El “universo” de lo muy pequeño: NANO

  Carnaval de Física

                    Richard Feynman

Alguna vez hemos hablado aquí de Nanotecnología pero, pocos saben que sus comienzos se remontan a 1959 cuando el físico y premio Nobel Richard Feynman pronunció en el Instituto de Tecnología de California su ahora famoso discurso (en el ámbito de la Física). Feynman trató en su conferencia del problema de la manipulación individual de objetos tan pequeños como átomos y moléculas y de las múltiples oportunidades tecnológicas que ofrecería dicha manipulación.

A él le hubiera gustado conocer la realidad actual sobre todo lo que vaticinó en aquella conferencia, ya que, al haberse cumplido todos sus pronósticos, estaría satisfecho al ver que llevaba razón y sus ideas estaban bien encaminadas. La Nanociencia y la Nanotecnología son hoy un conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que permiten determinar como se comporta el denominado nano-mundo (el ámbito en el que el tamaño de los objetos tienen entre 1 y 100 nm). A partir de estos conocimientos se están haciendo continuamente interesantes y arriesgadas apuestas sobre nuevos procedimientos.

Pero los seres humanos no somos los primeros nano-tecnólogos. Ese honor le corresponde a cualquier célula, sea esta una bacteria, un protozoo o un fibroblasto. Las células están continuamente realizando procesos nanotecnológicos para mantenerse vivas. Como siempre, los seres humanos estamos aprendiendo a copiar procesos que se llevan a cabo en la Naturaleza con la esperanza de mejorarlos y beneficiarnos de ellos.

La elaboración de materiales nanoestructurados tridimensionales – aquellos que tienen formas distintivas y estructuras a escalas de unas pocas millonésimas de un metro – se ha convertido en un área fértil de investigación, produciendo materiales útiles para dispositivos biomédicos, fotónica y electrónica.

Sin embargo, los métodos de elaboración de materiales han estado limitados en la complejidad 3D que pueden producir. Ahora, un equipo del MIT ha encontrado una manera para producir estructuras más complicadas utilizando una mezcla de enfoques Top-down y Bottom-up.

En aquel discurso de Feynman, no se pronunció, sin embargo, la palabra Nanotecnología. Dicho término no fue acuñado hasta 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de las Ciencias de Tokio en un artículo titulado “On the Basic Concept of ´Nanotecnolgy´”. Se presentó en una conferencia de la Sociedad Japonesa de Ingenieria de Precisión. En este contexto, la Nanotecnología se presenta como la tecnología que nos permite separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.

En la Nanotecnología suelen intervenir Ingenieros, Físicos, Químicos, Bioquímicos, Biólogos, Médicos y perfiles de todos aquellos campos dónde la nanotecnología tiene aplicación. La nanotecnología es un sector transversal. Un campo de las ciencias aplicadas a tecnologías que pueden ayudar a optimizar la cadena de valor de cualquier proceso de producción, permitiendo implementar el ratio de competitividad de las empresa. Es tecnología punta y, va estando presente en infinidad de máquinas y sofisticados aparatos que, tanto en la Tierra con el en Espacio, llevan a cabo cometidos de todo tipo con una garantía y seguridad que antes era imposible obtener.

Aquellas semillas sembradas por Feynman y regadas por Taniguchi, empezaron a germinar cuando E. Drexter publicó su libro titulado “Engines of Creation” en el que describe como será viable construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo, mediante nano-robots ensambladores, que funcionarán de un modo parecido a como lo hacen los ribosomas y otros agregados moleculares en las células de nuestro cuerpo (siempre copiando a la Naturaleza). Este conjunto de ideas -1960-1990-, han sido el punto de arranque de lo que hoy en día conocemos por Nanotecnología, el bagaje creciente de conocimientos teórico-prácticos que nos permitirán dominar la materia en la región de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nm, y que denominamos nano-escala que es el ámbito de la Nanotecnología y la Nanociencia.

Si vamos ya a ejemplos concretos de interrelaciones entre estas tecnologías en desarrollo encontraremos una importante cantidad de trabajo dirigido al área de la salud, por ejemplo en el campo de los biosensores y técnicas de diagnóstico, en donde se unen principalmente herramientas nano y bio, siempre apoyadas por la tecnología de la información. Así mismo, aparecen los proyectos dirigidos a desarrollar tratamientos médicos localizados o al transporte y suministro local de fármacos. También en el campo de la salud, una imprescindible sinergia está ya establecida entre la bio y la info en lo que se llama la bioinformática, que permite por ejemplo diseñar fármacos computacionalmente, desarrollar terapias génicas o la ingeniería genética en los cultivos. Sobre las ciencias cognitivas, sus aplicaciones e interacciones con las otras tecnologías, también encontramos importantísimas áreas de trabajo ya en marcha, como es el caso del desarrollo de órganos artificiales o prótesis inteligentes, combinando los conocimientos de neurociencia, principalmente con tecnologías de la información y bio, y en muchos casos, con el área de nuevos materiales desarrollados gracias a la nanotecnología. De manera general, para entender mejor el funcionamiento del cerebro (ciencias cognitivas), tendremos que apoyarnos fuertemente en las herramientas que nos brinda la biotecnología y la tecnología de la información, que, a su vez aprovechará las conclusiones que se vayan obteniendo para proponer nuevas aplicaciones.

Claro que, trabajar con objetos tan pequeños entraña una gran dificultad, y de hecho fue prácticamente imposible hasta que se desarrollaron los microscopios de campo cercano (SPMs) a partir del miscroscopio de Efecto Túnel (STM que fue inventado por H. Rohrer y G. Binning a principio de la década de los 80, contribución por la que recibieron el premio Nobel en 1986. Las herramientas SPM permiten no sólo la visualización, sino también la manipulación de objetos de dimensiones nanométricas y de muy distinta naturaleza.

Aventurarse a predecir futuras aplicaciones del conocimiento científico siempre resulta una tarea arriesgada, y con más razón cuando se trata de un conocimiento tan joven como la Nanociencia. No obstante, a la luz del camino ya recorrido es posible adivinar algunas de las implicaciones futuras de este conocimiento. Los campos científicos y tecnológicos que podrían beneficiarse a medio o largo plazo son muchos y variados.

Sin ánimo de ser exhaustivos, podemos destacar algunas de las ramas del saber y de la técnica que pueden aplicar la Nanotecnología en un futuro no demasiado lejano.

                                          Nanomateriales

A medio plazo podemos destacar las siguientes mejoras:

– Televisores y pantallas para presentar información. Se pretende aumentar el área útil de estos dispositivos, mejorando el brillo de los actuales TFT. Nano-cristales de seleniuro de cinc o de sulfuro de cadmio con candidatos muy prometedores que, además, permitirían reducir el consumo energético.

– Aditivos en aditivos: Se ha comprobado que las nanopartículas de óxido de cerio permiten reducir el gasto de diésel.

– Baterías diésel: para la necesidad de aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de las baterías que se utilizan en dispositivos móviles (ordenadores portátiles, teléfonos). Se ha comprobado que los nano-cristales sintetizados por técnicas sol-gel mejorar dicha capacidad debida a su estructura aerogel.

– Catálisis: La eficacia de este proceso depende fundamentalmente del área, y la razón área/volumen es mayor en partículas de pequeño tamaño.

        Nanomateriales aplicados a dispositivos electrónicos y los tres tipos de geometrías de nanotubos de carbono

Las aplicaciones a largo plazo podrían ser:

• Composites de nanotubos de carbón, que deberían presentar unas excepcionales propiedades mecánicas (alta resistencia y poco peso).
• Lubruicantes: Se pretenden utilizar nano-esferas de materiales inorgánicos que actúen como pequeños rodamientos, reduciendo el desgaste de superficies sometidas a grandes tensiones mecánicas.

• Materiales magnéticos: Los nano-cristales de ytrio-samario-cobalto presentan grandes campos coercitivos. Su uso mejoraría las prestaciones de ciertos instrumentos como aquellos utilizados en Resonancia Magnética Nuclear. Asimismo, podrían mejorar la capacidad de almacenamiento de información de los discos duros empleados por los ordenadores.

Electrónica

• Miniaturización de circuitos integrados: Esta objetivo sigue siendo esencial para el desarrollo de la electrónica tal y como la conocemos hoy día. Se cree que la tecnología de 22 nm estará disponible en unos 10 años.
• Cristales fotónicos, con mejores rendimientos para focalizar haces de luz, mejorando la eficiencia de las guías de luz. Por ejemplo, un típico cristal fotónico podría estar basado en redes de agujeros realizados en un dieléctrico, cada uno fabricado con una precisión inferior a los 10 nm. Las imperfecciones deben ser necesariamente pequeñas porque en caso contrario se degradan las bandas prohibidas de estos dispositivos.
• Computación Cuántica y criptografía cuántica: Los puntos cuánticos basados en semiconductores son candidatos ideales para fabricar dispositivos que permitan aplicar todas las teorías que ya existen sobre computación y criptografía cuánticas.
• Sensores: El sensor ideal es aquel de pequeño tamaño que resulte mínimamente invasivo. Para fabricar un dispositivo de 1 mm2 que contenga una fuente de alimentación, el sensor y el transmisor de la señal es indudable que se requiere una alta miniaturización.

        Diferentes geometrías de cristales fotónicos

Biotecnología

• Nano-farmacología: El transporte de los fármacos a los lugares específicos del cuerpo donde son necesarios reduce la necesidad de ingesta alta dosis de los mismos y mejora su eficacia. Así, se especula que los nano-cristales de plata podrían liberar iones de plata durante un largo intervalo de tiempo, actuando sobre un espectro de unos 150 agentes patógenos.
• Nanosensores: Al disminuir su tamaño resultan menos invasivos y por tanto más beneficiosos para el diagnóstico médico.
• ADN: Sus propiedades de carácter semiconductor cuando se ha eliminado el agua son muy prometedoras para su uso como nano-hilos. Además, tiene unas cualidades muy atractivas para su aplicación en nanoelectrónica por su capacidad para auto-ensamblarse y duplicarse. Se alcanzaría así el objetivo de conseguir circuitos electrónicos con capacidad para auto-repararse.

     Molécula de ADN

Todos estos conocimientos generados han desembocado en la puesta a punto de diferentes iniciativas (programas de investigación, nuevos centros y equipamientos, proyectos futuristas, ingenios espaciales, óptica, medicina, ingeniería, fotónica, computación, robótica, etc. Y, pocas dudas nos pueden caber a estas alturas de que, todo este nuevo “universo” de lo NANO, desembocará en un nuevo mundo de tecnología muy tangible y real en nuestro futuro próximo. La gran belleza de estos experimentos y nuevas técnicas, junto a las enormes e ilimitadas expectativas que de ellos se generan han conducido a la proliferación del prefijo “nano” (no pocas veces un tanto abusiva y con el simple objetivo de revalorizar el producto o la línea de investigación). Así podemos oir hablar de disciplinas como nanoquímica, nanoelectrónica, nano-fotónica, nanomedicina o nano-biotecnología; o de objetos tales como nanopartículas, nanotubos, nano-imanes o nanomotores. Es decir, el colocar el prefijo “nano” delante de una palabra determinada nos indica que ese campo se va estudiar enfatizando aquellos aspectos del mismos relacionados con la nano-escala.

Los más fiables y sofisticados aparatos son empleados hoy para desarrollar estas tecnologías que, si buscamos un símil sencillo, el fundamento en que se baza gran parte de la tecnología actual se asemeja al trabajo realizado por un escultor, que cincela, pule y modela un bloque de material para obtener un objeto más pequeño con la forma deseada. Puesto que cada vez son más necesarias tecnologías de fabricación más precisas, es importante disponer de tamños de “cincel” cada vez más pequeños y, también, más precisos. Este planteamiento es conocido como tecnología de fabricación descendente o “top-down” (arriba y abajo, el nombre de los quarks que conforman a los protones y neutrones).

Se están consiguiendo maravillas en el campo de la electrónica molecular. El potencial de las moléculas como componentes electrónicos manométricos. Variando la estructura de moléculas especialmente diseñadas que contienen átomos de metales de transición, como el cobalto en un caso y un par de átomos de vanadio en el otro ,se consigue obtener las características similares a de un transistor y establecer un flujo de corriente a través de un estado cuántico. El siguiente dibujo es una representación de un complejo cobalto-terpiridinil (cobalt-terpyridinyl) (a la izquierda) y de una molécula di vanadio(a la derecha) unidas ambas a electrodos de oro.

El “universo” de lo muy pequeño, nos tiene deparadas grandes sorpresas

Investigadores de la universidad de Cornell y de la universidad de Harvard informaron sobre el desarrollo de este sistema de un solo átomo del cobalto en un caso y dos átomos del vanadio en el otro. Todo una hazaña increíblemente difícil de realizar, construir estos circuitos requirió la fabricación de “moléculas diseñadas” integradas por varios átomos dispuestos a modo de andamio en donde los átomos de cobalto o de vanadio se ubican en forma central.

Una pequeña molécula de 1 a 2 nm(nanómetro) de longitud se une a dos electrodos de oro, los cuales se depositan en una superficie de oxido de silicio. Infinidad de experimentos y funciones son objetos de los más variados proyectos

La Electrónica se hace molecular y la molécula Memoria

Por ejejmplo, una punta de cobalto sobre un colorante azul finamente fijada en una isla de cobalto emplatada en una base de cobre. Parece una receta de cocina de vanguardia, pero no, es molectrónica, electrónica molecular nanométrica. Un equipo de instituto tecnológico de Karlsruhe ha conseguido un detector magnético de un nanómetro de diámetro, basado en una molécula orgánica común (el azul de los bolis) y un fenómeno mecanocuántico la magnetorresistencia gigante. Rico, rico, veamos el sencillo fundamento.

Magnetorresistencia gigante mediante una única molécula de H2  ftalocianina. Electrónica molecular de espín. Representación del dispositivo compuesto por una isla base de cobalto sobre la que se deposita una sola molécula de ftalocianina, la punta a escala atómica de cobalto. La escala del dispositivo es realmente sorprendente, el diámetro de la molécula orgánica es de 0.6 nm de diámetro y la fila de diez átomos de cobalto (Co) es de unos 1.5 nm. De longitud.

La magnetoresistencia es la variación de la resistencia que ofrece un material cuando se aplica sobre él un campo magnético. La magnetorresistencia gigante es un fenómeno cuántico, a escalas pequeñas, se da en estructuras de finísimas capas ferromagnéticas separadas por un espaciador no magnético, un sandwich donde el pan conduce y la mortadela no. Cuando se aplica un campo magnético externo disminuye muchísimo la resistencia eléctrica al alinearse los espines de los electrones de todas las capas.

La idea que subyace es utilizar la simple química de moléculas orgánicas comunes, como la utilizada en la tinta azul de los bolis y unirla a su peculiar física cuando se depositan como una capa monoatómica entre dos sustratos ferromagnéticos. Se aúna electrónica molecular, con la electrónica de espín ‘espintrónica’. Son las moléculas de hidrógeno ftalocianina las que actuarán como transistores, resistencias y unidades del circuito electrónico.

Científicos en Suiza han logrado visualizar hace una semanas los átomos que forman la molécula del pentaceno, representando un hito en el ámbito de la nanotecnología y la electrónica molecular. La molécula es el pentaceno (C22H14), consistente en cinco anillos de benceno enlazados formando una cadena aromática, que es candidato a ser utilizada en nuevos semiconductores orgánicos.

Investigadores europeos informaron en el Internacional Solid-State Circuits Conference de San Francisco, California, el desarrollo del primer microprocesador flexible orgánico. Los investigadores, especialistas en polímeros y electrónica molecular, son del Imec, un centro de investigación de nanotecnología de Bélgica.

El mayor escollo para desarrollar esta tecnología, según el leader del equipo de investigadores, Jan Genoe, fue encontrar la forma de controlar los transistores orgánicos, pues cuando se habla de estructura, el silicio es mejor que las alternativas orgánicas pues su estructura monocristalina permite una reacción más consistente.

El costo de estos tipos de procesadores es mucho más baratos que los de silicio. Más o menos costaría producirlos solo el 10 % de lo que cuesta producir uno de silicio.

Según la fuente, este descubrimiento puede ser el inicio de un montón de aplicaciones que van desde poder registrar la presión del agua, cuando se lo coloca alrededor de una caño, hasta empaquetar alimentos y drogas de farmacia, ya que podría indicar el estado de la comida y avisar cuando nos olvidamos de tomar una medicina.

Fullereno C₅₄₀.

Ampliamente hemos hablado aquí de los fullerenos y Nanotubos de carbono, Grafeno, Nano-hilos y Nanopartículas y seguiremos hablando en el futuro, todos estos vocablos y palabras nuevas son las que están describiendo las tecnologías que nos llevarán hacia adelante y, si queremos estar al día, si deseamos no quedarnos atrás, debemos estar pendientes de todo lo que se mueva en ese “nuevo” campo de la Ciencia que, de seguro, nos dará muchas alegrías.

¿Hasta dónde podremos llegar?

¿Qué límite nos impondrá la Naturaleza?

O, al ser también nosotros parte de ella, nos dejará acercarnos tanto que, podremos, finalmente, confundirnos con ella al llegar a entenderla tan profundamente que, nada se interpone para que, nos podamos fusionar en un abrazo final cuando, llegado el momento y, convertidos en pura luz de energía infinita, podamos vagar por las estrellas del Universo siendo parte, una importante parte, de todo ese complejo conglomerado que llamamos Universo.

Emilio Silvera V.