James Gimlewski: "Amb les propietats mecàniques de les molècules es poden fer moltes coses"
James Gimlewski: "Amb les propietats mecàniques de les molècules es poden fer moltes coses"
Va treballar en l'empresa IBM, en Zurich, i després va abandonar Los Angeles, en la UCLA. Com ha estat el seu treball en aquests laboratoris?
Sí, vaig treballar en el laboratori de Zurich des de 1983, època en la qual es va desenvolupar el microscopi d'efecte túnel. Des de llavors he investigat la ciència de la nanoescala. Després, al febrer de 2001, vaig anar a Califòrnia per a treballar en la UCLA i en l'Institut de Nanosistemas de Califòrnia. L'institut ha estat posat en marxa entre la UCLA i la Universitat de Santa Bàrbara. Es tracta d'un projecte de 200 milions de dòlars.
En el laboratori de Zurich, l'empresa IBM va desenvolupar un projecte de moviment d'àtoms per un a través del microscopi d'efecte túnel. Va participar vostè en aquest projecte?
Sí. El microscopi d'efecte túnel va ser desenvolupat pels físics Heinrich Rohrer i Gerd Binnig, obtenint l'eina de visualització "" de l'àtom. A més, es va comprovar que aquest instrument té la capacitat de moure àtoms. En aquest marc vaig començar a participar.
Al principi em vaig involucrar en projectes de disseny de molècules complexes. Són molècules d'aproximadament 150 àtoms. Les manipulem de moltes maneres: les podem col·locar on volem, podem canviar d'aspecte, etc.
Més tard vaig començar a treballar amb els fulerenos, amb aquestes gàbies de 60 carboni. Per a l'elaboració dels xips es pretén preparar reaccions químiques que uneixen els components mitjançant l'assemblatge natural; els fulerenos serien els precursors d'aquestes reaccions. Però això és només part de la meva recerca.
Com defineixes la nanotecnologia?
És un concepte molt ampli. La nanotecnologia és una combinació de processos de bioquímica, química, electricitat i enginyeria a escala del nanòmetre, que consisteix en la tecnologia de sistemes d'almenys un (grandària aproximada de tres àtoms) i un màxim de 100 nanòmetres (aproximadament la cinquena part del gruix d'un pèl). Aquests processos determinen les característiques de la matèria, però els sistemes són molt complexos.
Es poden estudiar els primers sistemes biològics de comprensió de la nanomecánica, base de molts d'ells. Per exemple, les cadenes d'ADN dins de les cèl·lules mare estan també emmagatzemades en el nucli, a les quals s'agarren unes estructures similars als molls. Aquests 'molls' poden modificar-se químicament de manera controlada, adaptant la topologia de l'ADN i provocant l'expressió dels gens de la forma desitjada. En conseqüència, podríem transformar les cèl·lules mare en cèl·lules hepàtiques, renals… en la mena de cèl·lules desitjades.
D'altra banda, si és possible dissenyar sistemes amb micromecánica de silici que continguin una quinzena del gruix d'un pèl, es poden realitzar sensors de moviment nanomecánico en funció de les seves característiques bioquímiques. Finalment, una pila de sistemes moleculars de complexitat mitjana pot modificar mecànicament altres molècules. La idea general em sembla molt interessant perquè a través dels corrents d'electrons i de les propietats mecàniques es poden fer moltes coses. Fins ara s'ha investigat poc sobre aquesta idea.
En algunes notícies s'esmenten lubrificants per a nanomaquinas. Es genera fricció mecànica en aquestes màquines de nanoescala?
En la fricció clàssica dos objectes contigus es toquen entre si i es creen interaccions entre les arrugues presents en les superfícies. Aquestes interaccions són interelectrónicas, però poden aparèixer des d'un punt de vista macroscòpic a través de la força de la fricció.
En la nanomecánica les interaccions entre els electrons de dues molècules també poden dificultar el moviment, però no es produeixen "friccions macroscòpiques". Per a superar aquests inconvenients, si entre aquestes dues molècules entra una altra que fa la funció de roda, encara que no tingui una fricció clàssica, la interacció de la roda i l'altra molècula es pot tractar com un corrent d'electrons. Són interaccions en funció dels nivells energètics de tots dos sistemes, igual que les que controlen els enllaços químics i les forces de Van der Waals. Cal desenvolupar noves idees en aquesta mena de sistemes, però al final hi ha una força de resistència, en definitiva, cal superar la barrera energètica de rotació. Si la barrera està per sota de l'energia tèrmica, es produirà el moviment.
D'altra banda, quan es tracta de localitzar àtoms simples en un lloc determinat, no és un avantatge la interacció entre electrons?
Sí, aquests processos són molt útils, sobretot a baixes temperatures. L'energia tèrmica és baixa i la força atòmica és elevada. Així que pots agafar un àtom. A temperatura ambient, no obstant això, només és possible empènyer les molècules, ja que no suporten l'agulla del microscopi.
En la seva pàgina web d'Internet disposeu d'un documental en línia sobre nanotecnologia en el qual es pot veure com es mouen els fulerenos en una superfície. Aquests experiments els feu a temperatura ambient.
Sí. Jo sabia que en els laboratoris de la UCLA s'utilitzava el microscopi d'efecte túnel a baixes temperatures a 4K (-269 °C). Jo, en canvi, volia analitzar com actuen les molècules en les condicions habituals en les quals vivim i com poden canviar. D'altra banda, treballar a baixes temperatures suposa una sèrie d'avantatges ja que certes molècules no són fàcils de manejar.
En el vostre experiment vau aconseguir canviar l'aspecte dels fulerenos. Com es fa?
L'estructura electrònica dels fulerenos és molt curiosa. Són esferes de gran superfície i els nivells d'energia buits permeten interactuar amb altres molècules a partir d'aquesta superfície. Des de l'agulla del microscopi fins a aquesta superfície els electrons es transporten mitjançant l'efecte túnel, però la molècula, estreta mecànicament, pot canviar el seu aspecte. Això modifica la simetria de la molècula i, per tant, els nivells d'energia, modificant el corrent d'efecte túnel.
Això significa que d'aquesta manera es poden detectar forces d'uns nanonewtones, és a dir, mil milions d'un newton, una força capaç de comprimir un fulereno (tingues en compte que un newton és la força necessària per a mantenir un pes d'un quilo aproximadament). Aquesta petita força provoca un gran canvi en el corrent d'electrons del microscopi. Per tant, la nostra intenció és dissenyar un amplificador electromecànic, amplificat per l'aparença de les molècules. A més, és un procés reversible.
Has realitzat algun experiment dins d'un fulereno amb un àtom?
Mai hem col·locat els àtoms dins dels fulerenos C 82 (més grans que els convencionals). Els àtoms no se situen en el centre, ja que aquest no és una ubicació de mínima energia, sinó que es calcula que hi ha tres ubicacions de mínima energia. Volem saber si en aquesta mena de sistemes l'àtom interior pot variar d'una ubicació a una altra de manera controlada i si aquest canvi afecta al corrent d'electrons del microscopi. No crec que la idea hagi tingut èxit perquè a temperatura ambient és molt difícil que l'àtom romangui en una sola posició, però la idea em sembla molt interessant. Ordenant una pila de sistemes d'aquest tipus sobre una superfície, és possible que es pugui fer un xip de memòria en el qual cada bit no sigui binari sinó ternari. El xip seria molt petit.
També heu realitzat experiments d'un sol electró. Com s'aconsegueix que un sol electró participi en un experiment?
Normalment es realitzen mitjançant petites biomolècules. Aquestes biomolècules poden rebre un electró i, quan això ocorre, la seva energia canvia. No obstant això, com a conseqüència d'aquest canvi, la molècula no pot rebre més electrons i, per tant, serveix per a realitzar processos d'un sol electró per a la fabricació de nanotransistores i components de biochips.
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian