El objetivo de Zhong Lin Wang, un científico de materiales de Georgia Tech, es llevar energía al nano-mundo con generadores diminutos que aprovechan la piezoelectricidad. Si tiene éxito, los nano-sensores biológicos y químicos serán capaces de auto-propulsarse.
El efecto piezoeléctrico - en el que materiales cristalinos bajo tensión mecánica producen un potencial eléctrico – es conocido desde hace más de un siglo. Pero en 2005, Wang fue el primero en demostrarlo a nanoescala al doblar nanocables de iones de zinc y óxido con la sonda de un microscopio de fuerza atómica. A medida que los cables se doblan y vuelven a su forma original, el potencial producido por los iones de zinc y óxido generan una corriente eléctrica. La corriente que Wang obtuvo de los cables en sus experimentos iniciales fue pequeña: el potencial eléctrico alcanzó un máximo de unos pocos milivoltios. Pero Wang, sospechó correctamente que con suficiente manipulación, podría diseñar una fuente de energía práctica a nanoescala utilizando las vibraciones pequeñas que nos rodean, las ondas sonoras, el viento, e incluso la turbulencia del flujo sanguíneo sobre un dispositivo implantado. Estos movimientos sutiles doblarían a los nanocables, generando electricidad.
Cables piezoeléctricos: La tensión mecánica producida al doblar un nanocable de óxido de zinc crea un potencial eléctrico que atraviesa el cable. La conversión de energía mecánica en energía eléctrica se llama efecto piezoeléctrico. Se utiliza en los dispositivos que aparecen en la página siguiente, que pueden hacerse con nanocables.
Crédito: Bryan Christie Design
nEn noviembre 2008, Wang incorporó nanocables de óxido de zinc a una capa de polímero; las láminas resultantes produjeron 50 milivoltios al flexionarlas. Este es un paso importante hacia impulsar sensores diminutos.
Y Wang espera que estos generadores eventualmente se puedan incorporar a las telas; el crujido de una camisa podría generar suficiente energía como para cargar las baterías de dispositivos como iPods. Por ahora, la producción de un nanogenerador es demasiado pequeña para eso. "Tenemos que llegar a 200 milivoltios o más", comenta Wang. Él va a llegar a esa cantidad creando capas de cables, agrega, a pesar de que podría tomar entre cinco y diez años más de ingeniería cuidadosa.
Mientras tanto, Wang ha demostrado los primeros componentes de una clase nueva de sensores a nanoescala. Nano-piezotrónica, como él llama a esta tecnología, aprovecha el hecho de que los nanocables de óxido de cinc no sólo muestran el efecto piezoeléctrico, sino que también son semiconductores. La primera propiedad les permite actuar como sensores mecánicos, porque producen una respuesta eléctrica a la tensión mecánica. La segunda significa que pueden utilizarse para hacer los componentes básicos de los circuitos integrados, incluso transistores y diodos. A diferencia de los componentes electrónicos tradicionales, la nano-piezotrónica no necesita una fuente exte a de electricidad. Genera la propia cuando se expone al mismo tipo de estrés mecánico que impulsa a los nano-generadores.
Liberar a la nano-electrónica de fuentes de energía exte as permite todo tipo de posibilidades. Un audífono nanopiezotrónico integrado con un nanogenerador podría utilizar un conjunto de nanocables, cada uno sintonizado para vibrar en una frecuencia diferente cubriendo una gama amplia de sonidos. Los nanocables convertirían a los sonidos en señales eléctricas y las procesaría para que puedan transmitirse directamente a las neuronas en el cerebro. Esa prostética neuronal implantada, no sólo sería más compacta y más sensible que los audífonos tradicionales, sino que no necesitarían quitarse para cambiar sus baterías. Los sensores nano-piezotrónicos también podrían utilizarse para detectar tensiones mecánicas en el motor de un avión; con sólo unos pocos componentes de nanocable se podrían controlar el estrés mecánico, procesar la información y, a continuación, comunicar los datos importantes al ordenador de un avión. Ya sea dentro del cuerpo o en el aire, los nano-dispositivos finalmente andarían sueltos en el mundo a todo nuestro alrededor.