Construyen el nanomotor más rápido del mundo

Unos ingenieros han construido el nanomotor más rápido conseguido hasta la fecha, que es también el más pequeño de su tipo. Este nanomotor sintético constituye un importante paso hacia el desarrollo de máquinas miniaturizadas que un día podrían moverse por dentro del cuerpo humano para administrarles insulina a los diabéticos cuando la necesiten, o para actuar de forma selectiva contra células cancerosas, sin dañar las sanas.

El equipo de la ingeniera Donglei "Emma" Fan, de la Universidad de Texas en la ciudad estadounidense de Austin, ha diseñado, construido y probado este nanomotor en un marco no biológico. El nanomotor de tres piezas, que puede convertir energía eléctrica en movimiento mecánico en un espacio 500 veces más pequeño que un grano de sal, puede mezclar rápidamente y bombear sustancias de interés biológico, así como moverse a través de líquidos, lo cual es importante para diversas aplicaciones futuras.

Con todas sus dimensiones por debajo de 1 micrómetro, el nanomotor podría caber dentro de una célula humana, y es capaz de girar de forma continua durante 15 horas, a una velocidad de 18.000 rpm (revoluciones por minuto), la velocidad de la turbina de un motor a reacción de avión. Los nanomotores comparables al nuevo funcionan mucho más despacio, girando a entre 14 y 500 rpm, y sólo se mantienen en marcha sin pausas durante un breve periodo, que va de unos cuantos minutos a unos pocos segundos.

En un futuro quizás no muy lejano, nanomotores como el recién presentado podrían ser decisivos para el desarrollo de sistemas nanoelectromecánicos avanzados, capaces, entre otras cosas, de administrar fármacos a células individuales sin matarlas ni dañarlas.

Fabricación más barata de células solares de buena eficiencia energética

Trabajando en la vanguardia de la investigación en células solares, unos investigadores han ideado un nuevo proceso para la fabricación de materiales fotovoltaicos de alta eficiencia que se muestra prometedor para su producción industrial a bajo costo.

El nuevo proceso utiliza materiales inspirados en la perovskita, que últimamente se están perfilando como una vía muy prometedora para traer al escenario industrial una nueva generación de células solares.

El término "perovskita" se refiere al mineral del mismo nombre, que fue descubierto en Rusia en la década de 1830. Las células solares inspiradas en la perovskita no se hacen con este mineral, sino que imitan su estructura cristalina, que ha demostrado ser altamente eficaz para recoger la luz y generar electricidad.

Los avances tecnológicos han permitido a los científicos crear cristales inspirados en la perovskita, con diferentes composiciones, que son adecuados para realizar diferentes funciones. La línea de investigación y desarrollo seguida por el equipo de Huanping Zhou, Yang Yang y Qi Chen, de la Universidad de California en la ciudad estadounidense de Los Ángeles (UCLA), está centrada en cristales inspirados en la perovskita hechos de materiales orgánicos e inorgánicos y que conforman una película delgada colocada entre dos electrodos.

Los investigadores idearon un proceso de fabricación de células solares utilizando esos materiales de manera más eficiente y rentable que lo conseguido con los métodos estándar actuales.

Hasta ahora, los ingenieros habían creado por lo general las películas del tipo descrito usando uno de dos procesos: O bien a partir de una solución de materiales orgánicos e inorgánicos que se utiliza para crear la película, o bien evaporando térmicamente los dos componentes juntos dentro de una cámara de vacío. Aunque las dos técnicas han tenido éxito en laboratorios de investigación, ambas son un reto para la producción industrial a gran escala. El proceso húmedo se traduce en una disminución de la calidad de la película, mientras que el proceso de vacío requiere un equipamiento caro y utiliza una gran cantidad de energía


El nuevo enfoque del equipo de la UCLA es un proceso basado en una solución ayudada por vapor, que produce eficazmente células solares inspiradas en la perovskita pero sin los defectos asociados con las otras técnicas.

El proceso ayudado por vapor incluye recubrir un sustrato con el componente inorgánico y luego tratarlo con un baño de vapor de moléculas orgánicas a aproximadamente 150 grados centígrados. El material orgánico se infiltra en la materia inorgánica y forma una película compacta de tipo perovskita que es significativamente más uniforme que las películas producidas por la técnica húmeda.


En las primeras pruebas, la técnica ha producido células solares con una tasa de conversión de energía de más del 12 por ciento, una tasa comparable o mejor que la de las células solares de silicio amorfo. Además, los investigadores de la UCLA están trabajando para mejorar el rendimiento. Igual de importante es el hecho de que el proceso, que en el laboratorio se utilizó para desarrollar células solares del tamaño de un sello de correos, parece tener potencial suficiente para ser ampliado de escala y permitir fabricar células solares más grandes para su uso en aplicaciones comerciales.

Las células solares inspiradas en la perovskita son una de las tecnologías de energía solar más prometedoras de la actualidad. Durante el último año, los incrementos de las células solares de tipo perovskita en la eficiencia de conversión de luz solar en electricidad han superado ampliamente a los incrementos conseguidos por otros materiales para energía solar. Ahora, con el nuevo proceso, la fabricación de células solares inspiradas en la perovskita puede ser más simple y económica.

En el trabajo de investigación y desarrollo también han participado Ziruo Hong, Gang Li, Yongsheng Liu, Song Luo, Hsin-Sheng Duan y Hsin-Hua Wang, todos de la UCLA.

MEJORA ESPECTACULAR DE LA CONVERSIÓN DE CALOR EN ELECTRICIDAD.NANOTECNOLOGÍA.

Se ha logrado dar con un modo de mejorar radicalmente los materiales termoeléctricos, un hallazgo que podría conducir algún día al desarrollo de mejores paneles solares, aparatos de refrigeración con mayor eficiencia energética, e incluso la creación de nuevos dispositivos capaces de convertir en electricidad adicional la enorme cantidad de calor desperdiciado en las centrales eléctricas.

La nueva tecnología, basada en construir un conjunto de columnas nanométricas encima de una lámina de material termoeléctrico, representa una forma del todo nueva de abordar un problema centenario.

El efecto termoeléctrico, descubierto en el siglo XIX, consiste en la capacidad de generar una corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura entre un lado de un material y el otro. Y, a la inversa, la aplicación de un voltaje eléctrico a un material termoeléctrico puede causar que un lado del material se caliente, mientras que el otro se mantiene frío, o, alternativamente, que un lado se enfríe mientras que el otro permanece caliente.

Se han empleado dispositivos que incorporan materiales termoeléctricos de las dos formas: para crear electricidad a partir de una fuente de calor, como el Sol, por ejemplo, o para enfriar instrumentos de precisión consumiendo electricidad.

Sin embargo, el uso amplio de materiales termoeléctricos se ha visto dificultado por un problema fundamental que ha mantenido ocupados a los científicos durante décadas. Los materiales que permiten a la electricidad fluir a través de ellos también hacen lo mismo con el calor. Esto significa que en cuanto una diferencia de temperatura crea un potencial eléctrico, esta diferencia empieza a disiparse, debilitando la corriente que creó.

Hasta los años 90, los científicos se enfrentaron a este problema buscando materiales con propiedades intrínsecas que permitían a la electricidad fluir más fácilmente que el calor.



La entrada en escena de la nanotecnología abrió nuevas oportunidades.

Utilizando nanotecnología, los físicos de materiales empezaron a crear barreras en materiales termoeléctricos, como agujeros o partículas, que impedían el paso del flujo de calor más que el del flujo de electricidad. Pero incluso en el mejor de los casos, el flujo de electrones, que transportan la energía eléctrica, también se veía enlentecido.

Ahora, el equipo de Mahmoud Hussein y Bruce Davis, de la Universidad de Colorado en la ciudad estadounidense de Boulder, ha demostrado que se podría usar la nanotecnología de una forma totalmente diferente para enaltecer la transferencia de calor sin afectar al movimiento de los electrones.


El nuevo concepto implica construir una celosía de pilares a escala nanométrica sobre una hoja de material termoeléctrico, como el silicio, para formar lo que los autores de la investigación definen como metamaterial nanofónico. El calor es transportado a través del material como un tipo de vibraciones de lo que se conoce como fonones. Los átomos que forman los pilares en miniatura también vibran en diversas frecuencias. Davis y Hussein utilizaron un modelo informático para mostrar que las vibraciones de los pilares interactuarían con las de los fonones, enlenteciendo el flujo de calor. No se espera que las vibraciones de los pilares afecten a la corriente eléctrica.

El equipo de investigación estima que los pilares a nanoescala podrían reducir a la mitad el flujo de calor a través de un material, pero la reducción podría ser significativamente mayor porque los cálculos se hicieron de manera muy conservadora, según explica Hussein.

Si, tal como parece, ésta es una vía práctica de mejorar considerablemente la conversión de energía termoeléctrica, habrá todo tipo de importantes aplicaciones prácticas. Entre ellas, se incluye la recaptura del calor residual emitido por todo tipo de equipamientos, desde ordenadores de sobremesa a centrales eléctricas, y convertir ese calor en electricidad. Sistemas termoeléctricos mejores podrían asimismo mejorar grandemente la eficiencia de los paneles solares y de los dispositivos de refrigeración.

El próximo paso para Hussein es entablar colaboraciones con colegas del departamento de física de su universidad y de otras instituciones para fabricar los pilares, a fin de que la idea pueda ser ensayada en el laboratorio.