La nanotecnología: un rápido panorama
Article translated into Bulgarian

Eduardo J. Carletti

La mayoría de la gente que escucha por primera vez el témino "nanotecnología" cree que se habla de las técnicas incluidas en el término "microtecnología", la tecnología usada en la microelectrónica y que ha transformado enormemente la sociedad en las últimas décadas. La relación no es del todo incorrecta, pero no es exacta.

La microtecnología es la tecnología que nos permite fabricar cosas en la escala del micrón. Un micrón es una millonésima de un metro, o, para darse una idea más clara, la milésima parte de un milímetro. Todos sabemos cuánto es un metro: más o menos la distancia entre nuestra nariz y la punta de nuestros dedos cuando extendemos del todo un brazo hacia un costado de nuestro cuerpo. Si tomamos una milésima parte de esta longitud, tenemos un milímetro. Un milímetro es muy pequeño, pero todavía podemos verlo. Ahora imaginemos que tomamos un extremo de este milímetro, lo apoyamos en nuestra nariz y lo estiramos hasta que llegue al extremo de los dedos de la mano que se encuentra en el brazo que hemos extendido. Ahora volvemos a dividir en mil partes. Tenemos una milésima de la milésima parte de un metro, una longitud llamada micrón. Esta es la escala en la que se trabaja cuando se construyen dispositivos tales como memorias, circuitos lógicos y de computación.

Los dispositivos de memoria y de lógica en venta en 1985 tenían estructuras con componentes de aproximadamente un micrón de ancho. Para 1995, momento de la aparición del Pentium, se habían alcanzado tamaños de más o menos un tercio de micrón, 350 nanómetros. Se trabaja ya en estructuras de 100 nanómetros, es decir, de un décimo de lo que se había logrado en 1985.

Un nanómetro es la medida que se obtiene si uno toma un micrón, aplica un extremo sobre la punta de la nariz, lo estira hasta el extremo de los dedos del brazo extendido y lo divide en mil partes. Es una milésima de una millonésima de metro, es decir, una milmillonésima de metro.

El nanómetro marca el límite de reducción a que podemos llegar cuando hablamos de objetos materiales. En un nanómetro caben entre tres y cinco átomos. Aunque en el universo hay cosas más pequeñas que los átomos, se trata ya de cosas que no se pueden manipular. En nuestra vida cotidiana, los átomos son los ladrillos de construcción más pequeños que podemos utilizar.

Ahora que estamos pensando en términos de átomos, démosle una mirada a un objeto producido por microtecnología. Aunque la estructura tiene una millonésima de metro de ancho, sigue siendo muy grande. Hay miles de átomos en la superficie de este objeto y miles de millones en su interior. Es un trozo del macromundo. En el interior de este macroobjeto del tamaño de un micrón existe la posibilidad de hacer miles de divisiones para obtener un nivel mayor de detalle. Si logramos llegar a un nivel de detalle del orden del nanómetro y trabajamos con una precisión de nivel atómico, el poder de nuestra capacidad para controlar el comportamiento de este objeto puede hacerse inmenso.

El ejemplo más grandioso de esta potencia se presenta en cada cosa viviente. Se requiere un entorno de agua —el elixir de la vida—, y por esto se le suele llamar "el lado húmedo de la nanotecnología". Las formas de vida que conocemos están hechas de células rellenas con agua, pequeñas bolsas de vida que típicamente tienen tamaños de varios micrones, como en el caso de los glóbulos blancos de la sangre humana.

Cada una de estas "bolsas" está repleta de miles de pequeñas máquinas que se mueven por el mundo líquido de la célula, ocupándose de la industria de la vida —enzimas, hormonas, RNA y ADN—, todas esas cosas que uno oye nombrar en los nuevos textos de medicina, biotecnología e ingeniería genética. Esas pequeñas máquinas son moléculas. Tienen un rango de tamaño de entre uno y varias decenas de nanómetros. ¡Son nanomáquinas! Están formadas por entre miles y decenas de miles de átomos. Y cada uno de esos miles de átomos tiene una ubicación exacta, definida con precisión por un diseño de ingeniería, de modo que el conjunto de esa nanomaquinaria pueda funcionar correctamente.

El ejemplo más impresionante son las enzimas. Cada una de ellas es una factoría química completa reducida a una escala de nanómetros. Estas enzimas han evolucionado durante miles de millones de años para lograr una fabricación cada vez más perfecta de sus productos químicos. En la mayoría de los casos han alcanzado los límites de la perfección. Son los catalíticos finales y fundamentales para esa reacción química que es su trabajo vital. Estas nanomáquinas moleculares son quienes hacen que la vida funcione, no sólo para ellas mismas, sino en cada planta, pájaro o entidad que se arrastra o ha arrastrado sobre la superficie de nuestro planeta.

Esta nanotecnología húmeda es increíblemente poderosa. De hecho, cuanto más se sabe sobre ella más se comprende lo mucho que queda por saber. Pensemos en la hermosura de una joven, o de una flor, o qué increíble es que un ojo humano pueda ver o que un cerebro pueda pensar. Y entonces uno piensa: este lado húmedo de la nanotecnología (que la mayoría de la gente llama biotecnología) puede hacer todo.

Pero a pesar de este increíble poder, hay varias cosas que no se pueden hacer y que nunca se podrán hacer en el lado húmedo. Una de las más importantes es conducir electricidad como un hilo metálico, como una conexión dentro de una computadora o incluso en un semiconductor. Nunca se logrará —las razones son largas para describirlas aquí— con esta biotecnología. De hecho, la mayor parte de la revolución industrial que impulsa la sociedad moderna no es un tributo de la biotecnología, es producto del desarrollo de máquinas de vapor, motores a nafta y todo tipo de artefactos eléctricos, como radios, televisores, teléfonos y computadoras, todos ellos producidos por la tecnología del otro lado, el lado "seco", un área que parecería apuntar a ser la de mayor desarrollo potencial.

Imagínense lo que podría llegar a ser nuestro mundo si se pudiesen fabricar en el lado seco, sin agua ni células vivas, objetos con el grado de perfección atómica que la vida logra rutinariamente en el lado húmedo. Imagínense por un momento el poder que tendría el lado seco de la nanotecnología. La lista de cosas que se podría lograr con una tecnología así parecen algo así como la lista de deseos navideños de nuestra civilización.

Veamos algunas:

En 1989, unos físicos del Centro de Investigación de Almaden de la empresa IBM, ubicado en San José, California, sorprendieron al mundo científico al usar un microscopio de sonda vibrátil para mover unas serie de átomos de xenón sobre una superficie de níquel, escribiendo una versión microscópica del logo de IBM. Aunque el experimento demostró que se podían construir cosas a nanoescala, no dejaba de ser una experiencia exótica y única, que requería un microscopio fabricado a propósito, una habitación especial a prueba de vibraciones y un ambiente de temperaturas alrededor de los -270 grados centígrados, sólo unos grados por encima del cero absoluto.

Pero sólo diez años después se ha creado el AFM, sigla de Atomic Force Microscope. Este instrumento está cambiando la manera en que los científicos interactúan con la materia en pequeña escala.

Dentro de la cámara del AFM, de un modo invisible al ojo normal, los extremos de unas delgadísimas agujas se introducen en un substrato de moléculas orgánicas, luego estas agujas, afiladas hasta tener sólo unos átomos de ancho en la punta, escriben palabras de sólo una decena de nanómetros de ancho. El proceso funciona basándose en que las moléculas orgánicas, tal como la tinta en una lapicera fuente, fluyen desde el extremo de la aguja a la superficie de escritura, hecha de oro. Incluso tienen la posibilidad de usar distinto tipos de "tintas" y de cambiarlas en un momento. Para tener una idea de la escala de la escritura resultante digamos que, con la ampliación óptica que se necesita para leer esas letras, una línea escrita por un bolígrafo se vería de más de un kilómetro de ancho.

Para dar un poco de espectáculo, que para los yanquis nunca viene mal, usaron un AFM provisto con un conjunto de ocho agujas para escribir en menos de 10 minutos una página completa de un famoso texto que el físico Richard Feynman concibió en 1960, en un impresionante y certero acto de predicción, sobre las posibilidades de la nanotecnología.

Y todo eso a temperatura ambiente.

Esa fue sólo una prueba. El sistema no está pensado para escribir, por lo menos no en el sentido convencional que le damos a la palabra. Este sistema de litografía puede convertirse en una rápida solución para manufacturar nanocomponentes, desde microelectrónica a chips ADN (usados en genética) más rápidos y densos. Puede ser en la manera de producir nanoestructuras de manera masiva. Y puede ser el primer paso en la evolución de las herramientas que se necesitarán para fabricar nanomáquinas que luego sean capaces de hacer copias de sí mismas y construir otras: los nano robots.

Los nano robots ya han sido explotados en la CF y las aplicaciones propuestas pasan por ítems difíciles de imaginar unas décadas atrás: Mantenimiento del cuerpo por dentro, reparación y recableado de tejido cerebral a control remoto, reparaciones corporales (arterias, cristalino, oído, órganos internos, tumores) sin necesidad de operación.

La tecnología aún está lejos de producirlos, pero, como en el campo de la Inteligencia Artificial, es una cuestión tan complicada y tan difícil que se avanza en diversos frentes. Una de la áreas sería la tratada en el bloque anterior: las herramientas; ya dimos una idea de cómo es una de las propuestas más concretas. Pero con carrocería solamente no se puede funcionar, también se requiere control, y aquí entra un mundo diferente al de los sensores nanoscópicos, las matrices de tamaños de nanómetros y las moléculas gigantes: la computación a nivel de la nanotecnología. Hace años que se diseñan compuertas lógicas mecánicas compuestas de unos pocos átomos y parecería que sólo se esperan las herramientas necesarias para construirlas. El panorama no es tan simple, pero existen innumerables laboratorios trabajando en la "inteligencia" nanométrica. Y ya hay algunos anuncios.

En un laboratorio de IBM en Zurich, uno de los que ayudaron en la invención de aquel microscopio AFM de 1986, se trabaja en la miniaturización a nivel nanómetro del registro de datos. El sistema de almacenamiento se basa en un conjunto de 1024 agujas de AFM en una matriz cuadrada que pueden escribir bits de información de no más de 50 nanómetros de diámetro. El mismo conjunto es capaz luego de leer la información e incluso reescribirla.

La capacidad de guardar información a esa escala es una noticia excitante para el mercado, pues multiplica inmensamente la cantidad de información que se puede almacenar en un área determinada. El mejor sistema actual de registro, basado en la memoria magnética, puede guardar alrededor de dos gigabits por centímetro cuadrado; los físicos creen que el límite físico de la capacidad este sistema —no alcanzado aún— es de alrededor de 12 gigabits por centímetro cuadrado. El sistema de matriz de agujas descripto más arriba, bautizado "Millipede" (Miriápodo, por tener mil patas), ofrece 35 gigabits por centímetro cuadrado (y hasta 80 gigabits si se utiliza una aguja única) y es capaz de hacerlo a la velocidad de los artefactos magnéticos actuales. Con unidades de almacenamiento provistas de matrices gigantescas, con millones de agujas, se puede lograr un almacenamiento en el orden de los terabytes, algo así como 40 veces lo que está disponible hoy comercialmente.

La miniaturización a nivel nanométrico apunta a la inserción de potentes computadoras en relojes de pulsera y teléfonos celulares que posean algo que hoy no tienen: un disco rígido. Se supone que la tecnología del "Miriápodo" proveerá de discos rígidos de una capacidad en el orden de los gigabytes y de un tamaño de un centímetro cuadrado. Una de las cosas más importantes es que este nanodrive de tecnología AFM requerirá mucho menos energía para su operación que los de tecnología magnética, un factor extremadamente crítico en los productos portátiles.

Si bien los logros en el rubro de la autoconstrucción son mínimos, algunos laboratorios han demostrado, por ejemplo, que cubriendo la superficie de una placa de base (hoy se usa oro) con una pegajosa capa de material orgánico se logra, bajo las condiciones apropiadas, lograr que miles de estas placas se acomoden por sí solas para formar estructuras tridimensionales. Esto parece caótico y anárquico por definición, sin embargo, en la Universidad de Harvard han logrado crear un circuito electrónico relativamente funcional usando una técnica similar.

En la Universidad de Texas en Austin, un científico ha buscado, entre millones de proteínas, aquellas capaces de reconocer y unir diferentes tipos de materiales inorgánicos. Se ha fundado ya una compañía, Semzyme, que busca crear una "biblioteca" de bloques de construcción mediados por proteínas.

En la Universidad de California, en la Universidad Yale de Los Angeles, en la Universidad Rice y en Hewlett-Packard se avanza en el desarrollo de computadoras moleculares auto-construidas.

En la web se puede encontrar un proyecto de la NASA relativo a las sondas basadas en sistemas autorreproductores. Es un plan que se lanzó hace más de veinte años para lograr que, en lugar de enviar la totalidad del equipamiento necesario para una exploración desde la Tierra, lo cual significa muchas toneladas puestas en el espacio, se envíen solamente ciertos robots capaces de construir el resto del equipamiento a partir de la materia prima extraída del lugar de aterrizaje. La NASA no pensó concretamente en nanotecnología, pero los científicos de este área creen que será la única tecnología capaz de superar los problemas que presenta el proyecto, especialmente el de conseguir, reconocer y extraer los materiales necesarios para la construcción. Es un tema tan interesante que dejo su desarrollo para un próximo Tecno Núcleo.

En la industria de medicamentos se busca lograr, por medio de nanotecnología, lo que logra en cada instante nuestro cuerpo y el de millones de seres vivos sobre el mundo, pero en condiciones controladas de laboratorio: la construcción átomo a átomo de moléculas complejas que hacen a las funciones primordiales de la vida (como la insulina, por dar un ejemplo). El logro de este objetivo sería un inmenso avance para la medicina, pues simplificaría los procesos necesarios para obtener las complejas drogas que componen hoy los medicamentos y pondría al alcance de la ciencia una enormidad de proyectos hoy imposibles.

En Texas, estado de EEUU donde tienen el problema de que consumen gran cantidad de energía, proponen construir por medio de nanotecnología ciertos artefactos (que no se describen) capaces de atrapar cada fotón que les llega y así lograr un aprovechamiento muy eficiente de la energía solar. Estos colectores solares serían capaces de atrapar los fotones en unas nanoestructuras de escala menor que la longitud de onda de la luz solar, que es de entre 400 y 1000 nanómetros. El sistema de almacenaje funcionará como un capacitor (que almacena electrones), pero retendrá en su interior a los fotones.

La nanotecnología es, evidentemente, por lo que pude mostrar, un área en la que se está aún en pañales. Pero los que leemos material de tecnología sabemos que cuando se empieza a saber a nivel de divulgación de proyectos como los descriptos en este artículo, suele haber muchos más en las sombras que no se dan a conocer por razones de protección industrial, resguardo de ideas y razones estratégicas de estado. La Ciencia Ficción nos ha mostrado la nanotecnología en las dos últimas décadas —aunque algunos pioneros lo hicieron antes—como una especie de magia moderna del futuro, aunque lo mágico es que en la mayoría de los casos las ideas que los escritores presentaron fueron analizadas y pensadas con total racionalidad. Y son posibles. Es decir, no es la magia de un libro de Fantasía, porque han imaginado los mecanismos que serían capaces de lograr esas cosas, aunque la tecnología aún no sea capaz de fabricarlos. Una actitud típica de la más rancia CF... aunque los resultados de estas especulaciones son a veces dignos de un Merlín, o un Gandalf, o el viejo y conocido Mandrake de la cultura popular, sorprendidos en el mejor de sus momentos.

Axxón número 110, enero de 2002

To read this article in Bulgarian : http://www.fatcow.com/edu/nano-tecnologia-bl/