentes, no llevarte a ningún lado o abrir un sinfín de posibilidades.
“Si se parte únicamente de la distribución de las partículas subatómicas, como son los protones y los electrones, y mediante algoritmos matemáticos que definen las interacciones entre las partículas, es sorprendente que puedan ser predichas las propiedades físicoquímicas de un material. Lo que hacemos es ciencia básica”, precisó Ramos Peña, química, maestra en físico-química, y doctora en ciencia e ingeniería de materiales por la UNAM.
Silicio en el mundo nano
El silicio es abundante en la naturaleza, es el constituyente de la arena del mar y es semiconductor, así que con poca energía se logra que los electrones se muevan y transporten la corriente eléctrica. Todas las aplicaciones electrónicas actuales están basadas en ese elemento y en el germanio, los dos semiconductores por excelencia.
“La desventaja es la dificultad para hacer compuestos a partir de él, porque su enlace con el oxígeno es muy fuerte, lo que encarece la producción de nuevos materiales. Por ello, se buscan alternativas con ventajas para diseñar materiales con aplicación tecnológica, y una opción está en el mundo de lo nano”, explicó la investigadora.
El de las nanoestructuras es un campo de vanguardia en el estudio de los materiales. “El átomo más pequeño, el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 1×10-10 m, es decir, 0,0000000001 m. Para tener una idea de lo que representa nano, hay que comparar el diámetro de una pelota de ping pong, que es de 40 milímetros, con el de la Tierra, de 12 mil 742 kilómetros. Así de grande es la relación de tamaños”, ejemplificó.
Lo más apasionante del universo nano es que materiales simples y conocidos pueden mostrar nuevas y sorprendentes propiedades si se presentan en un nanotamaño. “Esto sucede con la resistencia mecánica, la adherencia y la absorción de los nanomateriales, que son muy superiores a las encontradas en materiales convencionales”.
Además de mejores propiedades electrónicas, también tienen ventajas ópticas, magnéticas y mecánicas.
Con los nanoalambres de carburo de silicio, Angélica Estrella Ramos también prueba, con simulación computacional, otro tipo de posibles aplicaciones, como detectores de moléculas y sensores de luz o temperatura.
