Más Física

En las fronteras de la Física del estado sólido

La Nanociencia y la Nanotecnología es un conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que nos permiten determinar como se comporta el denominado nanomundo (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 propuestas sobre nuevos procedimientos, materiales y dispositivos que muy probablemente se convertirán en los bienes de consumo que inundaran nuestras casas, oficinas, hospitales y vehículos, etc. en las próximas décadas. Demos un repaso a este interesante tema.

Puede decirse que el comienzo de la Nanotecnología se remonta a 1959 cuando el físico y premio Nobel Richard Feynman pronunció en el Instituto de Tecnología de California su ahora famoso discurso. 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. En aquel momento su discurso no tuvo una gran repercusión, pero hoy día muchas de sus predicciones se han cumplido con bastante exactitud.

Sin embargo, la palabra “Nanotecnología” fue acuñada en 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de Ciencias de Tokio en un artículo titulado “On the Basic Concept of ´Nanotechnology”, que se presentó en una conferencia de la Sociedad japonesa de Ingeniería de Precisión. En este contexto la Nanotecnología se presenta como la tecnología que nos permitirá separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.

En el año 1986 las ideas de Feynman y Taniguchi se concretaron algo más, cuando E. Drexler publicó el libro titulado “Engines of Creation” en el que describe como sería viable construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo, mediante nanorobots ensambladores, que funcionarán de un modo parecido a como lo hacen los ribosomas y otros agregados moleculares en las células de nuestro cuerpo. Este conjunto de ideas, elaboradas y desarrolladas en el período de 1960-1990, han sido el punto de arranque de lo que hoy 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 nanoescala.

El trabajo con objetos tan pequeños entraña 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 túnel (STM) que fue inventado por H. Rohrer y G. Binnig a principios de la década de 1980, 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. En la actualidad, estas técnicas son de utilización rutinaria en los laboratorios de Nanociencia y Nanotecnología de todo el mundo, donde se diseñan, no tanto dispositivos concretos, sino experimentos que demuestren las posibilidades de estas “nuevas” tecnologías.

Todos los conocimientos generados han desembocado en la puesta a punto de diferentes iniciativas (programas de investigación, nuevos centros y equipamientos, etc.) para lograr que dichos conocimientos tuviesen una traducción en la tecnología, 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 proliferación del prefijo “nano” (muchas veces un tanto abusiva con el simple objetivo de intentar revalorizar una línea de investigación). Así, oímos hablar de disciplinas como nanoquímica, nanoelectrónica, nanofotónica, nanomedicina o nanobiotecnología; o de objetos tales como nanopartículas, nanotubos, nanoimánes o nanomotores. En definitiva, el colocar el prefijo “nano” delante de una palabra determinada nos indica que ese campo se va a estudiar enfatizando aquellos aspectos del mismo relacionados con la nanoescala.

Buscando un símil sencillo, el fundamento en el que se basa 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 necesarias tecnologías de fabricación más precisas, es importante disponer de tamaños de cincel progresivamente más pequeños. Este planteamiento es conocido como tecnología de fabricación descendente o “top-down” (de arriba hacia abajo). Un ejemplo del éxito de esta aproximación lo encontramos en la industria de la electrónica que desde hace más de 40 años ha mantenido un incremento continuado de la densidad de transistores que se pueden integrar sobre una oblea de silicio, de forma que el número de elementos dentro de un dispositivo de estado sólido se dobla cada 18 meses. Esta tendencia, propuesta en los años 60 por G. Moore, co-fundador de Intel. Es lo que hoy se denomina “ley de Moore”.

Sin embargo sabemos que los métodos de fabricación “top-down” poseen una serie de limitaciones intrínsecas. El primero de estos problemas tiene que ver con el hecho de que a medida que se reduce el tamaño de un objeto, la relación superficie/volumen crece y, puesto que las propiedades físicas de una superficie son generalmente muy distintas a las del volumen, las propiedades funcionales del material cambiaran al reducir su tamaño a la escala nanométrica. Estas modificaciones en las propiedades se conocen como efecto del tamaño finito. El segundo problema con que nos encontramos en esta carrera hacia la miniaturización reside en que en la nanoescala se hacen más palpables los llamados efectos cuánticos. Por último, otro problema fundamental que aparece al intentar seguir disminuyendo el tamaño de un objeto es que cada vez resulta más difícil mejorar las herramientas que permiten su manipulación.

Enfrentarse a los desafíos planteados por la miniaturización extrema, que permita explorar las propiedades emergentes en la nanoescala, impone la necesidad de desarrollar una “nueva tecnología”: ese es el papel de la Nanotecnología. La aproximación “nano” es, por tanto, muy diferente de la “top-down”, pues el planteamiento está basado exactamente en lo contrario: ir de lo pequeño a lo grande, construyendo dispositivos a partir de sus componentes últimos. En este caso, se trata de trabajar no como un escultor,  sino como un albañil, que construye una pared partiendo de una serie de elementos básicos, los ladrillos. Esta aproximación, de tipo ascendente, que también se conoce como “bottom-up” (de abajo hacia arriba), utiliza para dar forma a diferentes materiales o dispositivos, componentes básicos muy variados tales como átomos, ácidos nucleicos, proteínas, nanopartículas o nanotubos.

Sólo se conoce un sistema que funcione verdaderamente siguiendo los principios fundamentales de la Nanotecnología que hemos expuesto anteriormente: la vida. Desde hace casi 4000 millones de años sobre la Tierra, los seres vivos realizan sus funciones vitales mediante procesos de reconocimiento molecular, auto-organización, auto-ensamblando, motores moleculares…Así pues, otra idea fundamental en Nanotecnología es la de aprovechar estos conceptos y procesos para llegar a construir nuevos dispositivos tecnológicos.

Hoy día estamos todavía lejos de la verdadera explosión de la Nanotecnología. La mayor parte del conocimiento se reduce a millares de experimentos de laboratorio, conocimiento que podríamos llamar Nanociencia. Las aplicaciones de la Nanotecnología están llegando poco a poco, aunque en el momento actual sólo un puñado de productos simples explota las nuevas propiedades de su nanoestructura. En este artículo ilustraremos, desde un punto de vista básico, la capacidad de la Nanociencia para generar futuras aplicaciones.

Fin de la 1ª parte.

[?]