Por primera vez, los investigadores han desarrollado una manera de medir con precisión cómo fluye el calor dentro de los nanotubos de carbono. Estos son cables diminutos moleculares que algún día podrían utilizarse para hacer que los circuitos sean mucho más rápidos y consuman menos energía que actualmente. Los resultados muestran que el calentamiento de los nanotubos es más complicado que lo que se pensaba, un hecho que podría resultar crucial para permitir a los ingenieros crear una electrónica a base de nanotubos de carbono.

Los semiconductores tradicionales, tales como el silicio, se ven expuestos al calentamiento, dice Phaedon Avouris, líder del grupo de tecnología y ciencia a nanoescala de IBM en Nueva York, donde se realizó el estudio. "Es una de las limitaciones de mejorar la velocidad", comenta Avouris. Pero el estudio publicado por su equipo hoy en  Nature Nanotechnology "va más allá de la simple observación del calor" en los nanotubos de carbono, dice. "Se va al nivel atómico, de cómo se genera y se disipa el calor".

En particular, el equipo de Avouris descubrió que cuando una corriente eléctrica se aplica a un transistor de nanotubos, algunas vibraciones atómicas pueden producir calor de hasta 1000 ° C, mientras que otras vibraciones producen temperaturas relativamente frías de 400 ° C. Esto es contrario al comportamiento de la mayoría de los materiales, que mantienen un calor uniforme.

Además, los investigadores hallaron que las propiedades eléctricas del nanotubo y el modo en que se transfiere el calor a un sustrato hecho de dióxido de silicio, son afectados por las vibraciones de los átomos en la superficie del sustrato. Esto significa que el sustrato utilizado con transistores de nanotubos jugará un papel importante en determinar las propiedades eléctricas de los transistores, y la manera en que puede eliminarse el calor.

Desde alrededor de 1998, cuando se demostró el primer transistor de nanotubos de carbono, los investigadores han soñado con la electrónica de la próxima generación elaborada a partir de dichos componentes. Los nanotubos tienen propiedades nuevas que permiten que los electrones los atraviesen con rapidez, con poco consumo, y los investigadores creen que podrían actuar como el componente activo en los transistores, superando a los de silicio en términos de velocidad, de eficiencia energética, y de compactivilidad. Pero comprender cómo los nanotubos se calientan cuando una corriente eléctrica pasa a través de ellos ha sido un obstáculo para la creación de circuitos de nanotubos fiables.

Mathais Steiner, un investigador del grupo de tecnología y ciencia a nanoescala de IBM, quien también trabajó en el proyecto, dice que en los dos últimos años, los científicos han volcado su atención a la forma en que se calientan los nanotubos, pero ha sido difícil  medir esta propiedad. "El problema es que es difícil sondear las propiedades del canal activo (la región del nanotubo que se utiliza como el interruptor eléctrico en un transistor), porque estamos hablando de una molécula."Las personas se preguntan cómo conseguir los datos y realizar los experimentos. Este es el primero que obtiene resultados".

Para medir el calor de un nanotubo, los investigadores confiaron en técnicas de espectroscopia óptica estándar. En otras palabras, proyectaron un haz de láser muy estrecho en un sólo transistor de nanotubo mientras que pasaban una corriente eléctrica a través del objetivo. Cuando la luz alcanza al nanotubo, se absorbe y se dispersa en modos que revelan la forma en que átomos de los nanotubos están vibrando. Estas vibraciones atómicas, conocido como fonones, se producen en frecuencias diferentes, o modos. Y Avouris explica que estos modos, indican las temperaturas en el interior del nanotubo.

La razón por la cual el equipo de IBM fue capaz de lograr resultados que han eludido a los demás, explica Avouris, es su grado de sensibilidad. Los investigadores construyeron su experimento específicamente para sondear un nanotubo único,  un proceso que requiere un haz muy estrecho de luz, y aislar físicamente a un nanotubo de entre todos los demás. Pero mirar simplemente los resultados de un estudio único de la espectroscopia no sería suficiente, agrega Avouris. Por lo tanto, su equipo estudió una combinación de diferentes medidas, o "termómetros", incluyendo las características de las transiciones de electrones dentro del nanotubo. La combinación de estas medidas produjo suficientes datos como para construir un modelo completo de flujo de calor.

Obtener una visión precisa de las propiedades térmicas de los nanotubos ha sido un reto, especialmente en relación a un sustrato y al entorno circundante, comenta Eric Pop, un profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign Estados Unidos. "El estudio confirma las ideas que estaban dando vueltas hace tiempo, pero de las cuales la gente no estaba muy segura". Esto incluye la idea de que el entorno de un nanotubo juega un papel importante en determinar cómo disipa el calor. "Quizás hace un año, hubiera sido justo decir que los nanotubos son excelentes conductores de calor, pero ahora sabemos que, de hecho, (también) con muy sensibles a su entorno", concluye Pop.

Para los ingenieros, los resultados de IBM son significativos porque señalan el camino a importantes técnicas de conducción del calor de los circuitos. Dado que el sustrato ha demostrado ser un factor importante en el flujo de calor y propiedades eléctricas de los nanotubos, los ingenieros podrían comenzar a pensar acerca de cómo modificarlos, envolviendo a los nanotubos en materiales, o explorando los distintos materiales para unir a los transistores de nanotubo a un sustrato.