UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ

CENTRO REGIONAL DE AZUERO

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

LIC. EN INGENIERIA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

TRABAJO DE MICROONDAS #3

TEMA: NANOTECNOLOGÍAS

PROFESOR

INTEGRANTES:

FECHA DE ENTREGA: JUEVESES 03 DE DICIEMBRE DE 2015

RESUMEN

Las aplicaciones de la Nanotecnología en las tecnologías de la comunicación e informática, comprende el desarrollo de sistemas de almacenamiento de datos de mayor capacidad y menor tamaño, dispositivos de visualización basados en materiales con mayor flexibilidad u otras propiedades como transparencia que permitan crear pantallas flexibles y transparentes, además el desarrollo de la computación cuántica.Las nuevas pantallas de televisión que sustituirán a las actuales de cristal líquido, están basadas en la nanotecnología y en pocos años estarán en el mercado. Su nombre es NED o pantalla nano – emisiva.Se están aplicando, pensando, estudiando y creando prototipos para mejorar las comunicaciones, también diseñando nano partículas generadoras de luz para las telecomunicaciones, en general, sin necesidad de la presencia de un láser.

INTRODUCCIÓN

La nanotecnología y sus aplicaciones están cada vez más presentes en nuestra vida cotidiana. Usando nanotubos semiconductores, investigadores de varias empresas y laboratorios han desarrollado circuitos de computación de funcionamiento lógico y transistores, las puertas electrónicas lógicas de que están compuestos los chips incrementando su velocidad, disminuyendo el consumo y aumentando las prestaciones. 

La nanotecnología no se clasifica o se limita a una sola tecnología o enfoque científico, todo lo contrario; se extiende hacía un conjunto multidisciplinario de diseño de procesos, de medición, de modelados, de caracterización y producción de materiales, dispositivos, aplicaciones, sistemas de control y diversos conceptos de tipo físico, químico, biológico y electrónico, donde su característica principal es el tamaño

El presente trabajo tiene como objetivo, comprender la importancia del estudio de las aplicaciones de la Nanotecnología en el área de las telecomunicaciones. La misma comprende el desarrollo de sistemas de almacenamiento de datos de mayor capacidad y menor tamaño, dispositivos de visualización basados en materiales con mayor flexibilidad u otras propiedades como transparencia que permitan crear pantallas flexibles y transparentes.

MARCO TEÓRICO

La nanotecnología comprende el estudio, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la materia a escala tan minúscula, presenta fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican al nivel de nanoescala, esto es unas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. El desarrollo de esta disciplina se produce a partir de las propuestas de Richard Feynman.

Nano es un prefijo griego que indica una medida (10-9 = 0,000 000 001), no un objeto; de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.

La evolución que ha tenido la nanotecnología en los últimos cuatro años ha permitido nuevos desarrollos, soluciones y aplicaciones en el frente energético, biomédico, biológico, textil, robótico e industrial y de las telecomunicaciones, donde la fusión entre la nanotecnología y las comunicaciones la han transformado en las nanocomunicaciones.

A su vez, los materiales aplicados en otros frentes de la nanotecnología operan al igual en las nanocomunicaciones, elementos como el grafeno, el cuarzo y los nanotubos de carbono, son algunos de los más utilizados en la construcción de nanocomponentes o nanodispotivos de tipo electrónico y de las comunicaciones.

Mediante el diseño, construcción y aplicación de nuevos nanodispositivos de comunicación, se logran objetivos importantes como:

o Optimizar el rendimiento de operación de los componentes de escala real. o Garantizar un enlace de comunicación constante y preciso. o Transmisión y recepción en zonas de difícil acceso.

Debido a las propiedades que ofrecen los diferentes nanomateriales, es posible llevar a cabo un proceso de síntesis, más llamado, aproximación “Bottom-up” (de abajo a arriba), donde los bloques constituyentes se configuran y se agrupan

mediante estrategias controladas, permitiendo así, obtener resultados con base en modelos previos. Se podrán visualizar a continuación algunos tipos y propiedades de los nano y meta materiales más comunes para desarrollos y aplicaciones a nivel de las nanocomunicaciones.

Historia cronológica de la Nanotecnología

Fecha Acontecimiento

Los años 40

Von Neuman estudia la posibilidad de crear sistemas que se auto-reproducen como una forma de reducir costes.

1959

Richard Feynmann habla por primera vez en una conferencia sobre el futuro de la investigación científica: "A mi modo de ver, los principios de la Física no se pronuncian en contra de la posibilidad de maniobrar las cosas átomo por átomo".

1966

Se realiza la película "Viaje alucinante" que cuenta la travesía de unos científicos a través del cuerpo humano. Los científicos reducen su tamaño al de una partícula y se introducen en el interior del cuerpo de un investigador para destrozar el tumor que le está matando. Por primera vez en la historia, se considera esto como una verdadera posibilidad científica. La película es un gran éxito.

1985 Se descubren los buckminsterfullerenes

1989

Se realiza la película "Cariño he encogido a los niños", una película que cuenta la historia de un científico que inventa una máquina que puede reducir el tamaño de las cosas utilizando láser.

1996 Sir Harry Kroto gana el Premio Nobel por haber descubierto fullerenes

1997 Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño aproximadamente de una célula roja de sangre.

1998 Se logra convertir a un nanotubo de carbón en un nanolapiz que se puede utilizar para escribir

2001 James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por haber inventado la calculadora más pequeña del mundo.

NANOMATERIALES

El Grafeno

Este material, es un alótropo (capacidad de poseer estructuras químicas diferentes) del carbono, un teselado hexagonal plano de seis átomos de carbono y de enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos de los carbonos enlazados y de un solo átomo. Ésta particularidad, en conjunto con técnicas especializadas, posibilitan consolidar capas de grafeno supremamente delgadas. Algunas de las propiedades más relevantes del grafeno son:

o Posee conductividad térmica, eléctrica y elástica (deformable en su estructura).

o En comparación con la fibra de carbono, contiene mucha más flexibilidad, manteniéndose igual de ligero.

o No presenta resultados negativos ante la radiación ionizante.

o Efecto Joule bajo o mínimo (es el calentamiento al conducir electrones). o Reporta consumos mínimos de electricidad, en comparación al silicio. o Se convierte en un generador de electricidad al estar en contacto con la luz

solar. o Posee transparencia, resistencia e impermeabilidad. o Abundante y económico, lo que minimiza los obstáculos para el desarrollo

y la fabricación de componentes o aplicaciones a base de éste.

Propiedades estructurales de los nanotubos de carbono Los nanotubos de carbono por sus siglas en inglés (CNT, carbon nanotubes) son alotrópos del carbono y un nanotubo de carbono de pared simple (SWCNT, single wall carbon nanotube), llega a aproximarse a una lámina de grafeno enrollada con al menos un extremo como una media esfera compuesta por estructuras hexagonales y pentagonales de carbono.Las nuevas pantallas de televisión que sustituirán a las actuales de cristal líquido, están basadas en la nanotecnología y en pocos años estarán en el mercado. Su nombre es NED o pantalla nano – emisiva.

La tecnología de la pantalla nano-emisiva (NED) se basa en hacer crecer los nanotubos de carbono directamente sobre un vidrio, lo que da lugar a un diseño energéticamente eficiente. Esta tecnología presenta potencialmente la ventaja de obtener pantallas con mayor brillo, excelente uniformidad y pureza de los colores.

Propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono Las propiedades eléctricas de los materiales conductores se modifican cuando se reduce su tamaño hacía una escala nanométrica. En la fabricación de un cable su dimensión de la sección transversal es comparable con la longitud de onda de la

del electrón en la mecánica cuántica (Fermi), donde el alambre forma esencialmente una guía de ondas de modo único para las ondas de electrones. Por lo tanto, en un conductor de una sola dimensión (nanotubo), los electrones son libres para moverse a lo largo de la longitud del nanotubo, y no en la dirección transversal. Por lo tanto la distribución de la corriente es efectivamente unidimensional

Los Metamateriales Dentro de la categoría de materiales especiales, se encuentran los metamateriales, que a su vez poseen diferentes beneficios, propiedades y aplicaciones tanto a nivel electrónico como de las telecomunicaciones. Los metamateriales, están formados por estructuras periódicas o no periódicas de “átomos artificiales” o “partículas”, que tienen un tamaño de escala de sub longitud de onda. Además el diseño flexible de las partículas artificiales individuales, los arreglos factibles de tales partículas, y la alta anisotropía hacen posible controlar las propiedades del material como se desee. A través de los metamateriales se logra establecer una permitividad efectiva y/o permeabilidad, que no es posible encontrar en la naturaleza. Por lo tanto poseen características únicas, tanto con fenómenos físicos inusuales (como la refracción negativa, la capa de invisibilidad, ilusión óptica, etc) o un rendimiento superior de los materiales naturales. La categorización de los metamateriales se puede extender en metamateriales para aplicaciones de microondas y sus homólogos; en cristales, nanocristales y cuasicristales. Y estos en: metamateriales homogéneos, metamateriales aleatorios, y metamateriales no homogéneos. Una de las clasificaciones más relevantes de los metamateriales se conforma como:

o Dieléctricos artificiales. o Magnéticos artificiales. o Por el índice de refracción negativa. o Por la anisotropía artificial que contienen. o Quirales y con encubrimiento

APLICACIONES EN LA NANOCOMUNICACIONES

Nanoantenas Los nanotubos poseen algunas propiedades eléctricas particulares en comparación con un alambre de cobre de la misma longitud y diámetro. Un punto de partida es la conductividad de los nanotubos, la cual se ha medido aproximadamente dos veces a la del cobre: para un nanotubos de carbono de diámetro y para una conductividad superior a la del cobre. Se encuentra además, que la velocidad de propagación de la onda en los nanotubos de carbono comienza alrededor de los 1/50th de la velocidad de la luz y en las uniones se reduce a 1/100th cuando la frecuencia de excitación se aproxima a la resonancia. Por la longitud que poseen los nanotubos de carbono es posible considerar de modo realista, antenas para comunicación inalámbrica en THz y GHz tanto en el “macro-mundo” por una parte, como en el de los “nano-dispositivos” por el otro. Para los autores en ha sido un reto analizar la viabilidad de las antenas en GHz usando nanotubos de carbono como dipolos resonantes. Es importante destacar que probablemente debido a las propiedades eléctricas que poseen los nanotubos, pueda limitarse considerablemente la eficacia potencial de la antena. Dichos problemas se clasifican como las pérdidas óhmicas y la elevada frecuencia de “relajación” que posee el electrón. Así mismo, el diseño de las nanoantenas se ha inspirado bajo las características y propiedades de algunos metamateriales, donde los resultados obtenidos han sido igual de sorprendentes a los derivados del carbón. Un ejemplo de ello se tiene en la referencia, donde investigadores de la Universidad de Brest y la Corporación de Investigación Rennes Thomson de I+D en Francia, desarrollan una antena miniatura para operación en UHF. Es un diseño que utiliza una clase de metamaterial, y cuyas propiedades magneto-dieléctricas, sirven para el soporte de la antena, además de una red de adaptación pasiva para la sintonización de frecuencia y una adaptación de la impedancia sobre toda la banda de UHF.

Nanotubos de carbono (CNT)Entre las nanoestructuras más utilizados hoy en día, los nanotubos de carbono (CNT) en aplicaciones de radio, han ido aumentando, al igual que la sincronización con las nanoredes NNW (Nanonetworks), donde procedimientos básicos como la incorporación de una antena, un sintonizador, un demodulador, y un amplificador de radio, se logran con un solo nanotubo de carbono. Aquí se refleja la recepción de la misma señal, el “tuning”, la amplificación y los procesos electromecánicos de demodulación. De esta forma la frecuencia de la

resonancia de los nanotubos de carbono, debería coincidir con la portadora WC (que es afectada por la longitud de los nanotubos). Otro de los enfoques se basa en la modulación FM (transmisor), mediante la aplicación de señales con información hacía el electrodo externo.

Nanotubos en aplicaciones de radioHan pasado ya alrededor de dos décadas, cuando en 1991 se descubrieron los nanotubos de carbono, y es ahora donde cobran mayor impacto las propiedades eléctricas que poseen, y su futuro promete avances significativos a nivel electrónico. De igual forma sus propiedades térmicas y mecánicas se convierten en atractivos para una amplia gama de campos de aplicación, como; líneas de transmisión a la nanoescala, nanocomponentes activos y pasivos tales como; transistores o interruptores en circuitos de alta densidad, y en las biotecnologías.

Nodos de sensores de nanotubos de carbonoEl investigador en documenta que para lograr esta aplicación, en un principio es importante la observación de muchos nanodispositivos en sus primeras etapas de desarrollo. Esto con el fin de aprovechar las características únicas de cada nanocomponente, impuestas en la arquitectura de su sistema unificado. Es importante destacar que los nodos de sensores de nanotubos de carbono incluyen componentes fundamentales:

o Un nanoreceptor o Una unidad de nanopoder o Un nanoprocesador y una nanomemoria o Y unidades alternas de nanosensores.

Redes Ad Hoc (CANET) basadas en CNT Se presentan algunos obstáculos cuando se analizan éstas posibilidades:

o El dominio sobre las Ad Hoc en las comunicaciones inalámbricas es un desafío bastante extremo.

o La baja potencia en la señal del nanotransmisor, es equivalente a un muy limitado alcance en radio.

o Son extremadamente propensas al ruido térmico y a la decoloración. o Requieren de alta potencia para la radio con nanotubos, lo equivalente a

otro desafío más para realizarlo.

ULTIMOS AVANCES EN LA NANOCOMUNICACIONES

Osciladores mecánicos de grafeno con frecuencias sintonizables A través de las investigaciones y de los posteriores descubrimientos en la Universidad de Columbia dirigidos por los investigadores Changyao Chen, Sunwoo Lee, Vikram V. Deshpande, Gwan-Hyoung Lee, Michael Lekas, Kenneth Shepard and James Hone, fue posible el diseño y la operación del nano-oscilador mecánico de grafeno, para la sintonización de frecuencias. Los osciladores que producen señales periódicas continuas de potencia en corriente directa, son el centro de los sistemas de comunicaciones modernos, con aplicaciones versátiles que incluyen referencias de temporización y moduladores de frecuencia. Así mismo, la estructura de los osciladores convencionales suele estar conformada por resonadores mecánicos macroscópicos, algunos con cristales de cuarzo (los cuales requieren un mayor espacio, y por lo general fuera del chip). A diferencia de estos osciladores construidos en micrómetros de tamaño, los resonadores nanomécanicos de grafeno de un grosor atómico, alcanzan frecuencias que pueden ser electrostáticamente afinadas hasta en un 14% donde un movimiento mecánicamente auto-sostenible se genera y transduce a temperatura ambiente en estos osciladores usando un simple circuito eléctrico. Los osciladores controlados por voltaje (prototipo de grafeno) exhiben cierta estabilidad de frecuencia y ancho de banda para una modulación eficiente, con el fin de modular señales portadoras de radiofrecuencia. En demostración, los investigadores de la Universidad de Columbia implementaron un oscilador de grafeno como elemento activo, modulando la dicha señal y logrando una transmisión eficiente de audio. Ésta señal fue transmitida en FM a 100 MHz. Su recepción se logró a través de un radio convencional con un poco de estática.

Comunicaciones cuánticas a nanoescalaLas nanocomunicaciones se han ido definiendo como aquella área de la investigación que se encarga de la búsqueda de medios eficaces de comunicación para los futuros nanodispositivos los cuales están previstos para operar en una amplia gama de áreas de aplicación.

En la actualidad, la investigación en nanocomunicaciones se divide en dos corrientes principales: Nanocomunicaciones EM y Nanocomunicaciones a nivel molecular.

Comunicaciones electromagnéticas (THz).Las nanocomunicaciones EM utilizan ondas electromagnéticas como portadoras de información, muy similares a la comunicación clásica. Sin embargo, por la extrema escasez de recursos y los efectos cuánticos de los mismos materiales, los métodos clásicos no son posibles aplicarlos directamente en el dominio nano. Lo que nos direcciona a aplicar materiales y técnicas novedosas. Es así como el grafeno se ha establecido como un material que promete un sin número de aplicaciones, lo que lo ha convertido en foco de investigación e implementación en los últimos años. A nivel de las nanocomunicaciones se han registrado diversos aportes a su desarrollo. Es el caso de los CNT cargados, los cuales resuenan a través de la excitación de una “ola” electromagnética. Y su distancia a través de los cambios de estado con base en la amplitud de la onda. La variación de la distancia también modifica las propiedades de la emisión de los campos del CNT que resultan de la misma variación en la corriente. Concluyendo así que sería posible utilizar un nanotubo de carbono como antena y demodulador al mismo tiempo.

Comunicación molecularLa comunicación molecular se define como aquella técnica de comunicación natural utilizada por organismos vivos (vía feromonas) y está concebido para convertirse en un futuro, en un método viable para implementación en nanodispositivos. Lo que se traduce en que la concentración de la molécula en las proximidades del receptor se puede utilizar para comprender el transmisor molecular en los bits enviados.

Comunicaciones cuánticasLas comunicaciones cuánticas se basan en la transferencia de pares entrelazados de un lugar a otro, con la ayuda de intercambio, repetición y purificación. Por otro lado la interferencia cuántica o paralelismo cuántico proporciona una inmensa potencia de cálculo, sobre todo en la codificación de origen, donde en lugar de entradas individuales, se estructura información sobre todo el contenido requerido, es decir; se consolida y transporta todo en un solo canal.

CONCLUSIONES

En este trabajo aprendimos que gracias a la nanotecnología se han

desarrollado diferentes artefactos los cuales han ayudado, desde su

creación, a la evolución tecnológica en el campo de las comunicaciones,

abriéndole paso a esta tecnología e impulsándola a crear y desarrollar

las teorías presentes.

En el área de las telecomunicaciones se pretende aumentar la capacidad

de acceso entre los satélites y las estaciones terrestres mediante el uso

de nanotecnologías.

La intervención de la nanotecnología en las comunicaciones es

fundamental para lograr desarrollar soluciones que tienen como objetivo

ayudar a suplir las necesidades de nuestra sociedad y a fortalecer la

capacidad tecnológica.