Vistas: 0 Autor: Editor del sitio Hora de publicación: 2022-08-26 Origen: Sitio
Los nanomateriales de carbono pueden reemplazar al silicio en los chips de computadora y cambiar muchas otras industrias, pero ¿por qué permanecen al borde de la comercialización?
En los últimos 20 años, se han logrado grandes avances en materiales de nanocarbono, compuestos de sustancias individuales de entre 1 y 100 nanómetros de tamaño, abriendo una amplia gama de posibilidades, desde la nanocomputación hasta los implantes médicos inteligentes.
Debido a su resistencia y conductividad únicas, los nanomateriales de carbono tienen el potencial de reemplazar al silicio en los chips de computadora.
Sin embargo, la comercialización de nuevos materiales es muy difícil. Llevar los resultados de laboratorio a la producción a gran escala es un proceso largo y arriesgado, similar a llevar un nuevo medicamento al mercado. Los obstáculos técnicos y el alto costo del tiempo de laboratorio y de la producción han provocado que muchos materiales disruptivos fallen desde el principio.
En el caso de los nanomateriales de carbono, los problemas de conductividad y los desafíos de producción significan que los chips de computadora basados en nanomateriales de carbono pueden estar más lejos de lo esperado inicialmente.
Actualmente, empresas emergentes, departamentos de I+D y laboratorios universitarios están desarrollando y lanzando materiales de nanocarbono únicos.
Nanotubos de grafeno y carbono
Debido a su pequeño tamaño, los nanomateriales tienen propiedades incomparables con los materiales a granel convencionales, incluida una alta relación resistencia-peso (es decir, alta resistencia pero peso ligero) y una excelente conectividad eléctrica.
Los nanomateriales a base de carbono, especialmente el grafeno y los nanotubos de carbono, han demostrado un gran potencial como alternativas a diversos materiales industriales.
El grafeno es una capa de carbono de un solo átomo de espesor dispuesta en una estructura de panal.
Los nanotubos de carbono (CNT) son láminas de grafeno dispuestas en una estructura tubular.
Los nanotubos de carbono se descubrieron por primera vez a principios de la década de 1990, pero el grafeno no fue aislado hasta 2004 por científicos de la Universidad de Manchester.
Los nanotubos de grafeno y de carbono han seguido caminos de desarrollo diferentes a lo largo de los años, a pesar de sus propiedades y aplicaciones similares.
El grafeno es el material más resistente jamás medido. Tiene una excelente relación resistencia-peso, conduce la electricidad de manera similar a la de un superconductor y es casi transparente. Industrias, desde la aeroespacial hasta la de semiconductores y equipos deportivos, están investigando cómo se puede utilizar el grafeno para mejorar el rendimiento.
Aerogel de grafeno, uno de los materiales más ligeros del mundo
Impulsada por la industria de los semiconductores, la investigación relacionada con CNT se ha concentrado más. IBM ha dedicado importantes recursos al desarrollo de nanotubos de carbono para su uso en chips de computadora.
Grafeno VC 'Reducción de la fiebre'
De 2007 a 2015, la financiación para nuevas empresas de grafeno aumentó de manera constante. Sin embargo, la caída de acuerdos y financiación de 2016 no se ha recuperado por completo.
Esta disminución refleja la típica pérdida de atractivo en el desarrollo de materiales avanzados, donde la tecnología queda atrapada entre el avance y la comercialización.
Las empresas emergentes en este espacio están trabajando para desarrollar productos específicos de grafeno, como baterías, dispositivos médicos y productos electrónicos, o están encontrando formas de producir eficientemente el material para uso general.
Por ejemplo, Vorbeck Materials está desarrollando tintas y recubrimientos a base de grafeno para el mercado de la electrónica impresa. Los productos de grafeno de la empresa se pueden utilizar en electrónica portátil, RFID (identificación por radiofrecuencia), sensores y otras aplicaciones.
En cuanto a la producción, XG Sciences, que recibió financiación de Dow Ventures y Samsung Ventures, fabrica y vende materiales de grafeno. El proceso patentado de la empresa crea pequeñas pilas de láminas de grafeno llamadas 'nanohojas', que se utilizan como aditivos para diversas aplicaciones.
La financiación relacionada con la CNT también está disminuyendo
Las nuevas empresas también están desarrollando tecnología de nanotubos de carbono, aunque pocas empresas han entrado en este campo.
Las empresas emergentes centradas en nanotubos de carbono también experimentaron una caída en la financiación después de 2015, posiblemente por las mismas razones por las que se desplomó la financiación del grafeno. Después de años de inversión en I+D, los nanotubos de carbono han encontrado obstáculos técnicos. 20 años después de su avance inicial, todavía no se ha adoptado ampliamente.
Nantero es una de las startups de CNT mejor financiadas y ambiciosas. La compañía ha desarrollado NRAM (memoria de acceso aleatorio no volátil) utilizando CNT, que espera reemplace a la DRAM (memoria dinámica de acceso aleatorio) y la memoria flash como principales dispositivos de almacenamiento de semiconductores.
Nantero cree que la tecnología CNT se puede utilizar para fabricar chips con densidades más altas que los materiales semiconductores convencionales, aumentando considerablemente la velocidad y la memoria.
Nantero ha otorgado la licencia de su tecnología a Fujitsu, dando un paso hacia la comercialización. Sin embargo, aún es necesario superar obstáculos técnicos y de mercado antes de que los nanotubos de carbono puedan usarse ampliamente en la informática de alta gama.
Las empresas prefieren realizar actividades internas de I+D en lugar de empezar a invertir
Todas las principales empresas de semiconductores están trabajando en grafeno para chips y baterías. Según el motor de búsqueda de patentes de CBinsights, Samsung es el mayor fabricante de semiconductores con más de 200 patentes relacionadas con el grafeno. A finales de 2017, la empresa anunció el desarrollo de materiales para baterías de grafeno que pueden cargarse cinco veces más rápido que las baterías convencionales.
Los nanotubos de carbono han recibido importantes inversiones en I+D por parte de la industria de semiconductores y de las grandes empresas tecnológicas. IBM posee más de 200 patentes relacionadas con nanotubos de carbono y ha invertido mucho en el desarrollo del material.
En el campo aeroespacial, el grafeno ha mostrado excelentes propiedades como aditivo para materiales compuestos como las fibras de carbono. Un estudio de 2010 del Instituto Politécnico Rensselaer encontró que el grafeno supera a los nanotubos de carbono, haciendo que los compuestos sean más fuertes, más resistentes y menos propensos a sufrir defectos.
Airbus también ha invertido en investigación relacionada con el grafeno y tiene 6 patentes relacionadas con el grafeno.
Las barreras técnicas frenan las solicitudes
Actualmente, los nanotubos de grafeno y carbono son difíciles de transferir del laboratorio a la producción a gran escala y aprovechar sus propiedades materiales únicas.
Por ejemplo, el grafeno conduce la electricidad mejor que el silicio o el cobre. Combinada con su resistencia, peso y transparencia, la conductividad eléctrica del grafeno hace posible reemplazar los chips de computadora basados en silicio y mejorar la electrónica cotidiana.
Pero hay un problema: el grafeno es un semiconductor 'sin espacios', lo que significa que el flujo de corriente a través del material no se puede detener. Los fabricantes de chips de computadora tuvieron que introducir una 'banda prohibida' en los chips de silicio, lo que permitió a los usuarios apagar el dispositivo deteniendo el flujo de electrones. La dificultad de este proceso es un obstáculo clave para la comercialización.
Desde hace bastante tiempo, los métodos utilizados para introducir bandas prohibidas en el grafeno han sido ineficientes o han cambiado el material y las propiedades superiores asociadas han desaparecido.
En abril de 2018, científicos liderados por el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología introdujeron un método para cultivar materiales de 'grafeno' con bandas prohibidas. Este importante paso en el desarrollo de chips basados en grafeno se produjo casi 15 años después del avance inicial del grafeno en 2004, lo que demuestra la dificultad y el tiempo necesarios para desarrollar nuevos materiales.
Los nanotubos de carbono tienen bandas prohibidas que los hacen fáciles de incorporar en chips de computadora, pero la producción en masa es una cuestión crucial.
Manipular los miles de millones de estructuras diminutas en los nanotubos de carbono es extremadamente difícil porque la orientación de los nanotubos debe controlarse para aprovechar sus propiedades únicas. Antes de una adopción generalizada, se necesitan métodos de producción mejorados para proporcionar nanotubos de carbono uniformes y sin defectos.
Barreras del mercado: el silicio sigue siendo importante en la informática
Las barreras del mercado para la adopción de nanomateriales de carbono pueden ser más desafiantes que los desafíos técnicos. Los nuevos materiales enfrentan escepticismo y estancamiento mientras intentan encajar en las cadenas de suministro existentes.
Amanda Barnard, física a cargo de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth de Australia, dijo en una entrevista en 2014: 'Ya hemos recibido billones de dólares en inversiones de chips de silicio globales y no abandonaremos este lucrativo campo. '
Planta de fabricación de semiconductores Samsung de 3.500 millones de dólares, Austin, Texas, EE. UU.
Los actores existentes mejorarán los productos existentes o ignorarán los nuevos materiales antes de renunciar a seguir invirtiendo. Es probable que la sustitución integral de los materiales existentes por grafeno lleve mucho tiempo para lograr aplicaciones sinérgicas con materiales como el silicio.
Otro obstáculo es la estandarización. Una revisión reciente de 60 productos de grafeno realizada por el Graphene Council reveló que más del 75% no tenía ninguna propiedad material única. Es necesario introducir la estandarización si los fabricantes quieren vender grafeno de manera efectiva.
Además, si se quiere mejorar el material como sustituto, el precio del grafeno tendrá que caer en picado. El grafeno es escaso y caro hoy en día, pero es necesario transformarlo en un material similar a un producto básico para convertirse en una alternativa viable a los semiconductores basados en silicio.
Una vez que eso suceda, es posible que las nuevas empresas centradas en el grafeno no puedan competir en precio. Las nuevas empresas de grafeno más pequeñas podrían cerrar o enfrentar adquisiciones por parte de fabricantes de semiconductores, como empresas de materiales como Dow Chemical, que podrían querer aumentar la capacidad de grafeno.
