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Científicos descubren nuevo fenómeno eléctrico en nanoescala

ANN ARBOR, Michigan.— En la escala de lo muy pequeño la física es peculiar. Un profesor de ingeniería biomédica de la Universidad de Michigan ha descubierto una nueva instancia de uno de tales fenómenos en nanoescala que podría conducir a artefactos de diagnóstico más rápidos y menos costosos, y que podría expandir la construcción de aparatos micromecánicos y “laboratorios en microprocesador”.

En nuestro mundo de macroescala los materiales llamados conductores transmiten eficaz y eficientemente la electricidad, y los materiales llamados aislantes o dialéctricos no lo hacen, menos que reciban una descarga de voltaje extremadamente alto. Bajo tales circunstancias de “ruptura dialéctrica”, como cuando un rayo impacta un techo, el material dialéctrico (en este caso el techo) sufre un daño irreversible.

Pero esto no ocurre en la nanoescala según un descubrimiento nuevo hecho por Alan Hunt, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica. Hunt y su equipo asociado fueron capaces de pasar una corriente eléctrica de manera no destructiva a través de una astilla de vidrio, un material que no es usualmente conductor.
Un artículo sobre esta investigación se publica en Internet en la revista Nature Nanotechnology.

“Éste es un fenómeno físico nuevo y auténticamente de nanoescala”, dijo Hunt. “En escalas mayores, no funciona. Lo qu ocurre es un calentamiento extremo y daños”.

“Lo que importa es cuán aguda es la caída de voltaje a través de la distancia del dialéctrico”, añadió. “Cuando se llega a la nanoescala y se hace el dialéctrico extremadamente delgado se puede alcanzar la ruptura con voltajes modestos que pueden ser provistos por baterías. No ocurre el daño porque se trabaja en una escala tan pequeña que el calor se disipa de manera extraordinariamente rápida”.

Estas astillas o cintas dialéctricas conductoras en nanoescala son lo que Hunt llama electrodos de vidrio líquido, fabricados en el Centro de Ciencia Óptica Ultrarrápida de la UM con un laser de femtosegundo que emite pulsos de luz que duran apenas una cuadrillonésima de un segundo.

Los electrodos de vidrio son ideales para el uso en laboratorios en microprocesador, artefactos que integran múltiples funciones de laboratorio en un “chip” que mide apenas milímetros o centímetros. Estos artefactos podrían llevar a pruebas hogareñas instantáneas para la detección de enfermedades, contaminantes en la comida y gases tóxicos. Pero la mayoría de ellos necesita una fuente de energía para operar, y hasta ahora necesitan cables que conduzcan esa energía. A menudo los ingenieros tienen dificultades insertando estos alambres en artefactos diminutos, señaló Hunt.

“El diseño de artefactos microfluídicos esta limitado al problema del suministro de energía”, añadió. “Pero lo que podemos hacer es incorporar electrodos directamente adentro del artefacto”.

En lugar de usar alambres para el suministro de energía, el equipo de Hunt repuja canales a través de los cuales el fluido iónico puede transmitir la electricidad. Estos canales, que son miles de veces más estrechos que el punto sobre esta “i” concluyen físicamente en sus intersecciones con los canales microfluídicos o nanofluídicos en los cuales se conduce el análisis en el laboratorio en microprocesador. (Esto es importante para evitar la contaminación”). Pero la electriciad en los canales iónicos pueden atravesar rápidamente el extremo del vidrio fino sin dañar el artefacto en el proceso.

Este descubrimiento fue resultado de un accidente. Dos canales en un artefacto nanofluídico experimental no se alinearon de la forma apropiada, dijo Hunt, pero los investigadores descubrieron que la electricidad de todos modos pasó a través del artefacto.

“Esto nos sorprendió ya que contraría el concepto aceptado acerca del comportamiento de los materiales no conductores”, indicó Hunt.
“Después de más estudio pudimos comprender por qué ocurre esto, pero sólo en la escala de nanómetros”.

En cuanto a las aplicaciones en electrónica Hunt señala que los cables necesarios en los circuitos integrados limitan fundamentalmente su tamaño. “Si uno pudiera utilizar la ruptura dialéctrica reversible a su favor en lugar de que sea un obstáculo, de podrían cambiar significativamente las cosas”, dijo Hunt.

El artículo se titula “Liquid glass electrodes for nanofluidics”. La investigación la financian los Institutos Nacionales de Salud.

La universidad está gestionando una protección de patente sobre la propiedad intelectual y busca socios para la comercialización que ayuden a llevar la tecnología al mercado.

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