Los investigadores han logrado un avance significativo en la ciencia de los materiales al crear nanotubos metálicos estables a partir de disulfuro de niobio, una hazaña que durante mucho tiempo se consideró difícil de alcanzar. ¿El ingrediente clave inesperado? Sal de mesa ordinaria. Este descubrimiento, publicado en ACS Nano, abre las puertas a una electrónica más rápida, cables superconductores y, potencialmente, incluso a futuras computadoras cuánticas.
Los nanotubos son cilindros minúsculos de átomos enrollados, miles de los cuales podrían caber en un cabello humano. Su tamaño y estructura únicos les confieren propiedades extraordinarias en comparación con los materiales a granel tradicionales. Pueden ser más fuertes que el acero pero más livianos que el plástico, conducir la electricidad de manera eficiente con una resistencia mínima, transferir calor de manera efectiva e incluso exhibir efectos cuánticos inusuales.
Estas características han convertido a los nanotubos en componentes básicos muy buscados para tecnologías avanzadas. Sin embargo, los esfuerzos anteriores se centraron principalmente en la creación de nanotubos a partir de carbono (semiconductor o semimetal) y nitruro de boro (aislante). La elaboración de nanotubos metálicos, que se comportan de manera diferente a nivel atómico, resultó un gran desafío.
Los nanotubos metálicos son inmensamente prometedores debido a su potencial para exhibir superconductividad (permitiendo que la electricidad fluya sin resistencia) y magnetismo. “Estas capas pueden, en principio, mostrar fenómenos como la superconductividad y el magnetismo, que son imposibles en versiones aislantes o semiconductoras”, explica Slava V. Rotkin, profesor de ingeniería y mecánica e investigador principal en Penn State. “Los intentos anteriores con nanotubos de carbono no lograron estas propiedades debido a una densidad electrónica insuficiente”.
El equipo se centró en el disulfuro de niobio, un metal conocido por su superconductividad en forma masiva. Consiguieron convertir este metal en tubos increíblemente delgados (millonésimas de metro de ancho) envolviéndolo alrededor de plantillas hechas de nanotubos de carbono y nitruro de boro.
Este proceso de conformación resultó ser el avance clave: normalmente, el disulfuro de niobio prefiere formar láminas planas.
¿La solución inesperada? Una minúscula adición de sal de mesa en un punto preciso del proceso de crecimiento. “En cierto sentido, fue como la alquimia”, dice Rotkin. “Agregas este pequeño ingrediente y de repente la reacción cambia. Sin sal, el disulfuro de niobio se aplana; con él, envuelve el nanotubo y forma las capas que necesitamos”.
Durante la observación surgieron más sorpresas. En lugar de formar principalmente tubos de una sola capa, estos nanotubos favorecían una estructura de doble capa, similar a las pajitas encajadas.
Rotkin postula que esta formación inusual es impulsada por la actividad eléctrica entre las capas. “Con dos capas, los electrones pueden saltar de una a otra”, explica, “actuando como un condensador de tamaño atómico que estabiliza toda la estructura”. Los modelos computacionales apoyan esta teoría.
Esta forma enrollada única también aborda un desafío persistente al trabajar con materiales planos 2D. Para crear nanocables a partir de estas láminas, los científicos suelen emplear litografía, similar a grabar patrones en chips de silicio. Sin embargo, a escalas tan minúsculas, el tallado deja bordes irregulares que alteran las propiedades del material.
“Si lo enrollas”, señala Rotkin, “tienes una cáscara sin enlaces colgantes. El diámetro de la cáscara te dice exactamente cuál será el comportamiento. Los nanotubos son mucho menos aleatorios que los nanocables cortados de láminas bidimensionales”. Esta precisión podría hacer que los nanotubos metálicos sean invaluables para aplicaciones que requieren un rendimiento confiable a nanoescala.
Si bien la investigación aún se encuentra en sus primeras etapas, esta prueba de concepto ofrece un vistazo a posibilidades interesantes. “Estos son resultados iniciales”, afirma Rotkin, “pero muestran que podemos cultivar nanotubos metálicos y empezar a comprender su estabilidad. A partir de aquí, podemos empezar a pensar en cómo integrarlos en las tecnologías”.
El proyecto subraya el poder de la colaboración internacional. “Este no es un trabajo que pueda realizarse de forma aislada”, subraya Rotkin. “Se necesita un equipo con experiencia diversa y tuve la suerte de ser parte de ese equipo”.
Las investigaciones futuras podrían allanar el camino para la creación de cables superconductores que permitan una electrónica más rápida, además de explorar aplicaciones en la computación cuántica: tecnologías que dependen del aprovechamiento de las propiedades únicas de los materiales a nanoescala.
