La era de la electrónica comenzó con la invención del transistor en 1947 y de la tecnología de semiconductores basada en silicio. Siete décadas después, estamos rodeados de dispositivos electrónicos y, por mucho que intentemos negarlo, dependemos de ellos en nuestra vida cotidiana.
El rendimiento de los dispositivos basados en silicio ha mejorado rápidamente en las últimas décadas, principalmente gracias a nuevas tecnologías de procesado y de patronado, mientras que la nanotecnología ha permitido la miniaturización y la reducción de costes.
Durante muchos años, el silicio siguió siendo la única opción en electrónica. Pero los avances recientes en ingeniería de materiales y en nanotecnología han abierto nuevas vías para la electrónica. Aunque la electrónica tradicional de silicio seguirá siendo el principal foco de atención, están surgiendo tendencias alternativas. Entre ellas se incluyen:
Electrónica 2D
El interés por este campo comenzó con el descubrimiento del grafeno, una variante estructural del carbono. Los átomos de carbono del grafeno forman una red hexagonal bidimensional, y esta capa de un solo átomo de grosor ha atraído la atención por su alta conductividad eléctrica y térmica, su flexibilidad mecánica y su resistencia a la tracción muy elevada. El grafeno es el material más resistente que se ha probado.
En 2010, la Real Academia Sueca de Ciencias decidió otorgar el Premio Nobel de Física a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus “experimentos revolucionarios” en la investigación del grafeno.
Graphnene quizá haya iniciado esta revolución 2D en la electrónica, pero el siliceno, el fosforeno y el estaneno, alótropos de un solo átomo de grosor del silicio, el fósforo y el estaño, respectivamente, presentan una estructura de panal similar con propiedades distintas, lo que da lugar a aplicaciones diferentes.
Los cuatro tienen el potencial de cambiar la electrónica tal como la conocemos, lo que permite la miniaturización, un mayor rendimiento y la reducción de costes. Varias empresas de todo el mundo, entre ellas Samsung y Apple, están desarrollando aplicaciones basadas en el grafeno.
Electrónica orgánica
El desarrollo de los polímeros conductores y de sus aplicaciones dio lugar a otro Premio Nobel en 2000, esta vez en Química. Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa demostraron que el plástico puede conducir electricidad.
A diferencia de los conductores y semiconductores inorgánicos convencionales, los materiales electrónicos orgánicos se construyen a partir de moléculas o polímeros orgánicos (a base de carbono) mediante síntesis química. La electrónica orgánica no se limita a los polímeros conductores, sino que incluye otros materiales orgánicos que podrían resultar útiles en electrónica. Entre ellos se encuentran diversos colorantes, complejos orgánicos de transferencia de carga y muchas otras moléculas orgánicas.
En términos de rendimiento y desarrollo industrial, las moléculas y los polímeros orgánicos todavía no pueden competir con sus equivalentes inorgánicos. Sin embargo, la electrónica orgánica tiene algunas ventajas sobre los materiales electrónicos convencionales. Los bajos costes de material y de producción, la flexibilidad mecánica, la adaptabilidad de los procesos de síntesis y la biocompatibilidad hacen de la electrónica orgánica una opción deseable para determinadas aplicaciones.
Los productos de alta tecnología disponibles comercialmente que dependen de semiconductores orgánicos, como los televisores de pantalla curva, las pantallas de teléfonos inteligentes, las fuentes de luz de colores y las células solares portátiles, demuestran la madurez industrial de la electrónica orgánica. De hecho, varias empresas de alta tecnología, entre ellas LG Electronics y Samsung, han invertido en dispositivos electrónicos orgánicos baratos y de alto rendimiento. Se espera que el mercado de la electrónica orgánica crezca rápidamente en los próximos años.
Memristores
En 1971, Leon Chua razonó, a partir de argumentos de simetría, que debería existir un cuarto elemento fundamental de los circuitos electrónicos (además de la resistencia, el condensador y la bobina), al que denominó memristor, un término formado por la fusión de las palabras inglesas memory (memoria) y resistor (resistencia). Aunque Chua demostró que los memristores tienen muchas propiedades interesantes y valiosas, no fue hasta 2007 cuando un grupo de investigadores de Hewlett Packard Labs descubrió que el efecto de memristencia puede estar presente en sistemas a nanoescala en determinadas condiciones. Muchos investigadores creen que los memristores podrían poner fin a la electrónica tal como la conocemos e iniciar una nueva era de la «iónica».
Mientras que las funciones de los transistores de uso habitual se basan en un flujo de electrones, el memristor acopla los electrones con iones, es decir, átomos con carga eléctrica. En los transistores, una vez que se interrumpe el flujo de electrones (por ejemplo, al apagar la alimentación), se pierde toda la información. Los memristores «memorizan» y almacenan información sobre la cantidad de carga que ha fluido a través de ellos, incluso cuando la alimentación está apagada.
El descubrimiento de los memristores allana el camino hacia un mejor almacenamiento de información, lo que hace que los nuevos dispositivos de memoria sean más rápidos, seguros y eficientes. No habrá pérdida de información, incluso si la alimentación está apagada. Los circuitos basados en memristores nos permitirán encender y apagar los ordenadores al instante y empezar a trabajar de inmediato.
Desde hace varios años, Hewlett Packard trabaja en un nuevo tipo de ordenador basado en la tecnología de memristores. HP prevé lanzar el producto a más tardar en 2020.
Espintrónica
La espintrónica, un término compuesto que significa «electrónica de transporte de espín», consiste en el uso de una propiedad fundamental de las partículas conocida como «espín del electrón» para el procesamiento de información. El espín del electrón puede detectarse como un campo magnético con una de dos orientaciones: arriba o abajo. Esto proporciona dos estados binarios adicionales a los valores lógicos bajo y alto convencionales, que se representan mediante corrientes simples. Transportar información tanto en la carga como en el espín de un electrón ofrece potencialmente dispositivos con una mayor diversidad de funcionalidades.
Hasta ahora, la tecnología espintrónica se ha probado en dispositivos de almacenamiento de información, como los discos duros y los transistores basados en el espín. La tecnología espintrónica también resulta prometedora para la electrónica digital en general. La capacidad de manipular cuatro estados lógicos definidos, en lugar de solo dos, puede traducirse en una mayor potencia de procesamiento de información, una mayor velocidad de transferencia de datos y una mayor capacidad de almacenamiento de información.
Se espera que los dispositivos electrónicos de transporte de espín sean más pequeños, más versátiles y más robustos en comparación con sus equivalentes de silicio. Hasta ahora, esta tecnología se encuentra en una fase inicial de desarrollo y, pese a la intensa investigación, tendremos que esperar un par de años para ver el primer chip electrónico comercial basado en el espín.
Electrónica molecular
El objetivo último de los circuitos eléctricos es la miniaturización. También conocida como electrónica de una sola molécula, es una rama de la nanotecnología que utiliza moléculas individuales o conjuntos de moléculas individuales como bloques de construcción electrónicos.
La electrónica molecular y la electrónica orgánica descrita anteriormente tienen mucho en común, y ambos campos se solapan en algunos aspectos. Para aclarar, la electrónica orgánica se refiere a aplicaciones a granel, mientras que la electrónica molecular se refiere a aplicaciones a escala nanométrica y de una sola molécula.
Los componentes electrónicos convencionales se fabrican tradicionalmente con materiales a granel. Sin embargo, la tendencia a la miniaturización en electrónica ha obligado a reducir en consecuencia el tamaño de los componentes electrónicos. En la electrónica de una sola molécula, el material a granel se sustituye por moléculas individuales. El menor tamaño de los componentes electrónicos reduce el consumo de energía, al tiempo que aumenta la sensibilidad (y, en ocasiones, el rendimiento) del dispositivo. Otra ventaja de algunos sistemas moleculares es su tendencia a autoensamblarse en bloques funcionales. El autoensamblaje es un fenómeno en el que los componentes de un sistema se unen espontáneamente, debido a una interacción o a factores ambientales, para formar una unidad funcional más grande.
Se han desarrollado varias soluciones de electrónica molecular, entre ellas los cables moleculares, los transistores de una sola molécula y los rectificadores. Sin embargo, la electrónica molecular se encuentra todavía en la fase inicial de investigación, y ninguno de estos dispositivos ha salido del laboratorio.
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