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Diodo de Terahertz a Temperatura Ambiente: Avance para 6G

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  • Diodo de Terahertz Rompe Barreras con Materiales Seguros
  • Terahertz Más Cercano: Diodo a Temperatura Ambiente Desarrollado

by Editor de Mundo enero 28, 2026
written by Editor de Mundo

La comunicación inalámbrica de terahercios ha sido durante mucho tiempo considerada el próximo gran avance tecnológico, lo suficientemente rápida para mover grandes cantidades de datos con menos retraso. Sin embargo, el hardware ha tenido dificultades para mantenerse al día. Un componente clave, el diodo de túnel resonante, a menudo ha requerido refrigeración extrema o ha dependido de materiales que plantean preocupaciones sobre costos y seguridad.

Ahora, investigadores de la Universidad de Nagoya en Japón afirman haber superado un importante obstáculo. En lo que describen como un primer mundial, el equipo desarrolló un diodo de túnel resonante que funciona a temperatura ambiente y utiliza únicamente materiales semiconductores del Grupo IV. Esto significa que evita los elementos tóxicos y raros utilizados en muchos diseños anteriores.

Este logro es significativo porque un dispositivo que funciona a temperatura ambiente puede salir del laboratorio y entrar en sistemas reales. También se alinea mejor con los objetivos de fabricación sostenible. El equipo afirma que el nuevo diodo podría ayudar a desbloquear los componentes de terahercios para los sistemas de comunicación inalámbrica de próxima generación.

(Color online) In situ observation of the epitaxial growth and crystallinity through in situ RHEED analysis. (CREDIT: ACS Applied Electronic Materials)

Un Dispositivo Pequeño con un Gran Trabajo

Un diodo de túnel resonante, a menudo llamado RTD, es un dispositivo cuántico construido con capas tan delgadas que abarcan solo unos pocos átomos. Su característica clave es la resistencia diferencial negativa, donde la corriente puede disminuir a medida que aumenta el voltaje. Este comportamiento puede parecer contradictorio, pero resulta útil.

En el circuito adecuado, la resistencia diferencial negativa permite que el diodo sostenga oscilaciones de muy alta frecuencia. Estas oscilaciones pueden soportar señales de terahercios, que vibran aproximadamente un billón de veces por segundo. Los investigadores ven los enlaces de terahercios como un camino prometedor hacia la alta velocidad y las grandes cargas de datos que se esperan de las redes de sexta generación, o 6G.

Los científicos han investigado los RTD durante años, pero muchos dispositivos han dependido de materiales del Grupo III-V, como InGaAs. Estos enfoques pueden involucrar indio y arsénico, lo que conlleva toxicidad y problemas de suministro. También pueden complicar la fabricación a gran escala.

“En comparación con los RTD del Grupo III-V basados en InGaAs que incluyen elementos tóxicos y raros, como el indio y el arsénico, los RTD basados en compuestos del Grupo IV son más seguros, de menor costo y ofrecen ventajas para crear procesos de producción integrados”, declaró el autor principal, el Dr. Shigehisa Shibayama, de la Escuela de Posgrado de Ingeniería de la Universidad de Nagoya, a The Brighter Side of News.

Epitaxial growth of DBS analyzed using TEM analyses. (CREDIT: ACS Applied Electronic Materials)

Por Qué la Temperatura Ambiente Cambia Todo

Trabajos anteriores del mismo grupo de investigación apuntaban hacia un camino más seguro. El equipo creó un RTD de tipo p utilizando materiales del Grupo IV, específicamente aleaciones de germanio-estaño (GeSn) y germanio-silicio-estaño (GeSiSn). Sin embargo, el dispositivo solo funcionaba a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de menos 263 grados Celsius.

Ese nivel de enfriamiento mantiene un dispositivo confinado a entornos de investigación. Los dispositivos electrónicos de consumo y el hardware de red no pueden depender de tales condiciones de frío. Incluso muchos sistemas de laboratorio avanzados tendrían dificultades para escalar ese enfoque.

En el nuevo estudio, el equipo informa sobre un RTD de tipo p que funciona alrededor de la temperatura ambiente, unos 27 grados Celsius. Este cambio traslada el dispositivo de “física interesante” a “componente utilizable”. También aumenta las posibilidades de que los circuitos de terahercios puedan llegar a implementarse de forma más amplia.

El objetivo del equipo no era solo demostrar que el tunelamiento funciona en materiales del Grupo IV. Buscaban proteger la delicada estructura de capas que hace que el tunelamiento sea “resonante”, es decir, selectivo y eficiente.

Las Capas de Barrera que Deben Permanecer Limpias

Un RTD depende de una estructura de doble barrera. En términos sencillos, los electrones o los huecos atraviesan dos capas de barrera delgadas con una región similar a un pozo entre ellas. Si las capas permanecen nítidas y separadas, el diodo puede producir resistencia diferencial negativa.

Epitaxial growth of DBS analyzed by XRD analyses. (CREDIT: ACS Applied Electronic Materials)

Si las capas se mezclan, el efecto puede colapsar. Si se forman defectos, la corriente puede filtrarse más fácilmente. Esta fuga puede abrumar el comportamiento especial de tunelamiento y arruinar el rendimiento del dispositivo.

“El RTD no puede funcionar si estas capas se mezclan”, dijo Shibayama. “Si hay defectos en las capas, los electrones pueden tunelizar a través de estas rutas más fáciles, lo que provoca fugas de corriente. Esta fuga de corriente debe reducirse para que exista la resistencia diferencial negativa, la propiedad clave de un RTD”.

Ese problema ha dado forma al campo durante años. Construir capas con un grosor de unos pocos átomos suena limpio en teoría, pero el crecimiento real puede crear superficies rugosas, estructuras similares a islas y una mezcla no deseada entre capas.

Un Gas Simple con un Papel Crucial

El avance del equipo llegó con un cambio durante la formación de la capa. Introdujeron gas hidrógeno y probaron tres enfoques diferentes.

Primero, introdujeron gas hidrógeno tanto en las dos capas de GeSiSn como en las tres capas de GeSn. En segundo lugar, no utilizaron gas hidrógeno. En tercer lugar, introdujeron gas hidrógeno solo en las tres capas de GeSn.

Electrical characteristics of RTD prepared using the H2GeSn sample. (CREDIT: ACS Applied Electronic Materials)

El último escenario funcionó mejor. El gas hidrógeno restringió el crecimiento de las islas y limitó la mezcla entre capas. Esto produjo una estructura de doble barrera más suave y ordenada. Con barreras más limpias, el diodo pudo mostrar la resistencia diferencial negativa necesaria para el funcionamiento de alta frecuencia.

Este hallazgo también ofrece una lección práctica para la ingeniería de dispositivos. Se puede pensar en el hidrógeno como ayudando al material a “asentarse” en la forma correcta, en lugar de agruparse y mezclarse. El éxito del diodo depende de esos detalles microscópicos.

Los investigadores consideran el resultado como un paso hacia los componentes inalámbricos de terahercios que combinan velocidad, manejo de datos y eficiencia energética. También enfatizan la ventaja de fabricación de los materiales del Grupo IV, ya que estos elementos encajan más naturalmente en los flujos de trabajo semiconductores establecidos.

Implicaciones Prácticas de la Investigación

Si los ingenieros pueden construir sistemas de terahercios que funcionen a temperatura ambiente, se podrían ver cambios reales en la forma en que los dispositivos inalámbricos mueven los datos. Los enlaces más rápidos podrían admitir redes de mayor capacidad en entornos densos, donde los sistemas actuales se ven tensos por el video, los sensores y la conectividad constante. El trabajo también apunta hacia una mejor eficiencia energética, ya que un dispositivo que mantiene señales de alta frecuencia sin una refrigeración extrema puede evitar importantes costos de energía.

El ángulo de los materiales también es importante. Al evitar los elementos tóxicos y raros, los RTD del Grupo IV podrían reducir los riesgos de suministro y mejorar la seguridad en la fabricación. Ese cambio podría facilitar la ampliación de la producción y la integración de estos diodos en procesos de fabricación de chips más amplios.

Para los investigadores, el estudio también destaca un método concreto, el hidrógeno introducido durante el crecimiento específico de la capa, para reducir los defectos y mejorar la calidad de la barrera. Esta técnica podría guiar futuros experimentos y acelerar el camino desde los prototipos hasta los circuitos prácticos.

Aún así, el estudio no afirma tener hardware listo para el consumidor hoy en día. Ofrece un bloque de construcción clave y una receta más clara para que funcione en condiciones cotidianas. El próximo progreso vendrá de refinar el rendimiento e integrar estos diodos en componentes completos de terahercios.


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enero 28, 2026 0 comments
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Tecnología

Ventana Aislante MOCHI: Nuevo Material Transparente para Ahorrar Energía

by Editor de Tecnologia diciembre 15, 2025
written by Editor de Tecnologia

En la mayoría de los edificios, las ventanas siguen siendo la parte más vulnerable de la estructura cuando se trata de pérdida de energía. A nivel mundial, los edificios representan aproximadamente el 40% del consumo total de energía, gran parte de la cual se gasta en mantener espacios interiores confortables. Una parte importante de esa energía se escapa a través de paredes, techos y, especialmente, ventanas. Aunque las ventanas a menudo cubren solo alrededor del 8% del exterior de un edificio, pueden representar casi la mitad del calor que entra y sale. En los hogares modernos con grandes superficies acristaladas, esa fracción puede aumentar considerablemente.

Los ingenieros han buscado durante mucho tiempo materiales que aíslen tan bien como las paredes, pero que sigan siendo transparentes como el vidrio. Existen opciones como el vidrio con aislamiento al vacío o los aerogeles transparentes, pero cada uno tiene sus inconvenientes. Estos materiales pueden ser costosos, difíciles de fabricar a gran escala o propensos a la turbidez a medida que aumenta su grosor. Una vez que los aerogeles superan los pocos milímetros de grosor, dispersan la luz y pierden claridad, lo que limita su utilidad para ventanas.

El desafío radica en la estructura. Muchos materiales aislantes se basan en atrapar aire, pero si los poros internos varían demasiado en tamaño, dispersan la luz y permiten el paso del calor. Para que funcione bien, un aislante de ventana ideal necesita poros más pequeños que la luz visible y más pequeños que la distancia que recorren las moléculas de aire antes de chocar. En condiciones ambientales, esa distancia es de alrededor de 60 nanómetros.

Eldho Abraham, a la izquierda, y Taewoo Lee, a la derecha, sostienen una fina lámina de MOCHI adherida a plástico transparente.(CREDIT: Glenn J. Asakawa/CU Boulder)

Un enfoque transparente al “aire congelado”

Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder creen haber encontrado una solución. Físicos allí han desarrollado un nuevo material aislante transparente conocido como Aislante Térmico Ópticamente Claro Mesoporoso, o MOCHI. El material se comporta como una versión altamente controlada de aire congelado, atrapando el calor mientras permanece casi invisible.

MOCHI consiste en una red de nanotubos de silicona huecos dispuestos en un patrón altamente uniforme. El aire constituye más del 90% de su volumen, pero el marco sólido mantiene esos bolsillos de aire estables y espaciados uniformemente. Al limitar el material sólido a solo un 5% al 15%, el equipo logró tanto un bajo flujo de calor como una alta transparencia.

Las pruebas mostraron que las láminas delgadas de MOCHI transmiten más del 99% de la luz visible, con casi ninguna neblina. El vidrio de ventana ordinario suele transmitir menos del 92%. Al mismo tiempo, MOCHI conduce el calor a menos de la mitad de la velocidad del aire inmóvil. Según Ivan Smalyukh, autor principal del estudio y profesor de física en CU Boulder, ese equilibrio ha sido esquivo.

“Para bloquear el intercambio de calor, puede poner mucho aislamiento en sus paredes, pero las ventanas deben ser transparentes”, dijo Smalyukh. “Encontrar aislantes que sean transparentes es realmente un desafío”.

El equipo publicó sus hallazgos en la revista Science.

Shakshi Bhardwaj sostiene bloques de MOCHI de diferentes tamaños. (CREDIT: Glenn Asakawa/CU Boulder)

De muestras de laboratorio a paneles a escala de ventana

Uno de los aspectos más prometedores de MOCHI es su escalabilidad. Los investigadores produjeron películas y losas de un metro cuadrado y varios centímetros de grosor sin sacrificar la claridad ni el aislamiento. Estas losas se pueden colocar dentro de unidades de vidrio aislante, o IGUs, con un grosor similar al de las ventanas de doble vidrio estándar.

Cuando se utilizan de esta manera, las ventanas rellenas de MOCHI alcanzaron niveles de aislamiento comparables o mejores que los de las paredes bien aisladas. Incluso las capas delgadas adheridas al interior de las ventanas de vidrio simple mejoraron significativamente el rendimiento, acercándolas a los estándares de doble vidrio. La imagen infrarroja reveló mucha menos fuga de calor en comparación con las ventanas convencionales.

MOCHI también ayuda con la comodidad diaria. Al bloquear la radiación térmica, reduce la condensación y amortigua el sonido. En las pruebas, las ventanas MOCHI redujeron el ruido hasta en 35 decibelios a ciertas frecuencias, superando a los vidrios dobles estándar.

El proceso de fabricación se basa en el autoensamblaje controlado. Los investigadores mezclan precursores de silicona con moléculas tensioactivas que forman naturalmente hilos diminutos en solución. La silicona recubre estos hilos y, en pasos posteriores, el tensioactivo se reemplaza con aire. El resultado es un laberinto denso de tubos microscópicos llenos de aire. Smalyukh compara la estructura con una “pesadilla de fontanero”, pero una que funciona maravillosamente para el aislamiento.

De izquierda a derecha, Eldho Abraham, Gewei (Gary) Chen, Abram Fluckiger, Taewoo Lee, Keita Richardson, Shiva Singh, Shakshi Bhardwaj, Hanqing Zhao, Ivan Smalyukh y Alex Adaka. (CREDIT: Glenn Asakawa/CU Boulder)

Cómo se comportan la luz y el calor dentro de MOCHI

Bajo un microscopio, MOCHI se ve muy diferente a los aerogeles tradicionales. En lugar de grupos de partículas con espacios aleatorios, forma una red ordenada de poros uniformes. Esta estructura permite que la luz pase a través con una dispersión mínima. Su índice de refracción es cercano al del aire, lo que significa que poca luz se refleja en su superficie.

Debido a que los poros son más pequeños que el camino que recorren las moléculas de aire, la transferencia de calor se ralentiza drásticamente. Las moléculas de gas chocan con las paredes de los poros en lugar de entre sí, lo que limita el intercambio de energía. El marco de silicona en sí también resiste el flujo de calor.

En losas más gruesas, MOCHI absorbe y reemite radiación infrarroja térmica, lo que reduce aún más la pérdida de calor. Combinados, estos efectos hacen que el material sea una barrera eficaz contra el frío y el calor, al tiempo que permanece casi invisible.

El material también muestra efectos ópticos leves debido a la alineación parcial de sus nanotubos. Si bien no son críticos para las ventanas, estas propiedades podrían ser útiles en futuros dispositivos ópticos. Para el uso diario, MOCHI mantiene una excelente precisión del color, lo que significa que las vistas al aire libre se ven naturales.

Transformar la luz solar en calor útil

Más allá del aislamiento, MOCHI puede ayudar a los edificios a generar energía. El material deja pasar la luz visible y el infrarrojo cercano, al tiempo que atrapa la radiación de calor de longitud de onda más larga. Cuando se combina con un absorbedor oscuro, MOCHI permite que entre la luz solar, pero retiene gran parte del calor en su interior.

Fotografías ópticas que ilustran la alta transparencia y la reproducción del color de los MOCHI-IGU. (C) 52,5 por 65 cm de 35 mm de espesor con R ≈ 3,24 m2 K W−1 y (D) 35 por 50 cm de 37,5 mm de espesor con R ≈ 3,65 m2 K W−1 (24), según lo medido para temperaturas externas e internas de –4° y 16°C, respectivamente. (CREDIT: Science)

Los experimentos mostraron que los absorbedores cubiertos con MOCHI alcanzaron temperaturas cercanas a los 300 grados Celsius bajo la luz solar regular. Incluso en días nublados, el sistema continuó recolectando calor utilizable. Las simulaciones sugieren que cubrir una parte del exterior de una casa con tales paneles podría satisfacer las necesidades de calefacción, y las instalaciones más grandes podrían generar energía excedente.

“Las pruebas de durabilidad indican que los productos basados en MOCHI pueden durar al menos 20 años, similar a los IGUs convencionales. Las muestras adheridas a las superficies interiores de las ventanas sobrevivieron aproximadamente cinco años en condiciones reales, incluido el polvo, la lluvia ácida y la exposición a productos químicos, sin perder sus propiedades clave. El material es mecánicamente robusto, se puede enrollar en películas delgadas, cortarse con láser en formas complejas y permanece superhidrofóbico, ignífugo e impermeable”, dijo Smalyukh a The Brighter Side of News.

Implicaciones prácticas de la investigación

MOCHI podría cambiar la forma en que los edificios gestionan la energía. Al convertir las ventanas en aislantes de alto rendimiento, los arquitectos podrían usar más vidrio sin sacrificar la eficiencia. Los hogares y las oficinas podrían reducir la demanda de calefacción y refrigeración, lo que reduciría las facturas de energía y las emisiones. La durabilidad del material sugiere que podría durar décadas en condiciones del mundo real.

Más allá de los edificios, MOCHI puede encontrar uso en invernaderos, ropa protectora y sistemas térmicos solares. Su combinación de claridad y aislamiento abre posibilidades donde tanto la visibilidad como el control de la temperatura son importantes. Con un mayor desarrollo, la misma estructura podría admitir la purificación del aire o el control solar adaptativo.

“Por ahora, MOCHI seguirá siendo un producto de laboratorio. Los ingredientes siguen siendo relativamente económicos y todavía tenemos trabajo que hacer para mejorar nuestro proceso de fabricación”, compartió Smalyukh con The Brighter Side of News.

Si eso sucede, las ventanas podrían dejar de perder energía y comenzar a ayudar a generarla.

Los hallazgos de la investigación están disponibles en línea en la revista Science.


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diciembre 15, 2025 0 comments
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