TR35 Spain Technology Review en español elige a los 10 innovadores menores de 35

Gerasimos Konstantatos, 33

Nanomateriales ultrasensibles para cámaras infrarrojas de alta resolución

ICFO

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¿Qué tienen en común una cámara fotográfica y un panel fotovoltaico? Hasta hace poco, solo la luz, esencial para su funcionamiento. A partir de ahora, unos diminutos cristales llamados puntos cuánticos que permiten a ambos dispositivos ser mucho más eficientes y baratos.

La fabricación y manejo de estos nanocristales es la especialidad de Gerasimos Konstantatos,  líder del grupo de investigación en dispositivos nanofotónicos procesables en solución del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO). Este joven ingeniero eléctrico e informático ha encontrado la manera de usarlos para crear fotodetectores de alto rendimiento y sensores de imagen a un precio muy inferior al de la tecnología actual. “Una cámara de visión infrarroja que cuesta 20.000 dólares podría ser reemplazada por una basada en puntos cuánticos disponible por unos 100 dólares”, explica Konstantatos.

El elevado precio de las cámaras que son capaces de captar luz no solo del espectro visible sino también en el infrarrojo se debe, en parte, a la compleja fabricación de sus sensores. El silicio, material del que están hechos los chips y los fotodiodos de los píxeles de las cámaras corrientes, atrapa solo entre el 20 y el 40 por ciento de la luz llega hasta él. Además, no es sensible al infrarrojo, por lo que para aplicaciones de visión nocturna deben utilizarse otros semicondutores menos corrientes como el arseniuro de indio y galio. Pero tal y como explica Konstantatos, la fabricación de sensores con estos materiales es “compleja y cara” y las cámaras que los incorporan ofrecen resoluciones bajas, inferiores a un megapíxel.

Por el contrario, mediante la modificación del tamaño y la forma de los puntos cuánticos que fabrica, Konstantatos aprovecha las grandes cualidades de absorción de fotones de estos nanocristales para crear fotodetectores capaces de capturar el 100 por ciento de la luz que les llega. Mientras que los sensores corrientes destinan una parte de su superficie a la detección de luz y otra a alojar los componentes electrónicos necesarios para procesar la imagen, los diseñados por el joven TR35 llevan una película de puntos cuánticos por encima de la parte electrónica, lo que les permite “cubrir totalmente el área” y obtener una sensibilidad muy superior y resoluciones de varios megapíxeles.

Este abaratamiento abre la puerta a la expansión del mercado de las cámaras en el infrarrojo tanto para consumo masivo como para dispositivos que mejoren la visión nocturna durante la conducción o la vigilancia. De hecho, las ondas infrarrojas son básicas también en campos como la imagen médica, el monitoreo ambiental o la observación del espacio profundo en astrofísica, campos que podrían beneficiarse del desarrollo comercial de estos nanomateriales.

Además, la transición a su fabricación masiva podría ser sencilla ya que Konstantatos no solo ha descubierto la forma de modular las propiedades de los puntos cuánticos, sino que ha desarrollado sistemas de procesamiento convencionales para obtenerlos. “Utilizamos técnicas similares a las que se emplean para fabricar CDs o DVDs”, explica el investigador. “Colocamos una gota de solución en la que flotan los puntos cuánticos en un sustrato y lo hacemos girar hasta que se extiende, el solvente se evapora y se crea una fina película en estado solido que cubre el dispositivo”.

A partir de las invenciones de Konstantatos, sus colaboradores de la Universidad de Toronto han fundado la empresa InVisage para comercializar su tecnología en el campo de la imagen digital. “Se centran en cámaras para teléfonos móviles”, explica el joven.

Kostantatos ha encontrado también la manera de unir las ventajas de los puntos cuánticos con las de otra de las grandes promesas de la ciencia a nanoescala: el grafeno. Los resultados de esta combinación, presentados recientemente en la revista científica Nature Nanotechnology, dan cuenta de cómo ha conseguido que esta configuración tenga “una ganancia fotocondutiva sin precedentes”, y se adentran en un área de interés a caballo entre la ciencia de materiales y la ingeniería eléctrica.

“Lo que hacemos es ‘sensitivizar’ el grafeno”, afirma Konstantatos. “Explotamos sus cualidades, la alta movilidad de electrones y su carácter bidimensional, que hace posible modular la densidad de cargas con los puntos cuánticos”, añade. Esta tecnología aún no es comercial pero el TR35 sigue investigando en otras posibles aplicaciones de esta ‘sensitivización’ de materiales mediante estos nanocristales.

En 2005, el joven presentó unos polímeros para células solares capaces de atrapar longitudes de onda que los paneles convencionales desaprovechaban. “Usamos los puntos cuánticos para extender su sensibilidad y que captaran luz del infrarrojo”, explica. Desde entonces, la tecnología fotovoltaica ha evolucionado mucho y su equipo ya ni siquiera utiliza polímeros, sino directamente los nanomateriales. “Usamos los puntos cuánticos  no solo para absorción sino también para transferencia de cargas dentro de las células solares”, afirma. Con este sistema obtienen eficiencias del seis por ciento, lejos aún de las que ofrecen los paneles tradicionales que, sin embargo, son mucho más caros de fabricar. Konstantatos calcula que si alcanzan eficiencias del 10 por ciento –algo que esperan conseguir en cinco años- estarán “en una posición mucho mejor que el silicio en términos de coste por vatio”.

El TR35 ha demostrado que es posible concretar las promesas de materiales cuyas propiedades aún no controlan del todo los científicos pero que levantan grandes expectativas, por ejemplo, entre quienes sueñan con conseguir comunicaciones más rápidas. “La belleza de estos materiales radica que puedes depositarlos en silicio e integrar circuitos electrónicos y fotónicos a un precio muy bajo”, explica. Según Konstantatos, el transporte de información entre chips es “el cuello de botella de la electrónica” y utilizar luz para realizar esa transferencia, en lugar de una base electrónica, lo resolvería. “Pero es algo que veremos a largo plazo”, puntualiza.

Por el momento, en opinión de Juan Meléndez, profesor del Laboratorio de Sensores Teledetección e Imagen en el Infrarrojo de la Universidad Carlos III de Madrid, el trabajo de Konstantatos es ya “claramente innovador, tanto en la tecnología usada como en los resultados obtenidos, en un campo que tiene aplicaciones de muy largo alcance”. También Arturo Menchaca, líder del grupo de Física Experimental Nuclear y de Altas Energías del Instituto de Física de la UNAM (México) y miembro del jurado de los Premiso TR35 Spain, destaca el hecho de que con solo 33 años Konstantatos es ya "un científico y tecnólogo reconocido a nivel mundial" por los trabajos publicados de los que es coautor y que prometen tener "un impacto práctico y un potencial significativo para cambiar nuestra vida". - Elena Zafra

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