Nanopilar

Nanopillars es una tecnología emergente dentro del campo de las nanoestructuras . Los nanopilares son nanoestructuras en forma de pilar de aproximadamente 10 nanómetros de diámetro que se pueden agrupar en forma de rejilla. ^[1] Son un tipo de metamaterial , lo que significa que los nanopilares obtienen sus atributos al estar agrupados en estructuras diseñadas artificialmente y no por sus propiedades naturales. Los nanopilares se distinguen de otras nanoestructuras debido a su forma única. Cada nanopilar tiene una forma de pilar en la parte inferior y un extremo puntiagudo cónico en la parte superior. Esta forma, en combinación con la capacidad de los nanopilares para agruparse, exhibe muchas propiedades útiles. Los nanopilares tienen muchas aplicaciones, incluida la eficienciaPaneles solares , análisis de alta resolución y superficies antibacterianas .

Aplicaciones

Paneles solares

Debido a sus extremos cónicos, los nanopilares son muy eficientes para capturar la luz. Las superficies de los colectores solares recubiertas con nanopilares son tres veces más eficientes que las células solares de nanocables . ^[2] Se necesita menos material para construir una célula solar a partir de nanopilares en comparación con los materiales semiconductores normales. También se mantienen bien durante el proceso de fabricación de paneles solares. Esta durabilidad permite a los fabricantes utilizar materiales más baratos y métodos menos costosos para producir paneles solares. Los investigadores están buscando colocar dopantes en la parte inferior de los nanopilares, ^[3]para aumentar la cantidad de tiempo que los fotones rebotan alrededor de los pilares y, por lo tanto, la cantidad de luz capturada. Además de capturar la luz de manera más eficiente, el uso de nanopilares en los paneles solares les permitirá ser flexibles. La flexibilidad brinda a los fabricantes más opciones sobre cómo quieren que se formen sus paneles solares y reduce los costos en términos de la delicadeza con que deben manejarse los paneles. ^[4] Aunque los nanopilares son más eficientes y más baratos que los materiales estándar, los científicos aún no han podido producirlos en masa. Este es un inconveniente importante del uso de nanopilares como parte del proceso de fabricación.

Superficies antibacterianas

Los nanopilares también tienen funciones fuera de la electrónica y pueden imitar las defensas de la naturaleza. Las alas de las cigarras están cubiertas de pequeñas varillas en forma de nanopilares. Cuando las bacterias descansan sobre el ala de una cigarra, su membrana celular se adhiere a los nanopilares y las grietas entre ellos, rompiéndola. Dado que las varillas de las cigarras tienen aproximadamente el mismo tamaño y forma que los nanopilares artificiales, es posible que los humanos copien esta defensa. Una superficie cubierta con nanopilares eliminaría inmediatamente todas las bacterias de la membrana blanda. Es más probable que las bacterias más rígidas no se rompan. Si se producen en masa y se instalan en todas partes, los nanopilares podrían reducir gran parte del riesgo de transmitir enfermedades al tocar superficies infectadas. ^[5]

Análisis molecular de alta resolución

Otro uso de los nanopilares es la observación de células. Los nanopilares capturan la luz tan bien que cuando la luz los golpea, el brillo que emiten los nanopilares se apaga a unos 150 nanómetros. Debido a que esta distancia es menor que la longitud de onda de la luz, permite a los investigadores observar objetos pequeños sin la interferencia de la luz de fondo. ^[6] Esto es especialmente útil en el análisis celular. Las células se agrupan alrededor de los nanopilares debido a su pequeño tamaño y lo reconocen como un orgánulo. ^[7] Los nanopilares simplemente mantienen las células en su lugar mientras se observan las células.

Historia

En 2006, investigadores de la Universidad de Nebraska-Lincoln y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore desarrollaron una forma más barata y eficiente de crear nanopilares. Utilizaron una combinación de litografía de nanoesferas (una forma de organizar la red) y grabado de iones reactivos (moldeando los nanopilares a la forma correcta) para hacer grandes grupos de pilares de silicio con diámetros de menos de 500 nm. ^[8] Luego, en 2010, los investigadores fabricaron una forma de fabricar nanopilares con extremos cónicos. ^[9]El diseño anterior de un pilar con una parte superior plana y roma reflejaba gran parte de la luz que llegaba a los pilares. Las tapas ahusadas permiten que la luz entre en el bosque de nanopilares y la parte inferior más ancha absorbe casi toda la luz que le llega. Este diseño captura aproximadamente el 99% de la luz, mientras que las nanovarillas que tienen un grosor uniforme solo capturan el 85% de la luz. Después de la introducción de los extremos cónicos, los investigadores comenzaron a encontrar muchas más aplicaciones para los nanopilares.

Ver también

Proceso de manufactura

La construcción de nanopilares es un procedimiento simple pero largo que puede llevar horas. ^[10] El proceso para crear nanopilares comienza con la anodización de un molde de papel de aluminio de 2,5 mm de espesor. La anodización de la lámina crea poros en la lámina de un micrómetro de profundidad y 60 nanómetros de ancho. El siguiente paso es tratar la lámina con ácido fosfórico que expande los poros a 130 nanómetros. La lámina se anodiza una vez más haciendo que sus poros sean un micrómetro más profundos. Por último, se agrega una pequeña cantidad de oro a los poros para catalizar la reacción para el crecimiento del material semiconductor . Cuando se raspa el aluminio, queda un bosque de nanopilares dentro de una carcasa de óxido de aluminio. ^[11]Además, las estructuras de pilares y tubos también se pueden fabricar mediante el enfoque de arriba hacia abajo de la combinación de litografía UV profunda (DUV) y deposición de capa atómica (ALD). ^{[12] [13]}

Referencias

1. "Matrices ordenadas de nanopilares de doble diámetro para una absorción óptica maximizada" (PDF) . Sociedad Química Americana.
2. "Conceptos básicos de nanopilares" . nanoall.
3. Heng, Lee. "Los nanopilares aumentan significativamente la eficiencia de conversión de energía de las células solares de película delgada" . phys.org.
4. Preuss, Paul. "Los nanopilares prometen células solares flexibles, eficientes y económicas" . Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
5. Quirk, Trevor. "Las alas de los insectos trituran las bacterias en pedazos" . grupo editorial de naturaleza.
6. "Los nanopilares producen fotografía molecular de mayor resolución" . Kurzweil . Consultado el 29 de octubre de 2013 .
7. Souza, Natalie (2011). "Nanopilares de luz" (PDF) . Métodos de la naturaleza . Nature America. 8 (4): 284–5. doi : 10.1038 / nmeth0411-284a . PMID 21574270 . Consultado el 29 de octubre de 2013 .  
8. Michael, Berger. "Un nuevo proceso de bajo costo para fabricar nanopilares" . Nanowerk.
9. Ben, Coxworth. "Los semiconductores de nanopilares se adaptan a las células solares mejores y más baratas" . Gizmag.
10. Kwon, JT; Shin, HG; Seo, YH; Kim, BH; Lee, HG; Lee, JS (2009). "Método de fabricación simple de nanopilares jerárquicos mediante procesos de anodización de aluminio". Física Aplicada Actual . 9 (2): e81 – e85. doi : 10.1016 / j.cap.2008.12.034 .
11. Patel, Prachi. "Nanopilares que atrapan más luz" . Revisión de tecnología del MIT.
12. Shkondin, E .; Takayama, O., Aryaee Panah, ME; Liu, P., Larsen, PV; Mar, MD, Jensen, F .; Lavrinenko, AV (2017). "Matrices de nanopilares de ZnO dopados con Al dopado con Al a gran escala como metamateriales anisotrópicos" (PDF) . Materiales ópticos Express . 7 (5): 1606–1627. doi : 10.1364 / OME.7.001606 .
13. Shkondin, E .; Alimadadi, H., Takayama, O .; Jensen, F., Lavrinenko, AV (2020). "Fabricación de nanotubos independientes coaxiales huecos de alta relación de aspecto de Al2O3 / ZnAl2O4 basados ​​en el efecto Kirkendall". Journal of Vacuum Science & Technology A . 38 (1): 1606–1627. doi : 10.1116 / 1.5130176 .