ATENEO  TEMAS CANDENTES  Nanotecnología
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Richard Feynman, premio Nobel de Física en 1965, durante una conferencia celebrada en el Instituto de Tecnología de California (CalTech), en 1959, titulada "Hay mucho espacio ahí abajo", pronosticó que, tarde o temprano, se podrían mover los átomos de manera individual, y construir configuraciones diferentes de las que existen en la naturaleza. Esta idea, por entonces propia de la ciencia-ficción, es el origen de la "nanotecnologia". Este término, acuñado por el profesor Drexler, está formado por la palabra "tecnología" y el prefijo científico "nano", utilizado en el Sistema Internacional de Unidades para designar al submúltiplo 10-9 de una unidad. Estamos hablando de medidas de longitud a escala atómica, de 10-9 m o, lo que es igual, de una millonésima de milímetro ¿Es posible construir máquinas que tengan esos tamaños o, a lo sumo, constituidas por centenares de átomos? Ya se ha hecho.
  
     
 Perspectiva histórica 
 
La nanotecnología es una necesidad que surge debido a las limitaciones en el modo tradicional de construcción de los dispositivos tecnológicos. Tras la invención del transistor, por parte de Bardeen, Brattain y Shockley en 1948, comenzó a desarrollarse la electrónica de estado sólido, en la que las, antaño, costosas válvulas (tubos de vacío tan aparatosos como poco fiables) fueron reemplazadas, con éxito, por pequeñas pastillas de silicio que no requerían calentamiento previo y funcionaban durante más tiempo. Sin embargo, ensamblar miles de transistores, para componer un circuito que realizara una operación medianamente compleja, requería de una cantidad de soldaduras que resultaba, con mucho, la parte más cara de toda la producción, mucho más costosa que el precio de los componentes. Así, por motivos más bien económicos, Kilby ideó el circuito integrado: en un único trozo de material semiconductor se van depositando capas de otros elementos, de forma que la transmisión de la corriente se realiza no ya por medio de contactos de cobre, sino por el interior del bloque de material semiconductor. Este método de construir dispositivos elimina, por tanto, gran parte de las costosas soldaduras y presenta, además, otras ventajas importantes: en primer lugar, permite reducir el tamaño del dispositivo y, en segundo lugar, al eliminar metros de contactos eléctricos en el circuito, se incrementa la velocidad de operación.
Imagen de un par de engranajes nanoscópicos
Así, se comenzaron a fabricar circuitos integrados, progresivamente más pequeños para lograr que funcionaran más rápido, lo que permitía incrementar el número de transistores que se podían incluir en un "chip" y, de esta manera, realizar tareas más complejas en un espacio más reducido. Nace así la carrera por la miniaturización del chip; desde que ésta comenzó, se ha puesto de manifiesto una ley empírica, la llamada "Ley de Moore": aproximadamente cada tres años, el tamaño de un chip de computadora es cuatro veces más pequeño. Cada uno de los nuevos modelos de chip que salen al mercado requiere, no sólo un considerable tiempo de diseño, también una nueva y costosa máquina que los produzca, cuya vida útil es, por lo tanto, muy reducida: rápidamente se queda obsoleta.

Este tipo de máquinas utiliza una tecnología llamada "fotolitografía", que guarda ciertas similitudes con la fotografía: un haz de luz, dirigido por computadora, impresiona ciertas zonas de una superficie sensible, que se someten a una especie de revelado y se fijan. Tras esta operación, se recubre con una nueva superficie y se repite el procedimiento. Los transistores actuales se fabrican con la tecnología MOSFET, y cuentan con tres tipos diferentes de material: metal (conductor), óxido de silicio (aislante) y silicio (semiconductor). La fotolitografía presenta una limitación importante en su utilización; puesto que se trata de un fenómeno ondulatorio, no puede utilizarse para iluminar superficies de tamaño menor que su propia longitud de onda. En la zona del espectro correspondiente a la luz visible, éste límite se sitúa alrededor de los 500 nanómetros. Puede utilizarse radiación de menor longitud de onda -de hecho, los MOSFET actuales se fabrican por medio de luz ultravioleta, y hay en marcha proyectos de utilización de rayos X-, pero únicamente se extiende el límite un poco más allá: a lo sumo, podrá prorrogarse el desarrollo de nuevos chips durante una década pero, con dimensiones tan pequeñas, comienzan a manifestarse los fenómenos cuánticos: la naturaleza ya no se comporta del mismo modo. Por lo tanto, si se quiere seguir disminuyendo el tamaño de un chip se deben tener en cuenta estos efectos, o lo que es mejor, utilizarlos.

En 1982, Heinrich Rohrer y Gerd Binnig, dos científicos del laboratorio IBM de Zurich idearon el microscopio de efecto túnel, un aparato que consiste en una punta muy afilada que recorre una superficie y proporciona una imagen de sus irregularidades a escala atómica. Para ello, hace uso de uno de los comportamientos cuánticos de las partículas. Si un electrón de cierta energía se confina en una región mediante dos barreras de potencial de energía superior, existe cierta probabilidad, debido a la propia naturaleza del electrón, de atravesar estas barreras. Este efecto se conoce como efecto túnel. De este modo, el microscopio de Rohrer y Binning establece una corriente eléctrica de tipo túnel entre la punta y la muestra, cuya intensidad depende de la distancia entre ambas, normalmente situada en los dos o tres átomos. Las posibilidades de este aparato, que a sus autores les valió el premio Nobel de 1986, son enormes. En 1989, ese mismo laboratorio de IBM utilizó una punta para ordenar átomos de xenón sobre una superficie y componer el primer texto escrito a escala atómica: el logotipo de su empresa. Por lo tanto, es posible escribir en un tamaño muy reducido; tal vez, el conjunto de publicaciones que se realizarán anualmente en todo el mundo podría caber en una superficie, no mayor, de un metro cuadrado.
 
Imagen del logotipo de la compañía IBM, que desarrolló el microscopio de efecto túnel. Está compuesto de átomos de xenón sobre una superficie de níquel.

  
 
     
 La tecnología del futuro 
 
Este fue el primer aparato que abrió las puertas de la nanotecnología. Desarrollos posteriores de la misma idea generaron el microscopio de fuerzas atómicas y el microscopio de fuerzas magnéticas y, con ellos, se comenzaron a idear tecnologías que posibilitaran la construcción de memorias informáticas superiores al "terabyte" (mil gigabytes). Uno de estos proyectos, realizado por la NASA, consiste en un dispositivo de almacenamiento de datos que proporcionará una densidad de 1015 bytes por cm2, utilizando un microscopio de fuerza atómica y una escritura con átomos de hidrógeno y flúor para representar los "0" y "1", respectivamente.

Por otra parte, los descubrimientos de los últimos años en biología y química molecular proporcionan ejemplos de máquinas de una eficacia sorprendente; la cadena de ADN es una estructura formada por dos cadenas lineales de proteínas unidas entre sí mediante millones de parejas de cuatro únicos elementos, o bases nucleicas (citosina, adenina, guanina y uracilo). Cada vez que una célula se divide, la cadena se separa en dos y cada una de las mitades reconstruye a su pareja por medio de ciertas enzimas, que transportan a cada lugar la base nucleica apropiada. Todo el proceso se realiza en unos 20 minutos, lo que significa que el ritmo de reconstrucción es de varios miles de bases nucleicas por segundo. Ya existen proyectos de utilización de chips de ADN, y se estudia la construcción de pequeñas máquinas que, a modo de enzimas, sean capaces de autogenerarse cuando sea necesario.

Otros descubrimientos provienen del campo de la química. Tras el descubrimiento de los "fullerenos", construcciones de geometría esférica formadas por una única capa de átomos de carbono, uno de los cuales, constituido por sesenta átomos de carbono, es similar a un balón de fútbol, se comenzaron a construir estructuras tubulares de carbono puro: los llamados "nanotubos", que a su tamaño mínimo aportan una gran rigidez, similar a la del diamante. También se han construido de silicio y otros elementos. Hay estudios que pretenden utilizar estos materiales en aviones, automóviles y otros medios de locomoción, pues supondría una pérdida de peso y un aumento de su resistencia mecánica.
Imagen de un nanotubo, estructura de átomos de carbono que permiten construir diferentes objetos

Así pues, la nanotecnología es una tecnología esencialmente multidisciplinar. Se ha convenido dividirla en tres áreas: una que utiliza materiales inorgánicos (metales, carbono y elementos similares), llamada "nanotecnología seca"; otra que trata de utilizar estructuras orgánicas (como enzimas o ADN), llamada "nanotecnología húmeda"; y una tercera, combinación de las anteriores, que es la que más expectativas despierta.


Las repercusiones de la nanotecnología serán considerables en todas las áreas de la industria y en la vida cotidiana; en informática, el acceso a memorias de un terabyte -comparables a las de un cerebro humano- obliga a especular sobre la inteligencia artificial; en medicina podrían construirse dispositivos diminutos que, en cantidad suficiente, recorrieran el cuerpo humano detectando, de manera precoz, ciertas enfermedades como el cáncer, y también sería posible introducir máquinas -enzimas que depositaran en el lugar apropiado una cantidad mínima de fármaco-, de forma que se suministren tratamientos terapéuticos sin que apenas se afecte al resto del organismo –el uso de la cirugía quedaría, por tanto, muy reducido-; en industria, se podrían diseñar materiales a la carta, y la estructura del diamante sería muy utilizada en la construcción; en medioambiente, podrían seleccionarse máquinas que aprovecharan los residuos para autogenerarse, o generar dispositivos que aprovecharan la energía de manera más eficaz; y aún otras muchas aplicaciones, para las cuales la imaginación parece no poner límites.

 
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