NEMS: Sistemas Nanoelectromecánicos Explicados — Características Clave y Aplicaciones

Los NEMS (abreviatura de NanoElectroMechanical Systems o Sistemas Nanoelectromecánicos) son dispositivos que integran funcionalidad eléctrica y mecánica a nanoescala, es decir, a 100 nanómetros o menos.

Son el nivel avanzado de miniaturización tras los MEMS (Sistemas Microelectromecánicos) que normalmente tratan con componentes entre 1 y 100 nanómetros de tamaño.

Los NEMS tienen varios atributos fascinantes. Pueden proporcionar acceso a frecuencias fundamentales en el rango de microondas, sensibilidades de fuerza a nivel de attonewton, capacidades térmicas muy por debajo de un yoctocalorio, masas activas en el rango de femtogramos, sensibilidad de masa a nivel de moléculas individuales —la lista continúa.

Los NEMS contienen principalmente aparatos como actuadores, sensores, resonadores, haces, sensores y motores. Estos componentes transforman una forma de energía en otra, que luego puede medirse y utilizarse fácilmente.

Primeros Ejemplos de NEMS

El primer NEMS fue construido por Dawon Kahng y Mohamed M. Atalla en Bell Labs en 1960. Era un MOSFET (transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor) con un grosor de óxido de compuerta de 100 nm.

Dos años después, fabricaron con éxito un transistor de unión metal-semiconductor con base de nanocapa que contenía películas de oro con un grosor de 10 nm. Sin embargo, el primer MOSFET con óxido de compuerta de 10 nm no llegó hasta 1987.

Ilustración de un MOSFET, mostrando cuerpo (B), fuente (S), compuerta (G) y drenaje (D).

La invención de MOSFETs de multi-compuerta en 1989 permitió a varias empresas, incluyendo Intel, IBM, AMD y Samsung Electronics, crear microprocesadores y celdas de memoria cada vez más pequeños.

El proceso VLSI (integración a muy gran escala) hizo posible combinar millones de transistores MOS en un solo chip. Estos circuitos integrados se adoptaron ampliamente en los años 70, permitiendo desarrollar semiconductores complejos y técnicas de comunicación.

CPU, GPU, RAM, ROM y otra lógica de pegamento son todos dispositivos VLSI. Antes de la invención del proceso VLSI, la mayoría de circuitos integrados solo podían realizar un número limitado de tareas.

Microprocesador 80486 (de los 90) con más de un millón de transistores.

El MOSFET ahora se considera el bloque de construcción básico de la electrónica moderna. Ha sido el principal responsable de aumentar la densidad de transistores, mejorar el rendimiento y reducir el consumo de energía de los circuitos integrados desde los años 60.

El MOSFET también es uno de los dispositivos más fabricados de la historia. En 2018, se habían fabricado unos 13 sextillones (13 mil billones) de MOSFETs.

¿Cómo se Fabrican los Dispositivos NEMS?

Los NEMS pueden fabricarse usando dos enfoques complementarios:

Enfoque Top-down (Descendente)

Utiliza técnicas convencionales de microfabricación, como litografía de haz de electrones u óptico y tratamientos térmicos, para construir dispositivos. Aunque proporciona mayor control sobre las estructuras resultantes, está limitado por la resolución de la técnica usada.

En este enfoque, los materiales de partida son estructuras relativamente grandes como cristales de silicio. Generalmente, capas de semiconductores grabados o películas metálicas delgadas se usan para fabricar dispositivos NEMS como nanobarras, nanohilos y nanoestructuras patrón.

En algunos casos, materiales grandes se trituran a nanoescala para aumentar la relación superficie-volumen, lo que finalmente mejora la reactividad de los nanomateriales. El proceso de fabricación de nanotubos de carbono usando grafito en un horno de arco es un ejemplo perfecto del enfoque top-down.

Enfoque Bottom-up (Ascendente)

Utiliza las características químicas de las moléculas para organizarlas o ensamblarlas en la conformación deseada. Estos enfoques se basan en conceptos de reconocimiento molecular (interacción específica entre dos o más moléculas) o autoensamblaje molecular (sin dirección externa).

Aunque proporciona control limitado sobre el proceso de fabricación, se pueden construir estructuras mucho más pequeñas sin desperdiciar mucho material comparado con enfoques top-down.

El enfoque bottom-up también se encuentra en la naturaleza. Por ejemplo, los sistemas biológicos explotan fuerzas químicas para producir estructuras celulares requeridas para la vida. Los investigadores intentan imitar este comportamiento de la naturaleza para crear grupos de ciertos átomos que puedan autoensamblarse en estructuras útiles.

Un buen ejemplo de tales enfoques es la fabricación de nanotubos de carbono usando una técnica de polimerización catalizada por metal.

Materiales Usados para Fabricar NEMS

1. Polidimetilsiloxano (PDMS)

El polidimetilsiloxano es el polímero orgánico a base de silicio más usado. Este elastómero de silicona es conocido por sus propiedades únicas. Es térmicamente estable, químicamente inerte, mecánicamente configurable, ópticamente transparente y, en general, no tóxico, inerte e inflamable.

Dado que puede formar un sellado hermético con silicio, puede integrarse en NEMS, configurando tanto características eléctricas como mecánicas. Las fuerzas adhesivas del polidimetilsiloxano funcionan mejor bajo entornos de humedad variable y poseen un coeficiente de fricción menor comparado con el silicio.

El bajo coeficiente de fricción e hidrofobicidad del PDMS lo hacen un material perfecto para incorporar en investigación NEMS. También está ganando atención en tecnología NEMS debido a su fabricación eficiente en tiempo y económica.

Estudios muestran que la tasa de degradación del polidimetilsiloxano en luz, calor y radiación puede ralentizarse con empaquetado apropiado y buena estabilidad de envejecimiento.

2. Materiales Basados en Carbono

Foto de microscopía de túnel de barrido de un nanotubo de carbono de pared simple | Crédito: NIST

Los alótropos de carbono, específicamente grafeno y nanotubo de carbono, se usan ampliamente en tecnología NEMS. Sus características cumplen directamente los requisitos de NEMS. Por ejemplo, las conductividades semiconductor y metálica de los alótropos de carbono les permiten operar como transistores.

Además de las ventajas mecánicas de los alótropos de carbono, las propiedades eléctricas del grafeno y nanotubos de carbono les permiten usarse en varios componentes de NEMS. La resistencia física del grafeno y nanotubos de carbono cumple demandas de estrés más altas. Así, se usan mayormente en desarrollo tecnológico NEMS.

Mientras que los NEMS de grafeno pueden operar como sensores de masa y fuerza, los NEMS de nanotubos de carbono se han utilizado ampliamente en nanomotores (que generan fuerzas del orden de piconewtons), interruptores y osciladores de alta frecuencia.

3. Máquinas Biológicas

Ilustración de nanorobots contra el cáncer

Las máquinas biológicas, como la miosina (maneja la contracción muscular), son las máquinas macromoleculares más complejas encontradas dentro de células, típicamente en forma de complejos multi-proteína.

Algunas son responsables de producción de energía y otras de expresión génica. Podrían jugar un papel crucial en nanomedicina. Por ejemplo, podrían usarse para detectar y destruir células tumorales.

La nanotecnología molecular es un campo emergente de la nanotecnología que explora la posibilidad de ingeniar máquinas biológicas, que podrían reorganizar materia a escala atómica. BioNEMS incluye elementos estructurales biológicos y sintéticos (de tamaño nanoescala) para aplicaciones biomédicas/robóticas. Nanorobots, por ejemplo, pueden inyectarse en el cuerpo para identificar y reparar infecciones.

Aunque los elementos propuestos de BioNEMS, como nanorobots y ensambladores moleculares, están muy por encima de las capacidades actuales, varios estudios han arrojado resultados prometedores para aplicaciones futuras.

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Aplicaciones

Los NEMS sirven como tecnología habilitadora, fusionando ciencias de la vida con ingeniería de formas que no son factibles actualmente con técnicas a microescala. Tendrán un impacto significativo en diversas industrias:

Industria de Semiconductores:

El dispositivo semiconductor más usado es el MOSFET. Representa el 99,9% de todos los transistores. Considerando la longitud de compuerta de transistores en dispositivos CPU o DRAM, la escala de longitud crítica de circuitos integrados ya está por debajo de 50 nanómetros. Los MOSFETs de silicio recientes se basan en transistores de efecto de campo de aleta que utilizan procesos de 10 nm y 7 nm.

Automoción:

Nanomateriales como nanoláminas, nanofibras, nanotubos, nanohilos y nanobarras ofrecen varios beneficios en el sector automotriz. Por ejemplo, nano-aditivos pueden mejorar significativamente la vida útil de neumáticos, así como resistencia a la abrasión, resistencia a la rodadura y tracción en mojado. Los NEMS también son clave para mejorar el rendimiento de celdas de combustible de futuras generaciones de coches de hidrógeno.

Comunicaciones:

Debido a propiedades mecánicas únicas (que permiten altas frecuencias de resonancia y alta sintonizabilidad de frecuencia), los resonadores NEMS, incluyendo resonadores de grafeno, proporcionan una base prometedora para futuros sistemas de comunicación ultrarrápidos. Sin embargo, la mayoría de desarrollos en este campo se limitan actualmente a modelos teóricos, simulaciones y experimentos de laboratorio.

Electrodo de grafeno para resonadores NEMS piezoeléctricos | Crédito: Universidad Northeastern

Sector Médico:

Los sensores NEMS detectan y monitorizan datos de pacientes como nivel de agua, nivel de glucosa y presencia de diversas proteínas e iones. Estos sensores pueden configurarse para identificar proteínas específicas desde albúmina humana hasta beta-2-microglobulinas. Además de monitorizar, pueden separar células de diferentes tamaños, previniendo obstrucciones en sistemas microfluídicos.

Almacenamiento y Producción de Energía:

La nanotecnología promete mucho para aumentar la vida útil y rendimiento de baterías de iones de litio. También tiene potencial para mejorar la densidad de potencia, acortar el tiempo de recarga, así como reducir peso y tamaño mientras mejora la estabilidad y seguridad de las baterías.

Además, hay investigación en curso para usar dispositivos electroquímicos a nanoescala, como celdas galvánicas o de combustible, para producir energía. Son bio-nanogeneradores que extraen energía de la glucosa en sangre en un cuerpo vivo (de la misma forma que el cuerpo genera energía de los alimentos).

También hay investigación en varios materiales nanoestructurados, especialmente nanohilos, con el objetivo de desarrollar celdas solares más eficientes e económicas que las posibles con celdas solares planas de silicio tradicionales.

Mercado Global y Futuro

El mercado actual de dispositivos NEMS está en su infancia. Está segmentado en nanotweezers, nanorresonadores, giroscopios, nanosensores, nanorobots, nanotweezers y otros componentes diminutos.

Se espera un crecimiento robusto en los próximos años, atribuido a beneficios de NEMS como su alta frecuencia de resonancia, bajo consumo de energía, múltiples frecuencias en un solo chip, y reducción de tamaño y coste de circuitos integrados.

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La investigación y desarrollo en nanomateriales y nanotecnología están en progreso. Según informes, se espera que el mercado global NEMS crezca a una CAGR del 29%. Alcanzará 108,88 millones de dólares para 2022, con Norteamérica liderando el mercado.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre MEMS y NEMS?

Los MEMS (Sistemas Microelectromecánicos) están compuestos por componentes cuyo tamaño varía de 1 μm a 100 μm. Los dispositivos MEMS suelen contener una unidad de procesamiento central (como un microprocesador) y múltiples componentes que interactúan con el entorno (como microsensores).

Los NEMS (Sistemas Nanoelectromecánicos), por otro lado, son el siguiente paso lógico de miniaturización de los MEMS. Estos dispositivos integran funcionalidad mecánica y eléctrica a nanoescala, estrictamente entre 1 y 100 nm.

¿Cuáles son las principales ventajas de los NEMS?

Los NEMS tienen propiedades únicas e interesantes, que se desvían grandemente de su predecesor MEMS. Por ejemplo, pueden tener:

• Frecuencias fundamentales en el rango de microondas (~100 GHz)
• Masa activa en el rango de femtogramos (10⁻¹⁵ g)
• Sensibilidad de masa hasta niveles de attogramos (10⁻¹⁸ g)
• Sensibilidad de fuerza a nivel de attonewton (10^-18 Newton)
• Capacidades térmicas muy por debajo de un yoctocalorio (4,184 x 10⁺²⁴ J)
• Consumo de energía en el orden de 10 attovatios (10⁻¹⁸ vatios)
• Baja disipación de energía
• Nivel de integración extremo, acercándose a 1,012 elementos por centímetro cuadrado

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¿De qué están hechos los nanosensores?

Los nanosensores están hechos de nanomateriales unidimensionales como nanotubos y nanohilos.

Estos diminutos dispositivos miden características físicas como volumen, concentración, temperatura, presión o fuerzas eléctricas y magnéticas. Las lecturas más comunes de nanosensores incluyen mecánicas, vibracionales, ópticas o electromagnéticas.