Los nanopilares son una tecnología emergente dentro del campo de las nanoestructuras . Los nanopilares son nanoestructuras con forma de pilar de aproximadamente 10 nanómetros de diámetro que se pueden agrupar en matrices tipo red. [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 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 de agruparse, exhibe muchas propiedades útiles. Los nanopilares tienen muchas aplicaciones, incluidos paneles solares eficientes , análisis de alta resolución y superficies antibacterianas .
Debido a sus extremos cónicos, los nanopilares son muy eficientes para capturar 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 habituales. También resisten 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 estudiando la posibilidad de 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 ofrece a los fabricantes más opciones sobre cómo quieren que se moldeen sus paneles solares y reduce los costos en términos de la delicadeza con la que se deben manipular 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 en el uso de nanopilares como parte del proceso de fabricación.
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 diminutas varillas con forma de nanopilares. Cuando las bacterias se posan sobre el ala de una cigarra, su membrana celular se adhiere a los nanopilares y a 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 de nanopilares mataría inmediatamente a todas las bacterias de membrana blanda. Las bacterias más rígidas tendrán más probabilidades de no romperse. Si se produjeran en masa y se instalaran en todas partes, los nanopilares podrían reducir gran parte del riesgo de transmitir enfermedades a través del contacto con superficies infectadas. [5]
Existen varios modelos propuestos para explicar el mecanismo antibacteriano de los nanopilares. De acuerdo con el modelo de estiramiento e inducción mecánica, [6] para nanotopografías relativamente uniformes como los nanopilares encontrados en el ala de la cigarra, las bacterias mueren debido a la ruptura de la pared celular bacteriana que está suspendida entre dos nanopilares adyacentes en lugar de un mecanismo de perforación. Se encontró que las características de los nanopilares como la altura, la densidad y la nitidez de los nanopilares afectan las propiedades antibacterianas generales de los nanopilares. Sin embargo, la correlación relativa de las características de los nanopilares es difícil de establecer debido a varios resultados contradictorios en la literatura. [7] El mecanismo antibacteriano alternativo de los nanopilares incluye los efectos potenciales de la fuerza de corte, [8] la respuesta fisiológica negativa de las bacterias, [9] y los efectos de presión intrínseca de la interacción entre las proteínas de la superficie bacteriana y los nanopilares. [10]
Otro uso de los nanopilares es la observación de células. Los nanopilares captan la luz tan bien que cuando la luz los alcanza, el brillo que emiten se reduce a unos 150 nanómetros. Como 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. [11] Esto es especialmente útil en el análisis celular. Las células se agrupan alrededor de los nanopilares debido a su pequeño tamaño y los reconocen como un orgánulo. [12] Los nanopilares simplemente mantienen a las células en su lugar mientras se las observa.
Los nanopilares se utilizan en tecnologías cuánticas para mejorar la eficiencia de desacoplamiento de fotones de defectos fluorescentes. Los nanopilares son especialmente efectivos en el contexto de centros de color alojados en diamante . [13] Debido al alto índice de refracción del diamante, la mayoría de los fotones que se originan de la fluorescencia de, por ejemplo, centros de nitrógeno-vacante (NV) se pierden debido a la reflexión interna total . Los nanopilares pueden mejorar la eficiencia de desacoplamiento y la direccionalidad de la emisión del centro de color. Esto permite aumentos significativos en la sensibilidad para la aplicación de la detección cuántica NV, tanto en el contexto de la resonancia magnética nuclear a nanoescala como de la magnetometría cuántica (por ejemplo, en forma de microscopía de sonda de barrido ). Zhu et al. han demostrado que es crucial incluir un estrechamiento apropiado de los nanopilares para maximizar la eficiencia de recolección. [13]
En 2006, investigadores de la Universidad de Nebraska-Lincoln y del 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 (moldear los nanopilares a la forma correcta) para hacer grandes grupos de pilares de silicio con diámetros inferiores a 500 nm. [14] Luego, en 2010, los investigadores fabricaron una forma de fabricar nanopilares con extremos cónicos. [15] 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 partes superiores cónicas permiten que la luz entre en el bosque de nanopilares y la parte inferior más ancha absorbe casi toda la luz que la golpea. Este diseño captura alrededor del 99% de la luz, mientras que las nanobarras 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.
La construcción de nanopilares es un procedimiento sencillo pero largo que puede llevar horas. [16] 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 añade 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. [17] 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 capas atómicas (ALD). [18] [19]
