NEMS - Sistemas NanoElectroMecánicos | Una descripción general simple

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

Son el nivel avanzado de miniaturización después de MEMS (MicroElectroMechanical System) que generalmente se ocupa de componentes de entre 1 y 100 nanómetros de tamaño.

NEMS tiene varios atributos fascinantes. Puede proporcionar acceso a frecuencias fundamentales en el rango de microondas, sensibilidades de fuerza en el nivel de attonewton, capacidades de calor muy por debajo de una yoctocaloría, masas activas en el rango de femtogramos, sensibilidad de masa en los niveles de moléculas individuales:la lista continúa.

NEMS contiene principalmente aparatos como actuadores, sensores, resonadores, haces, sensores y motores. Estos componentes transforman una forma de energía en otra, que luego se puede medir y utilizar 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 semiconductor de óxido metálico) con un espesor de óxido de puerta de 100 nm.

Dos años más tarde, fabricaron con éxito un transistor de unión de semiconductores de metal a base de nanocapas que contenía películas de oro con un grosor de 10 nm. Sin embargo, el primer MOSFET con óxido de puerta de 10 nm no llegó hasta 1987.

Una ilustración de un MOSFET, que muestra el cuerpo (B), la fuente (S), la puerta (G) y los terminales de drenaje (D).

La invención de los MOSFET de múltiples puertas en 1989 permitió a varias empresas, incluidas 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 fueron ampliamente adoptados en la década de 1970, lo que permitió 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 los circuitos integrados solo podían realizar un número limitado de tareas.

Microprocesador 80486 (de la década de 1990) con más de un millón de transistores

MOSFET ahora se considera el componente 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 la década de 1960.

MOSFET es también uno de los dispositivos más fabricados de la historia. A partir de 2018, se fabricaron alrededor de 13 sextillones (o 13 mil billones) de MOSFET.

¿Cómo se fabrican los dispositivos NEMS?

NEMS se puede fabricar utilizando dos enfoques complementarios:

Enfoque de arriba hacia abajo: Utiliza técnicas de microfabricación convencionales, como la litografía por haz óptico o electrónico y tratamientos térmicos, para construir dispositivos. Aunque proporciona un mayor control sobre las estructuras resultantes, está limitado por la resolución de la técnica que se utiliza.

En este enfoque, los materiales de partida son estructuras relativamente grandes, como cristales de silicio. Generalmente, las capas de semiconductores grabadas o películas delgadas metálicas se utilizan para fabricar dispositivos NEMS como nanobarras, nanocables y nanoestructuras con patrones.

En algunos casos, los materiales grandes se trituran a escala nanométrica para aumentar la relación entre el área de la superficie y el volumen, lo que finalmente mejora la reactividad de los nanomateriales. El proceso de fabricación de nanotubos de carbono utilizando grafito en un horno de arco es un ejemplo perfecto de enfoque de arriba hacia abajo.

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

Si bien proporciona un control limitado sobre el proceso de fabricación, se pueden construir estructuras mucho más pequeñas sin desperdiciar mucho material en comparación con los enfoques de arriba hacia abajo.

El enfoque de abajo hacia arriba también se puede encontrar en la naturaleza. Por ejemplo, los sistemas biológicos aprovechan las fuerzas químicas para producir las estructuras celulares necesarias para la vida. Los investigadores intentan imitar este comportamiento de la naturaleza para crear grupos de ciertos átomos que puedan autoensamblarse en algunas estructuras útiles.

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

Materiales utilizados para fabricar NEMS

1. Polidimetilsiloxano

El polidimetilsiloxano es el polímero orgánico a base de silicio más utilizado. 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 y no inflamable.

Dado que puede formar un sello hermético con silicona, puede integrarse en NEMS, configurando características tanto eléctricas como mecánicas. Las fuerzas adhesivas del polidimetilsiloxano funcionan mejor en ambientes húmedos variables y poseen un coeficiente de fricción más bajo en comparación con el silicio.

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

Los estudios muestran que la tasa de degradación del polidimetilsiloxano a la luz, el calor y la radiación se puede ralentizar con un empaque adecuado y una buena estabilidad al envejecimiento.

2. Materiales a base de carbono

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

Los alótropos de carbono, específicamente el grafeno y los nanotubos de carbono, se utilizan ampliamente en la tecnología NEMS. Sus características cumplen directamente con los requisitos de NEMS. Por ejemplo, las conductividades semiconductoras y metálicas 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 los nanotubos de carbono permiten su uso en varios componentes de NEMS. La fuerza física del grafeno y los nanotubos de carbono satisfacen las demandas de mayor estrés. Por lo tanto, se utilizan principalmente en el desarrollo tecnológico de NEMS.

Si bien el NEMS de grafeno puede funcionar como sensores de masa y fuerza, los nanotubos de carbono NEMS 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 que combaten el cáncer

Las máquinas biológicas, como la miosina (maneja la contracción muscular), son las máquinas macromoleculares más complejas que se encuentran dentro de las células, generalmente en forma de complejos de múltiples proteínas.

Algunos de ellos son responsables de la producción de energía y otros de la expresión genética. Pueden jugar un papel crucial en la 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 diseñar máquinas biológicas que podrían reorganizar la materia a escala atómica. BioNEMS incluye elementos estructurales biológicos y sintéticos (de tamaño nanométrico) para aplicaciones biomédicas / robóticas. Los nanorobots, por ejemplo, se pueden inyectar en el cuerpo para identificar y reparar infecciones.

Si bien los elementos propuestos de BioNEMS, como los nanorobots y los ensambladores moleculares, están mucho más allá de las capacidades actuales, varios estudios han arrojado resultados prometedores para aplicaciones futuras.

Leer:Los nanorobots de ADN programados pueden reducir el tumor

Aplicaciones

NEMS sirve como tecnología habilitadora, fusionando las ciencias de la vida con la ingeniería de formas que actualmente no son factibles con técnicas de microescala. Tendrá un impacto significativo en varias industrias:

Industria de semiconductores: El dispositivo semiconductor más utilizado es el MOSFET. Representa el 99,9% de todos los transistores. Teniendo en cuenta la longitud de la puerta de los transistores en los dispositivos CPU o DRAM, la escala de longitud crítica de los circuitos integrados ya está por debajo de los 50 nanómetros. Los MOSFET de silicio recientes se basan en transistores de efecto de campo de aletas que utilizan procesos de 10 nm y 7 nm.

Automotriz: Los nanomateriales, como nanoláminas, nanotubos de nanofibras, nanocables y nanovarillas, ofrecen varios beneficios en el sector de la automoción. Por ejemplo, los nanoaditivos pueden mejorar significativamente la vida útil de los neumáticos, así como la resistencia a la abrasión, la resistencia a la rodadura y la tracción en mojado. NEMS también es la clave para mejorar el rendimiento de las pilas de combustible de las generaciones futuras de automóviles propulsados ​​por hidrógeno.

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

Electrodo de grafeno para resonadores NEMS piezoeléctricos | Crédito de la imagen:Northeastern University

Sector médico: Los sensores NEMS detectan y monitorean los datos de los pacientes, como el nivel del agua, el nivel de glucosa y la presencia de diversas proteínas e iones. Estos sensores se pueden configurar para identificar proteínas particulares que van desde la albúmina humana hasta las beta-2-microglobulinas. Además de monitorear, pueden separar celdas de diferentes tamaños, evitando la obstrucción en un sistema de microfluidos.

Producción y almacenamiento de energía: La nanotecnología es muy prometedora para aumentar la vida útil y el rendimiento de las baterías de iones de litio. También tiene el potencial de mejorar la densidad de potencia, acortar el tiempo de recarga, así como reducir el peso y el tamaño al tiempo que mejora la estabilidad y seguridad de las baterías.

Además, se está investigando el uso de dispositivos electroquímicos a nanoescala, como pilas galvánicas o de combustible, para producir energía. Son bio-nanogeneradores que obtienen energía de la glucosa en sangre en un cuerpo vivo (de la misma manera que el cuerpo genera energía a partir de los alimentos).

También se están investigando varios materiales nanoestructurados, especialmente nanocables, con el objetivo de desarrollar células solares más eficientes y económicas que las que son posibles con las células solares planas de silicio tradicionales.

Mercado global y futuro

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

Se espera que experimente un crecimiento sólido en los próximos años, lo que se atribuye a los beneficios de NEMS, como su alta frecuencia de resonancia, bajo consumo de energía, múltiples frecuencias en un solo chip y reducción de tamaño y costo de los circuitos integrados.

Leer:¿Qué es MEMS (sistema microelectromecánico)? Tipos y aplicación

La investigación y el desarrollo en el campo de los nanomateriales y la nanotecnología están en curso. Según los informes, se espera que el mercado global de NEMS crezca a una tasa compuesta anual del 29%. Alcanzará los 108,88 millones de dólares en 2022, con América del Norte a la cabeza del mercado.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre MEMS y NEMS?

Los MEMS (sistemas microelectromecánicos) están formados por componentes cuyo tamaño varía de 1 μm a 100 μm. Los dispositivos MEMS generalmente contienen 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 MEMS. Estos dispositivos integran funcionalidad mecánica y eléctrica a nanoescala, estrictamente entre 1 y 100 nm.

¿Cuáles son las principales ventajas de NEMS?

Los NEMS tienen propiedades únicas e interesantes, que se desvían mucho de sus predecesores MEMS. Por ejemplo, pueden tener

• Frecuencias fundamentales en el rango de microondas (aproximadamente ∼100 GHz)
• Masa activa en el rango de femtogramos (10 ⁻¹⁵ g)
• Sensibilidad de masa hasta niveles de attograma (10 ⁻¹⁸ g)
• Forzar la sensibilidad en el nivel attonewton (10 ^-18 Newton)
• Capacidades de calor muy por debajo de una yoctocaloría (4.184 x 10 ⁺²⁴ J)
• Consumo de energía del orden de 10 attowatts (10 ⁻¹⁸ vatios)
• Baja disipación de energía
• Nivel de integración extremadamente alto, cercano a los 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 nanocables.

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