Tecnología de soldadura atómica

 

Por Hermes Lavallén

Los láseres de femtosegundo son dispositivos asombrosos que pueden usarse como «soldadores» para transformar materiales a nivel atómico. El desarrollo de esta tecnología, según los científicos, asegurará el surgimiento de nanoelectrónica biocompatible, microchips únicos de nueva generación y otros dispositivos que cambiarán la industria, la medicina y la vida cotidiana.

La tecnología de láser de femtosegundo ultracorto se ha lanzado hace poco en el mercado. El tamaño más pequeño del de haz de láser de femtosegundo permite mecanizar detalles muy finos y produce pulsos que no dejan huella térmica en la pieza.   

Un femtosegundo equivale a la milbillonésima parte de un segundo. Para los que ignoramos la materia, un femtosegundo es para un segundo lo que un segundo es para aproximadamente 31,7 millones de años. Es el tiempo que tarda un rayo de luz en recorrer aproximadamente 0,3 µm (µm: micrómetro, también llamado micrón, unidad métrica de medida de longitud igual a 0,001 mm, o alrededor de 0,000039 pulgadas).

“Soldadura” atómica eficiente

Ya con una energía de solo 100 nanojulios (como, por ejemplo, la energía cinética de una colisión con un obstáculo de un mosquito volador), la potencia máxima de un pulso láser de femtosegundo alcanzará un megavatio, que se puede comparar con el flash. de 100.000 lámparas incandescentes ordinarias. Debido al hecho de que la duración de los pulsos ultracortos es comparable al período de las vibraciones moleculares en una sustancia, el tratamiento con un rayo enfocado de tal láser permite reducir y localizar el efecto térmico en el material.

«Los láseres con pulsos largos actúan sobre la red cristalina en su conjunto, lo que provoca un aumento de las vibraciones nucleares y el calentamiento de la materia.

Los pulsos ultracortos son tan rápidos que las vibraciones nucleares apenas cambian, y la energía de la luz es absorbida directamente por los electrones.

Los electrones son responsables por enlaces químicos, y por lo tanto, incidiendo localmente sobre ellos, podemos cambiar la estructura de la materia”, explicó Ivan Bobrinetsky, profesor del Departamento de Física Cuántica y Nanoelectrónica del MIET.

Usando efectos ópticos no lineales, es posible enfocar un láser en un punto mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz, hasta decenas de nanómetros, dijeron los científicos. Esto permitirá evitar por completo el calentamiento «no dirigido» del material y convertir el LSI en una especie de máquina de soldar que transforma químicamente el material a nivel atómico. Este efecto fue descubierto en 2015 en nanotubos por científicos finlandeses, y seis meses después, un grupo de científicos del MIET lo demostró al procesar grafeno.

 

MIET

MIET es una universidad técnica líder en Rusia y está entre las 20 mejores universidades rusas según la agencia británica Times Higher Education. Laboratorios modernos, tecnologías innovadoras y una nueva mirada al proceso educativo hacen de MIET un líder en la capacitación de especialistas en el campo de la electrónica, nanotecnología, telecomunicaciones y tecnología de la información. La universidad se encuentra en Zelenograd, Moscú.

El grafeno es el material más fuerte conocido, más fuerte que el acero y el diamante. Tiene buena conductividad térmica, flexibilidad y elasticidad, es 97 por ciento transparente, ya que es una capa monoatómica de carbono. Sin embargo, estas y otras propiedades únicas pueden verse gravemente afectadas cuando se procesan con métodos tradicionales, dijeron los científicos del MIET.

El grafeno tiene una demanda especial en el desarrollo de nueva microelectrónica, incluidas aquellas basadas en principios biológicos. Al crear transistores por métodos tradicionales centrados en materiales de silicio, las propiedades del grafeno se reducen considerablemente.

Los investigadores de MIET propusieron usar pulsos de láser ultracortos que duran decenas y cientos de femtosegundos para crear dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno y materiales relacionados.

«Nuestro objetivo es alejarnos de las llamadas ‘tecnologías húmedas’, que utilizan el procesamiento con ácidos y otros líquidos, hacia métodos completamente ópticos de procesamiento local de materiales. Esta tecnología se puede comparar con tecnologías aditivas basadas en la impresión 3D, solo en lugar de plástico, «cosemos» moléculas individuales o reorganizamos la red cristalina”, dijo Ivan Bobrinetsky, profesor del Departamento de Física Cuántica y Nanoelectrónica del MIET.

Tal enfoque puede convertirse en la tecnología principal de una nueva generación de nanofotónica, los científicos están seguros. Permitirá, debido a la «costura» de moléculas individuales (incluidas las biológicas, como las proteínas) y la formación de una transición fotosensible, producir nanorreceptores de fotones individuales y otros dispositivos electroópticos de recepción y transmisión.

 

Nuevas generaciones de microchips

La creación de circuitos electrónicos basados ​​en nuevos principios físicos es la principal perspectiva práctica de las tecnologías de nano procesamiento de femtosegundos para materiales de carbono, dijeron los científicos. Los microchips de nuevos tipos tendrán un rendimiento notablemente más rápido, un bajo consumo de energía y un tamaño ultrapequeño.

Esto permitirá una amplia gama de nuevas aplicaciones, como la electrónica implantable o la producción rápida de chips personalizados con parámetros específicos del usuario.

Las nanotecnologías de femtosegundos permitirán implementar un nuevo enfoque de ingeniería para la creación de microchips dentro de un solo proceso tecnológico, explicaron los científicos del MIET. Además, utilizando un láser de femtosegundo, es posible procesar grafeno no solo en un plano, sino también en forma de estructuras tridimensionales.

 

Electrónica inteligente dentro de nosotros

El procesamiento con la ayuda de LSI es el método más rápido de modificación industrial de materiales conocido por el hombre, señalaron los científicos de MIET. La fabricación de ciertos productos de tamaño manométrico se puede implementar en uno o varios pulsos con una duración de cientos de femtosegundos.

Según los científicos, otra aplicación igualmente importante de esta tecnología es la teranóstica, es decir, un enfoque integrado de la medicina que combina terapia y diagnóstico. Se basa en el uso de dispositivos como, por ejemplo, nanorobots que entregan medicamentos punto a punto dentro del cuerpo, sensores que detectan la presencia de unidades de moléculas peligrosas o transistores basados ​​en principios biológicos.

Gracias a la nanomodificación de materiales mediante pulsos láser ultracortos, la producción de tales elementos ya es posible, dijeron los científicos.

“Queremos dar el primer paso en esta dirección en la intersección de la bioelectrónica y la medicina. Al “coser” localmente proteínas fotoactivas a nanomateriales de carbono, hemos creado circuitos electrónicos biológicos que serán sensibles no solo a los efectos ópticos externos, sino que también tendrán un efecto de memoria y la capacidad de navegar en el entorno del cuerpo”, comentó el estudiante de posgrado del MIET. Nikita Nekrasov.