El proyecto "NANODIGITAL"

Arturo M. Baro

Antecedentes

Desde el año 1996, el Laboratorio de Nuevas Microscopías del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y la Fundación General de la UAM (FGUAM) acordaron realizar un proyecto de investigación denominado "NANODIGITAL" (ND) , cuyos objetivos principales son :

Œ la investigación para el desarrollo y mejora del microscopio de efecto túnel (STM) y del microscopio de fuerzas atómicas (AFM),

 la fabricación y/o comercialización de los mencionados microscopios. Dicho proyecto se inscribe dentro de las acciones promovidas por la UAM y otros organismos con el fin de transferir la tecnología generada en la universidad a la sociedad.

En el momento actual, el Proyecto ND constituye uno de los proyectos más importantes gestionados por la FGUAM según me manifiesta su responsable. Los principales usuarios de esta tecnología son hasta ahora universidades y centros de investigación tanto en España como en el extranjero. En este último caso se encuentran la Universidad Humboldt de Berlín y la Universidad de Münster en Alemania, diferentes centros del Centro Nacional de Investigaciones Científicas (C.N.R.S.) de Francia y el Sincrotrón Europeo en Grenoble (Francia) y la Universidad de Purdue en EE.UU.

La adquisición de la tecnología

El Proyecto ND surge por un conocimiento preciso de la tecnología asociada a los microscopios STM y AFM, por la necesidad de estar a la vanguardia, lo cual implica mantener una investigación puntera, y por nuestra voluntad de utilizar los conocimientos adquiridos para producir instrumentación competitiva y de calidad. El conocimiento de la técnica se generó gracias a un contrato de colaboración entre varias instituciones de la UAM y el Centro de Investigación de IBM en Zürich (Suiza) como consecuencia de mi estancia en este último durante 1983 y 1984. En aquella época, el STM utilizaba una tecnología muy novedosa, de gran futuro (la denominada Nanotecnología nace a partir del STM), aunque se encontraba en estado incipiente y sus inventores los Doctores Binnig y Rohrer, posteriormente galardonados con el Premio Nobel de Física de 1986, la estaban desarrollando ante el escepticismo general de sus colegas. Personalmente tuve la oportunidad de trabajar con ellos y de adquirir, por tanto, el conocimiento de la técnica. Un prototipo de microscopio STM -que actualmente puede considerarse como pieza de museo- fue llevado e instalado en la UAM personalmente por los Doctores Rohrer y Gerber en el año 1984. La colaboración con el Dr. Rohrer continuó de forma fructífera en los años siguientes y, como consecuencia, fue investido Doctor Honoris Causa por la UAM en el año 1988.

Desde un punto de vista histórico, el paso decisivo para implicarnos en el desarrollo instrumental fue la construcción de una electrónica digital. Nos lo planteamos como necesidad del Laboratorio para poder realizar, además de las funciones ofrecidas por otras electrónicas comerciales, aquéllas que son necesarias en un laboratorio de investigación donde se precisan trabajos originales y competitivos frente a otros colegas. Posteriormente, y como continuación natural, decidimos desarrollar un microscopio de fuerzas propio de fácil manejo y altas prestaciones y dotado de todas las capacidades operacionales y funcionales que actualmente posee este microscopio.

El progreso en la comprensión de los materiales tanto inorgánicos como orgánicos, incluyendo entre ellos de forma muy destacada el material biológico, está ligado al avance de las técnicas microscópicas. Desde el microscopio óptico, ya utilizado por Santiago Ramón y Cajal, hasta el microscopio electrónico fabricado por primera vez en 1931 por Ruska (quien compartió con Binnig y Rohrer el Premio Nobel de Física de 1986), ha habido una evolución cuyo último exponente, el microscopio de efecto túnel inventado en 1981, constituye el primer ejemplo de una nueva clase de microscopios de alta resolución que se pueden designar como microscopios de proximidad. Los microscopios de este grupo comparten un principio de funcionamiento común: la imagen se obtiene a partir de la interacción entre una punta afilada y la muestra, y para que esta interacción no sea despreciable, la distancia punta-muestra s debe ser muy pequeña. Para el STM, el orden de magnitud es s = 0.5-1 nm, mientras que para el AFM puede ser sensiblemente mayor a costa, claro está, de una peor resolución. En la modalidad de no contacto s puede ser inferior a los 3-4 nm, por lo que la resolución está, en este caso, mayormente limitada por el radio de la punta.

El microscopio AFM es un instrumento caracterizado por una gran versatilidad, que posee como cualidades positivas su alta resolución, el carácter no destructivo de la interacción con la muestra, la posibilidad de trabajar al aire ambiente o en atmósfera controlada, por lo que no precisa condiciones de vacío y, quizás, y más importante, porque permite trabajar en medio líquido. Este último aspecto es especialmente destacable para su aplicación al estudio de material biológico en su medio natural. Otros aspectos notables son la facilidad en cuanto a la preparación de la muestra, la inexistencia de restricciones respecto al tamaño, forma y naturaleza conductora o aislante de las mismas. En cuanto a las imágenes que proporciona son representaciones tridimensionales cuantitativas de la superficie en el espacio real. Por otro lado, se puede integrar fácilmente con los otros microscopios, incluyendo, naturalmente, el microscopio óptico y también el electrónico, y constituye una técnica complementaria de los mismos. Finalmente, otro aspecto importante es la posibilidad de efectuar estudios dinámicos y obtener, por lo tanto, la evolución temporal de las muestras analizadas.

Consideraciones sobre la transferencia de tecnología desde la universidad

En este apartado quisiera mencionar algunos aspectos fruto de la experiencia obtenida hasta ahora por nuestra actividad en este campo:

Œ Como ya he mencionado, el desarrollo de tecnología propia es muy conveniente para poder obtener resultados científicos originales, competitivos con los obtenidos por otros grupos. Esta situación se está agudizando en la actualidad debido a que la mayor parte de los equipos están informatizados, y la operación de los mismos está muchas veces fuera del control del investigador, por lo que sus posibilidades quedan limitadas. De hecho, ello constituye un aliciente para el desarrollo de tecnología propia.

 Esta tecnología, sin embargo, es difícilmente transferible a la sociedad, ya que otros usuarios no pueden utilizarla fácilmente. Dicho en otras palabras: nosotros desarrollamos un prototipo, pero un prototipo no se puede comercializar. Por lo tanto, se precisa un escalón más, y éste es un problema difícil de superar dentro de la universidad. En nuestro caso, sigue siendo un problema con el que peleamos con enormes dificultades.

Ž Existen también los aspectos comerciales y los que se derivan de una actividad con componente empresarial, que son incompatibles con nuestros conocimientos y con nuestra misión en la universidad. Y, sin embargo, es difícil escapar de ellos completamente a pesar de la ayuda inestimable proporcionada por la gestión del proyecto a cargo de la FGUAM.

 Finalmente, permítaseme señalar algún aspecto crítico que menciono, por supuesto, con ánimo constructivo. Es mi impresión que los organismos oficiales, si bien ponen un empeño muy loable en impulsar las actividades de transferencia tecnológica, no proporcionan un camino fácil y comprensible para que la comunidad universitaria se aproveche de estas iniciativas (de hecho, este proyecto es fruto de una voluntad personal) que, estoy convencido, no se aprovecha del impulso y las facilidades que los diversos organismos lanzan de forma reiterada. Existe, a mi juicio, un problema de comunicación que sería muy positivo resolver, aunque reconozco no saber cómo afrontarlo.

Investigación básica-aplicada

Podría parecer que nuestro esfuerzo por el desarrollo de instrumentación propia susceptible de ser transferible a otros usuarios nos sitúa en el campo de la investigación aplicada. Sin embargo, y a pesar de ello, deseo manifestar en este contexto mi más ferviente apoyo a la investigación básica. El desarrollo del STM por Binnig y Rohrer constituye un ejemplo paradigmático de la necesidad de la investigación básica y, en realidad, este proyecto fue realizado en IBM sin conocimiento oficial por parte de la dirección científica de la empresa. Se hizo por el placer de innovar, porque es cierto que, en el año 1981, el objetivo de colocar dos electrodos macroscópicos, la punta y la muestra, a distancias del orden de unos pocos átomos y mantener esta situación estable con el tiempo, constituía un reto de los que a un científico le gusta plantearse, probablemente por el afán de superación que permite que la ciencia progrese.

La investigación básica facilita la calidad, proporciona mejores alicientes a los jóvenes para atraerlos hacia la investigación y genera ideas nuevas, de manera que sobre esta base pueda emerger la tecnología del futuro, que ahora mismo es muy arriesgado imaginar como será, a pesar de que existan agoreros que lanzan ideas tan lapidarias como la de "la muerte de la Ciencia", ideas que, probablemente, la Historia, como tantas otras veces, se encargará de lanzar al olvido.

Por otro lado, no impide, sino que facilita, la aparición de aplicaciones interesantes que se derivan así de forma natural, sin necesidad de forzar los temas hacia aspectos que muchas veces matan el placer de la investigación y no generan más que frustración.