En las fronteras de la F\u00edsica del estado s\u00f3lido<\/p>\n
La Nanociencia y la Nanotecnolog\u00eda es un conjunto de conocimientos te\u00f3ricos y pr\u00e1cticos que nos permiten determinar como se comporta el denominado nanomundo (el \u00e1mbito en el que el tama\u00f1o de los objetos tienen entre 1 y 100 nm). A partir de estos conocimientos se est\u00e1n haciendo continuamente interesantes y arriesgadas propuestas sobre nuevos procedimientos, materiales y dispositivos que muy probablemente se convertir\u00e1n en los bienes de consumo que inundaran nuestras casas, oficinas, hospitales y veh\u00edculos, etc. en las pr\u00f3ximas d\u00e9cadas. Demos un repaso a este interesante tema.<\/p>\n
Puede decirse que el comienzo de la Nanotecnolog\u00eda se remonta a 1959 cuando el f\u00edsico y premio Nobel Richard Feynman pronunci\u00f3 en el Instituto de Tecnolog\u00eda de California su ahora famoso discurso. Feynman trat\u00f3 en su conferencia del problema de la manipulaci\u00f3n individual de objetos tan peque\u00f1os como \u00e1tomos y mol\u00e9culas y de las m\u00faltiples oportunidades tecnol\u00f3gicas que ofrecer\u00eda dicha manipulaci\u00f3n. En aquel momento su discurso no tuvo una gran repercusi\u00f3n, pero hoy d\u00eda muchas de sus predicciones se han cumplido con bastante exactitud.<\/p>\n
Sin embargo, la palabra \u201cNanotecnolog\u00eda\u201d fue acu\u00f1ada en 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de Ciencias de Tokio en un art\u00edculo titulado \u201cOn the Basic Concept of \u00b4Nanotechnology\u201d, que se present\u00f3 en una conferencia de la Sociedad japonesa de Ingenier\u00eda de Precisi\u00f3n. En este contexto la Nanotecnolog\u00eda se presenta como la tecnolog\u00eda que nos permitir\u00e1 separar, consolidar y deformar materiales \u00e1tomo a \u00e1tomo o mol\u00e9cula a mol\u00e9cula.<\/p>\n
En el a\u00f1o 1986 las ideas de Feynman y Taniguchi se concretaron algo m\u00e1s, cuando E. Drexler public\u00f3 el libro titulado \u201cEngines of Creation\u201d en el que describe como ser\u00eda viable construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando mol\u00e9cula a mol\u00e9cula, ladrillo a ladrillo, mediante nanorobots ensambladores, que funcionar\u00e1n de un modo parecido a como lo hacen los ribosomas y otros agregados moleculares en las c\u00e9lulas de nuestro cuerpo. Este conjunto de ideas, elaboradas y desarrolladas en el per\u00edodo de 1960-1990, han sido el punto de arranque de lo que hoy d\u00eda conocemos por Nanotecnolog\u00eda, el bagaje creciente de conocimientos te\u00f3rico-pr\u00e1cticos que nos permitir\u00e1n dominar la materia en la regi\u00f3n de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nm, y que denominamos nanoescala.<\/p>\n
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El trabajo con objetos tan peque\u00f1os entra\u00f1a una gran dificultad, y de hecho fue algo totalmente imposible hasta que se desarrollaron los microscopios de campo cercano (SPMs) a partir del microscopio de efecto t\u00fanel (STM) que fue inventado por H. Rohrer y G. Binnig a principios de la d\u00e9cada de 1980, contribuci\u00f3n por la que recibieron el premio Nobel en 1986. Las herramientas SPM permiten no s\u00f3lo la visualizaci\u00f3n, sino tambi\u00e9n la manipulaci\u00f3n de objetos de dimensiones nanom\u00e9tricas y de muy distinta naturaleza. En la actualidad, estas t\u00e9cnicas son de utilizaci\u00f3n rutinaria en los laboratorios de Nanociencia y Nanotecnolog\u00eda de todo el mundo, donde se dise\u00f1an, no tanto dispositivos concretos, sino experimentos que demuestren las posibilidades de estas \u201cnuevas\u201d tecnolog\u00edas.<\/p>\n
Todos los conocimientos generados han desembocado en la puesta a punto de diferentes iniciativas (programas de investigaci\u00f3n, nuevos centros y equipamientos, etc.) para lograr que dichos conocimientos tuviesen una traducci\u00f3n en la tecnolog\u00eda, generando aplicaciones reales, tangibles. La gran belleza de estos experimentos, junto con las enormes expectativas para aplicaciones que de ellos se derivan, ha conducido a la gran proliferaci\u00f3n del prefijo \u201cnano\u201d (muchas veces un tanto abusiva con el simple objetivo de intentar revalorizar una l\u00ednea de investigaci\u00f3n). As\u00ed, o\u00edmos hablar de disciplinas como nanoqu\u00edmica, nanoelectr\u00f3nica, nanofot\u00f3nica, nanomedicina o nanobiotecnolog\u00eda; o de objetos tales como nanopart\u00edculas, nanotubos, nanoim\u00e1nes o nanomotores. En definitiva, el colocar el prefijo \u201cnano\u201d delante de una palabra determinada nos indica que ese campo se va a estudiar enfatizando aquellos aspectos del mismo relacionados con la nanoescala.<\/p>\n
Buscando un s\u00edmil sencillo, el fundamento en el que se basa gran parte de la tecnolog\u00eda actual se asemeja al trabajo realizado por un escultor, que cincela, pule y modela un bloque de material para obtener un objeto m\u00e1s peque\u00f1o con la forma deseada. Puesto que cada vez son necesarias tecnolog\u00edas de fabricaci\u00f3n m\u00e1s precisas, es importante disponer de tama\u00f1os de cincel progresivamente m\u00e1s peque\u00f1os. Este planteamiento es conocido como tecnolog\u00eda de fabricaci\u00f3n descendente o \u201ctop-down\u201d (de arriba hacia abajo). Un ejemplo del \u00e9xito de esta aproximaci\u00f3n lo encontramos en la industria de la electr\u00f3nica que desde hace m\u00e1s de 40 a\u00f1os ha mantenido un incremento continuado de la densidad de transistores que se pueden integrar sobre una oblea de silicio, de forma que el n\u00famero de elementos dentro de un dispositivo de estado s\u00f3lido se dobla cada 18 meses. Esta tendencia, propuesta en los a\u00f1os 60 por G. Moore, co-fundador de Intel. Es lo que hoy se denomina \u201cley de Moore\u201d.<\/p>\n
Sin embargo sabemos que los m\u00e9todos de fabricaci\u00f3n \u201ctop-down\u201d poseen una serie de limitaciones intr\u00ednsecas. El primero de estos problemas tiene que ver con el hecho de que a medida que se reduce el tama\u00f1o de un objeto, la relaci\u00f3n superficie\/volumen crece y, puesto que las propiedades f\u00edsicas de una superficie son generalmente muy distintas a las del volumen, las propiedades funcionales del material cambiaran al reducir su tama\u00f1o a la escala nanom\u00e9trica. Estas modificaciones en las propiedades se conocen como efecto del tama\u00f1o finito. El segundo problema con que nos encontramos en esta carrera hacia la miniaturizaci\u00f3n reside en que en la nanoescala se hacen m\u00e1s palpables los llamados efectos cu\u00e1nticos. Por \u00faltimo, otro problema fundamental que aparece al intentar seguir disminuyendo el tama\u00f1o de un objeto es que cada vez resulta m\u00e1s dif\u00edcil mejorar las herramientas que permiten su manipulaci\u00f3n.<\/p>\n
Enfrentarse a los desaf\u00edos planteados por la miniaturizaci\u00f3n extrema, que permita explorar las propiedades emergentes en la nanoescala, impone la necesidad de desarrollar una \u201cnueva tecnolog\u00eda\u201d: ese es el papel de la Nanotecnolog\u00eda. La aproximaci\u00f3n \u201cnano\u201d es, por tanto, muy diferente de la \u201ctop-down\u201d, pues el planteamiento est\u00e1 basado exactamente en lo contrario: ir de lo peque\u00f1o a lo grande, construyendo dispositivos a partir de sus componentes \u00faltimos. En este caso, se trata de trabajar no como un escultor,\u00a0 sino como un alba\u00f1il, que construye una pared partiendo de una serie de elementos b\u00e1sicos, los ladrillos. Esta aproximaci\u00f3n, de tipo ascendente, que tambi\u00e9n se conoce como \u201cbottom-up\u201d (de abajo hacia arriba), utiliza para dar forma a diferentes materiales o dispositivos, componentes b\u00e1sicos muy variados tales como \u00e1tomos, \u00e1cidos nucleicos, prote\u00ednas, nanopart\u00edculas o nanotubos.<\/p>\n
S\u00f3lo se conoce un sistema que funcione verdaderamente siguiendo los principios fundamentales de la Nanotecnolog\u00eda que hemos expuesto anteriormente: la vida. Desde hace casi 4000 millones de a\u00f1os sobre la Tierra, los seres vivos realizan sus funciones vitales mediante procesos de reconocimiento molecular, auto-organizaci\u00f3n, auto-ensamblando, motores moleculares\u2026As\u00ed pues, otra idea fundamental en Nanotecnolog\u00eda es la de aprovechar estos conceptos y procesos para llegar a construir nuevos dispositivos tecnol\u00f3gicos.<\/p>\n
Hoy d\u00eda estamos todav\u00eda lejos de la verdadera explosi\u00f3n de la Nanotecnolog\u00eda. La mayor parte del conocimiento se reduce a millares de experimentos de laboratorio, conocimiento que podr\u00edamos llamar Nanociencia. Las aplicaciones de la Nanotecnolog\u00eda est\u00e1n llegando poco a poco, aunque en el momento actual s\u00f3lo un pu\u00f1ado de productos simples explota las nuevas propiedades de su nanoestructura. En este art\u00edculo ilustraremos, desde un punto de vista b\u00e1sico, la capacidad de la Nanociencia para generar futuras aplicaciones.<\/p>\n
Fin de la 1\u00aa parte.<\/p>\n
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