Científicos norteamericanos han descubierto un material que es capaz de almacenar entre mil y un millón de veces más datos que las actuales memorias de hoy. Esta capacidad de albergar información no tiene precedentes y en no demasiado tiempo podríamos estar hablando de chips de memoria de 1 Exabyte, mil millones de gigas. Espectacular avance que llevará a la informática a cotas nunca vistas. La singularidad tecnológica se acerca.
Los cristales pueden albergar una cantidad de información nunca vista hasta ahora.
Los investigadores de la Universidad de Florida trabajan en unos exóticos materiales que serán capaces de almacenar una cantidad de información nunca vista hasta ahora. Dicen los responsables del estudio que se trata de unos cristales muy particulares que funcionan de una manera determinada en el ámbito químico, de tal modo que los cristales ya poseen una estructura especial a nivel nanométrico que les permite guardar los datos de forma inherente. Normalmente los chips se fabrican pensando en interponer capas de material que se pueda interpretar como valores almacenados, pero estos extraños cristales lo hacen de modo natural gracias a sus particulares estructuras atómicas.
Naresh S. Dalal, el experto en bioquímica que se encarga de la investigación, dice que son «materiales multiferroicos» y eso quiere decir que son al mismo tiempo ferromagnéticos y ferroeléctricos, dependiendo de la temperatura a que sean sometidos. «Normalmente, estas dos propiedades son mutuamente excluyentes», dijo Dalal. «La mayoría de los materiales son ferromagnéticos o ferroeléctricos y están basados en el número de electrones en la capa electrónica exterior del ion. Por lo tanto, la búsqueda de cuatro materiales multiferroicos al mismo tiempo es científicamente significativo y abre numerosas puertas en términos de aplicaciones potenciales».
En teoría, con esos cuatro cristales se podrían diseñar chips mucho más pequeños y mucho más capaces en cuanto al almacenamiento de datos. Del orden de un millón de veces. Mientras que una tarjeta SD actual guarda 1 Gigabyte, un dispositivo del mismo tamaño hecho con estos materiales podría albergar hasta 1 Exabyte. La mala noticia es que, por ahora, esos exóticos cristales necesitan estar a 150 grados bajo cero para funcionar con esas capacidades. Se está estudiando para ver si se encuentran materiales similares a temperatura ambiente. Tu ludoteca universal tendrá que esperar otros tantos años o, en todo caso, comprarte un refrigerador de los buenos.
Resistente, flexible y de gran conductividad. Con propiedades entre semiconductor y metal, el grafeno es el material más resistente jamás descubierto y en el que los electrones se mueven con mayor facilidad, al menos cien veces más rápido que en el silicio. Sin embargo, esta forma de carbono puro de una sola capa atómica de espesor, que revolucionará la electrónica, la informática y las comunicaciones era difícil de producir a gran escala sin perder calidad.
Ya no lo es. Un grupo de investigadores de Samsung y de la universidad Sungkyunkwan, en Corea del Sur, han conseguido fabricar láminas flexibles de grafeno de 30 pulgadas (unos 76 centímetros de diagonal).
"El objetivo es utilizar una técnica muy parecida a la que se emplea para imprimir los periódicos, donde millones de páginas son impresas en muy poco tiempo. En este caso, en lugar de papel se usan rollos de un material plástico flexible y, en lugar de tinta, se deposita una capa de grafeno de bajo coste, que se utilizará en un futuro muy cercano como uno de los principales componentes de teléfonos móviles, televisores, paneles solares....", explica Tomás Palacios.
El equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), que lidera este ingeniero de telecomunicaciones español, es pionero en el desarrollo de circuitos y dispositivos electrónicos de grafeno. Su prototipo de transistor de grafeno de bajo coste fue presentado en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física en marzo de 2009 y, desde entonces, "se han producido avances importantes y prometedores. Por ejemplo, IBM ha logrado fabricar transistores de grafeno funcionando a 100 gigahercios (100 GHz)".
Si se conectara al multiplicador de frecuencia de grafeno, también desarrollado por Palacios en 2009, "la frecuencia de la señal de salida se duplicaría".
La progresión de este material de propiedades únicas, que también está cambiando la manera en la que se estudia la física, es "increíble. Está pasando de ser un material muy interesante para la ciencia básica a tener claras aplicaciones industriales. Paneles solares y teléfonos móviles ya serán fabricados con grafeno el año que viene", considera Palacios.
En septiembre, el MIT inaugura el Centro de Investigación sobre el Grafeno, que lidera el ingeniero español. Un centro en que investigadores y empresas (entre ellas algunos de los grandes fabricantes de semiconductores) no sólo intercambiarán sus conocimientos; los llevarán a la práctica.
Paralelamente, su equipo en el MIT sigue investigando. Por un lado, ha fabricado con este material la radio más pequeña del mundo, "que permite escuchar cualquier emisora y ser conectada a un altavoz". Por otro, ha abierto una línea de investigación que mezcla la electrónica basada en grafeno con la biología. Se trata de un sensor sobre el que se depositan células vivas. Como éstas se comunican mediante impulsos eléctricos y químicos, "utilizamos el grafeno para medir dichos impulsos y estudiar cómo estas células se relacionan entre sí".
Análisis celular
El objetivo es desarrollar nuevos instrumentos no intrusivos para el estudio celular. Hasta ahora, médicos y biólogos sólo podían observar las células bajo el microscopio o pincharlas para medir su voltaje. "Con este nuevo instrumento se logra obtener la misma información, pero sin dañar la célula. Como este material sólo tiene un átomo de espesor, cualquier cambio que se produce en la célula (composición química, voltaje...) depositada sobre el sensor modifica la conductividad del grafeno", precisa Palacios.
Y añade: "Saber cómo éstas se comunican, es el primer paso para entender el funcionamiento de órganos como el cerebro y cómo las celulas responden ante medicamentos y enfermedades".
Complemento del Silicio
Pese a las únicas características del grafeno (resistencia, flexibilidad y gran conductividad) este material con propiedades entre semiconductor y metal no sustituirá al silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, que se obtiene de la arena y con el que se fabrican los chips desde mediados del siglo pasado. "Ambos son complementarios", sostiene Tomás Palacios.
Y se podrán combinar. Por ejemplo, "a un chip de silicio se le podría añadir un sensor de grafeno para medir la calidad del aire o capturar imágenes nocturnas". El grafeno también podría sustituir al cobre -y otros materiales- que conectan a los transistores de silicio dentro de un microprocesador. "El grafeno tiene menos resistencia eléctrica que el cobre y, por lo tanto, los microchips se calentarían menos". Este es uno de los principales escollos que impiden fabricar chips cada vez más pequeños a mayor frecuencia.
(NC&T) El trabajo teórico realizado por Abhishek Singh, Evgeni Penev y Boris Yakobson, los tres de la Universidad Rice, abre un nuevo mundo de posibilidades para una clase de dispositivos cada vez más pequeños de la nanoelectrónica que depende de las propiedades semiconductoras altamente controlables de los puntos cuánticos, sobre todo en el campo de la óptica avanzada.
El grafano es simplemente grafeno modificado por átomos de hidrógeno agregados a ambos lados de la matriz que lo dotan de capacidad aislante. Si bien todavía es técnicamente de un solo átomo de espesor como el grafeno, el grafano ofrece grandes posibilidades para la manipulación de las propiedades semiconductoras del material.
Los puntos cuánticos son moléculas cristalinas de tamaños variables según la función, que contienen desde unos pocos átomos hasta cantidades elevadas de ellos, y que interactúan de maneras únicas con la luz y los campos magnéticos. El tamaño de un punto cuántico determina la cantidad de energía necesaria para cerrar el circuito, y eso lo hace ajustable en un grado preciso. Los puntos cuánticos activados de este modo son particularmente útiles como sensores químicos y células solares, así como para la captación de imágenes médicas y en circuitos de tamaño nanométrico. Los investigadores han calculado que quitando islas de hidrógeno de ambos lados de una matriz de grafano quedan hoyos con todas las propiedades de los puntos cuánticos.
Además de servir para las aplicaciones ópticas, los puntos cuánticos pueden ser útiles como sensores de una sola molécula y podrían conducir a la fabricación de transistores diminutos o láseres semiconductores también muy miniaturizados.
Todavía quedan pendientes de resolver las cuestiones referentes a cómo preparar conjuntos de puntos cuánticos en una hoja de grafano, pero los autores del estudio no consideran que haya obstáculos insalvables.
Desde hace siglos se sabe que los sólidos pueden ser cristalinos o amorfos. En un sólido cristalino o cristal, los átomos o moléculas están organizados de forma simétrica en celdas que se repiten periódicamente en el espacio, mientras que en un sólido amorfo no existe esa simetría.
Las simetrías de un cristal son de dos tipos: de traslación y de rotación. La simetría de traslación significa que la estructura del cristal es periódica, o sea que es la misma alrededor de todas sus celdas elementales. La simetría de rotación implica que la estructura del cristal se mantiene invariante si se le aplica una rotación de un cierto ángulo. En nuestro mundo tridimensional, esos ángulos de rotación están limitados a unos pocos valores, en concreto, 180º, 120º, 90º y 60º, o dicho de otro modo, las simetrías de rotación de los cristales sólo pueden ser de orden 2, 3, 4 ó 6. (Una simetría de rotación de orden 6, por ejemplo, significa que si la rotación se aplica 6 veces, se vuelve a la posición inicial; ésta es la rotación de 60º.) Esta limitación viene impuesta por la forma que deben tener las celdas elementales para, como en un rompecabezas, encajar unas con otras y llenar todo el espacio. Por la forma de esas celdas, todos los sólidos cristalinos se clasifican en sólo siete sistemas:
Cúbico (formado por cubos)
Tetragonal (formado por prismas rectos cuadrangulares)
Hexagonal (formado por prismas rectos de base hexagonal)
Ortorrómbico (formado por prismas rectos de base rómbica)
Monoclínico (formado por prismas oblicuos de base rombica)
Romboédrico (formado por paralelepípedos cuyas caras son rombos)
Triclínico (formado por paralelepípedos cualesquiera)
Sin embargo, en 1982, un grupo de investigadores de Israel, Francia y EE.UU. descubrió una aleación artificial de aluminio y magnesio cuya estructura presentaba una simetría de rotación de orden 5. El material no era amorfo, puesto que presentaba una estructura simétrica, ni cristalino, puesto que la simetría de rotación de orden 5 es incompatible con la simetría de traslación. Para describir este nuevo material, se acuñó el término "cuasicristal". Un cuasicristal se define como un sólido que presenta una estructura ordenada pero no periódica.
La estructura de los cuasicristales, aunque todavía no se entiende bien, se ha relacionado con las teselaciones aperiódicas, conjuntos finitos de figuras geométricas con las que es posible cubrir el plano de una manera no periódica. Aunque formalmente las teselaciones aperiódicas se empezaron a estudiar en el siglo XX, algunas de sus propiedades se han encontrado en motivos decorativos islámicos medievales.
Hasta ahora, todos los cuasicristales conocidos se habían fabricado artificialmente, y se pensaba que una estructura tan compleja no podía existir en la naturaleza. Pero un grupo de científicos de Italia y EE.UU. acaba de descubrir en las montañas Koryak, en el extremo oriente de Rusia, un mineral, compuesto por aluminio, hierro y cobre, cuya estructura es cuasicristalina.
Los cuasicristales no tienen solamente un interés teórico; ya se utilizan en la fabricación de rodamientos y de superficies antiadherentes para sartenes, por ejemplo. Son buenos aislantes térmicos y eléctricos, y muy resistentes al frotamiento.
El “memristor” es un componente de computadora que ofrece funciones de memoria y lógica en un paquete sencillo. Tiene el potencial de transformar la industria de semiconductores, permitiendo chips y computadoras más pequeñas, más rápidas, y más baratas.
Un ingeniero eléctrico de la Universidad de Michigan ha dado un paso hacia ese objetivo con la creación de un chip compuesto de memristores de escala nanométrica que puede almacenar hasta un kilobit de información. Anteriormente, sólo unos pocos circuitos memristores se habían demostrado en vez de una matriz a gran escala debido a cuestiones de fiabilidad y reproducibilidad. Aunque un kilobit no es una enorme cantidad de información, los investigadores lo consideran un avance que hará más escalable la tecnología para poder almacenar muchos más datos.
“Hemos demostrado matrices de memoria compatibles con un semiconductor complementario de óxido metálico, (CMOS, por sus siglas en inglés) de ultra alta densidad y la tecnología utilizada en la actualidad para microchips basados en un sistema de silicio memristive. Este es un primer paso importante” decía Wei Lu, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación.
La Ley de Moore que predice que la tecnología duplicará el número de transistores que caben en un circuito integrado cada dos años, se ha mantenido válida desde a mediados del año 1960. Cuantos más transistores en un chip, más rápido puede funcionar. Pero se vuelve más difícil de lograr.
Este aumento de transistores ahora se enfrenta a varios retos fundamentales y prácticos incluidos el aumento de la disipación de energía a medida que los transistores se reducen de tamaño, las dificultades en el establecimiento de todas las interconexiones necesarias, y el alto coste para reducir las variaciones de los dispositivos. Los memristores tienen una estructura más sencilla y son atractivos para aplicaciones tales como las memorias porque es mucho más fácil colocar un gran número de ellos en un solo chip para lograr la máxima densidad.
La densidad de un chip de memoria basado en memristor puede ser al menos una orden de magnitud, es decir de un factor de 10, superior a los chip basados en transistores actuales. Tales circuitos de alta densidad también pueden ser muy rápidos. Uno puede guardar datos en una memoria de memristor a tres órdenes de magnitud más rápido que una memoria flash de hoy, por ejemplo.
Otro beneficio de la memoria de memristor es que no es volátil, como lo es la memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM, por sus siglas en inglés) actual. DRAM, se sobrescribe varias veces por segundo debido a que se desvanece con el tiempo. La memoria de memristor no tendría que sobrescribirse porque es más estable.
Los memristores podrían abrir paso a la memoria universal. Ya que los memristores pueden ser incluidos en los circuitos integrados, ofrecen una gran esperanza para circuitos robustos de lógica inspirados en la biología. Cada neurona en el cerebro humano está conectada a otras 10.000 neuronas mediante las sinapsis, está claro que los ingenieros no pueden lograr ese tipo de conectividad con los circuitos basados en transistores actuales. Sin embargo los circuitos de memristor podrían superar este problema.
Tomás Palacios. Investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts. Este joven español dirige un equipo dedicado al grafeno, un material sobre el que se construirá la electrónica del futuro
Tomás Palacios (Jaén, 1978) dejó boquiabierto al medio centenar de asistentes que decidieron acudir a la conferencia que impartió recientemente en Madrid, dentro de los cursos organizados en la Campus Party Europa. El equipo que dirige desde 2006 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) parece llamado a revolucionar la electrónica. Palacios se sonroja cuando se le mencionan diferentes foros en Internet donde se le augura un futuro Nobel de Física, una timidez que desaparece al hablar de unos elementos tan desconocidos como imprescincibles en la informática del futuro: el grafeno y el nitruro de galio. El investigador recibió el año pasado el premio que la Fundación Nacional de Ciencias de EEUU otorga a jóvenes investigadores.
Algunos consideran que su trabajo acabará con los procesadores de silicio, que dará lugar a una nueva etapa en la electrónica. ¿Exageran?
Un poco. Siempre vamos a tener silicio en la electrónica, como el cemento va a estar siempre en la construcción. Lo que sí vamos a hacer es incorporar materiales que aporten nuevas posibilidades, que construyan la electrónica del futuro.
¿Cuáles son esos materiales?
Mi equipo trabaja con el grafeno y el nitruro de galio, que se utiliza en los transistores empleados en los teléfonos móviles y en los LED y láseres azules. Es decir, todo aquel que tenga una PlayStation 3 con un lector Blu-ray tiene un dispositivo de nitruro de galio en su casa.
¿Qué aporta el grafeno a la electrónica?
El grafeno se obtiene del grafito, está formado por una capa atómica de carbono y es el material más delgado que conocemos. Pese a ello, también es el más fuerte, cinco veces más que el acero. Además, sus propiedades electrónicas son mucho mejores que las de cualquier otro material conocido. Básicamente, el grafito, que es el material que tenemos en las minas de los lápices, está formado por muchas capas de grafeno. El gran descubrimiento que posibilitó la revolución del grafeno llegó en el año 2004 en la Universidad de Manchester, cuando se consiguió aislar una de esas capas de grafeno del grafito.
¿Cuál es su utilidad práctica?
Mi grupo está trabajando en tres aplicaciones. La primera es electrónica. Con el grafeno se pueden fabricar transistores que tienen el potencial de ser entre diez y cien veces más rápidos que los de silicio. También es una única capa de átomos de carbono, lo que quiere decir que cualquier cosa que suceda en la superficie va a afectar a las propiedades del grafeno. Por tanto, es un material muy bueno para sensores, detección de moléculas, contaminación, virus, etc. Mi grupo está trabajando en biosensores. Por último, es un material transparente y conductor, por lo que se puede utilizar para células solares.
¿Por qué es un material tan desconocido?
Se estudia desde hace 50 años, pero hasta hace seis se creía que era imposible aislarlo. Cuando se logró, empezamos a hacer experimentos. Lo que hace mi grupo dentro del departamento de ingeniería electrónica del MIT es intentar encontrar aplicaciones para este nuevo material, como la fabricación de transistores.
¿Los chips de grafeno podrían multiplicar la velocidad de los superordenadores?
Esa es la esperanza de muchas empresas. Hay compañías como IBM e Intel que están interesadas en este material. Mi opinión es que esa aplicación va a ser una de las últimas que veamos para el grafeno, ya que es una de las más difíciles. La primera, que veremos previsiblemente a principio del año que viene, es utilizarlo como metal transparente para paneles solares, teléfonos móviles o monitores. En los dispositivos con una pantalla plana necesitas un material que sea conductor y transparente. Lo que se utiliza ahora es el indio, un elemento muy caro. Por eso se buscan alternativas.
Intel realiza sus propios estudios con el grafeno. ¿Comparte sus conocimientos con ellos?
En algunos proyectos se trabaja de forma independiente, pero también hay mucha colaboración entre empresas y universidades. Parte de mi financiación para estudiar el grafeno proviene de un consorcio de empresas de electrónica donde están compañías como IBM o Intel.
Una vez que conocemos las posibilidades del grafeno, ¿por qué no se comercializan chips que lo integren?
Hasta hace muy poco tiempo era muy difícil obtener suficiente grafeno como para hacerlo viable desde el punto de vista comercial. El método con el que se descubrió es lo que se llama método de la cinta adhesiva. Básicamente, se cogía un trozo de grafito que está formado por muchas capas de grafeno, se le pegaba cinta adhesiva, y al despegarlo, si había suerte, una capa de grafeno se había quedado adherida. Eso es lo que los físicos han utilizado en los últimos años para investigar, aunque por supuesto, no es viable desde el punto de vista comercial. Este ha sido uno de los frenos, aunque recientemente diversos grupos han encontrado maneras para obtener cantidades mayores de grafeno, lo que abre las puertas a nuevas aplicaciones. Otro de los frenos ha sido encontrar la aplicación idónea del grafeno. Mi grupo cree que esa aplicación son transistores, biosensores y metales transparentes.
¿Cuándo tendremos chips de grafeno en los ordenadores?
Vamos a tener monitores de grafeno antes que chips. Para esto último van a pasar al menos diez años. El grafeno se usará en los chips de dos formas: en los transistores y en el metal que se utiliza para conectarlos. En mi opinión, esa segunda opción llegará antes que la primera. En el laboratorio ya estamos haciendo chips para móviles, que van a estar en el mercado en dos o tres años y permitirán que tanto la velocidad de Internet que se puede alcanzar con el teléfono como la velocidad de transmisión inalámbrica sean mucho mayores. No todo en la informática son microprocesadores.
¿Regresaría a España para seguir investigando?
Nunca se puede afirmar algo rotundamente, pero hoy por hoy estoy muy contento en el MIT. En EEUU hay muchas facilidades para que un científico relativamente joven como yo tenga su propio grupo de trabajo e independencia para trabajar en lo que quiera.
Los cristales pueden albergar una cantidad de información nunca vista hasta ahora.
Los cristales pueden albergar una cantidad de información nunca vista hasta ahora.
