James Gimlewski: "Con las propiedades mecánicas de las moléculas se pueden hacer muchas cosas"
James Gimlewski: "Con las propiedades mecánicas de las moléculas se pueden hacer muchas cosas"
Trabajó en la empresa IBM, en Zurich, y luego abandonó Los Ángeles, en la UCLA. ¿Cómo ha sido su trabajo en estos laboratorios?
Sí, trabajé en el laboratorio de Zurich desde 1983, época en la que se desarrolló el microscopio de efecto túnel. Desde entonces he investigado la ciencia de la nanoescala. Luego, en febrero de 2001, fui a California para trabajar en la UCLA y en el Instituto de Nanosistemas de California. El instituto ha sido puesto en marcha entre la UCLA y la Universidad de Santa Bárbara. Se trata de un proyecto de 200 millones de dólares.
En el laboratorio de Zurich, la empresa IBM desarrolló un proyecto de movimiento de átomos por uno a través del microscopio de efecto túnel. ¿Participó usted en este proyecto?
Sí. El microscopio de efecto túnel fue desarrollado por los físicos Heinrich Rohrer y Gerd Binnig, obteniendo la herramienta de "visualización" del átomo. Además, se comprobó que este instrumento tiene la capacidad de mover átomos. En ese marco comencé a participar.
Al principio me involucré en proyectos de diseño de moléculas complejas. Son moléculas de aproximadamente 150 átomos. Las manipulamos de muchas maneras: las podemos colocar donde queremos, podemos cambiar de aspecto, etc.
Más tarde comencé a trabajar con los fulerenos, con estas jaulas de 60 carbono. Para la elaboración de los chips se pretende preparar reacciones químicas que unen los componentes mediante el ensamblaje natural; los fulerenos serían los precursores de estas reacciones. Pero eso es sólo parte de mi investigación.
¿Cómo defines la nanotecnología?
Es un concepto muy amplio. La nanotecnología es una combinación de procesos de bioquímica, química, electricidad e ingeniería a escala del nanómetro, que consiste en la tecnología de sistemas de al menos uno (tamaño aproximado de tres átomos) y un máximo de 100 nanómetros (aproximadamente la quinta parte del espesor de un pelo). Estos procesos determinan las características de la materia, pero los sistemas son muy complejos.
Se pueden estudiar los primeros sistemas biológicos de comprensión de la nanomecánica, base de muchos de ellos. Por ejemplo, las cadenas de ADN dentro de las células madre están también almacenadas en el núcleo, a las que se agarran unas estructuras similares a los muelles. Estos 'muelles' pueden modificarse químicamente de forma controlada, adaptando la topología del ADN y provocando la expresión de los genes de la forma deseada. En consecuencia, podríamos transformar las células madre en células hepáticas, renales… en el tipo de células deseadas.
Por otra parte, si es posible diseñar sistemas con micromecánica de silicio que contengan una quincena del espesor de un pelo, se pueden realizar sensores de movimiento nanomecánico en función de sus características bioquímicas. Finalmente, una pila de sistemas moleculares de complejidad media puede modificar mecánicamente otras moléculas. La idea general me parece muy interesante porque a través de las corrientes de electrones y de las propiedades mecánicas se pueden hacer muchas cosas. Hasta ahora se ha investigado poco sobre esta idea.
En algunas noticias se mencionan lubricantes para nanomaquinas. ¿Se genera fricción mecánica en estas máquinas de nanoescala?
En la fricción clásica dos objetos contiguos se tocan entre sí y se crean interacciones entre las arrugas presentes en las superficies. Estas interacciones son interelectrónicas, pero pueden aparecer desde un punto de vista macroscópico a través de la fuerza de la fricción.
En la nanomecánica las interacciones entre los electrones de dos moléculas también pueden dificultar el movimiento, pero no se producen "fricciones macroscópicas". Para superar estos inconvenientes, si entre estas dos moléculas entra otra que hace la función de rueda, aunque no tenga una fricción clásica, la interacción de la rueda y la otra molécula se puede tratar como una corriente de electrones. Son interacciones en función de los niveles energéticos de ambos sistemas, al igual que las que controlan los enlaces químicos y las fuerzas de Van der Waals. Hay que desarrollar nuevas ideas en este tipo de sistemas, pero al final hay una fuerza de resistencia, en definitiva, hay que superar la barrera energética de rotación. Si la barrera está por debajo de la energía térmica, se producirá el movimiento.
Por otra parte, cuando se trata de localizar átomos simples en un lugar determinado, ¿no es una ventaja la interacción entre electrones?
Sí, estos procesos son muy útiles, sobre todo a bajas temperaturas. La energía térmica es baja y la fuerza atómica es elevada. Así que puedes coger un átomo. A temperatura ambiente, sin embargo, sólo es posible empujar las moléculas, ya que no soportan la aguja del microscopio.
En su página web de Internet disponéis de un documental on line sobre nanotecnología en el que se puede ver cómo se mueven los fulerenos en una superficie. Estos experimentos los hacéis a temperatura ambiente.
Sí. Yo sabía que en los laboratorios de la UCLA se utilizaba el microscopio de efecto túnel a bajas temperaturas a 4K (-269ºC). Yo, en cambio, quería analizar cómo actúan las moléculas en las condiciones habituales en las que vivimos y cómo pueden cambiar. Por otra parte, trabajar a bajas temperaturas supone una serie de ventajas ya que ciertas moléculas no son fáciles de manejar.
En vuestro experimento conseguisteis cambiar el aspecto de los fulerenos. ¿Cómo se hace?
La estructura electrónica de los fulerenos es muy curiosa. Son esferas de gran superficie y los niveles de energía vacíos permiten interactuar con otras moléculas a partir de esa superficie. Desde la aguja del microscopio hasta esta superficie los electrones se transportan mediante el efecto túnel, pero la molécula, apretada mecánicamente, puede cambiar su aspecto. Esto modifica la simetría de la molécula y, por tanto, los niveles de energía, modificando la corriente de efecto túnel.
Esto significa que de esta manera se pueden detectar fuerzas de unos nanonewtones, es decir, mil millones de un newton, una fuerza capaz de comprimir un fulereno (ten en cuenta que un newton es la fuerza necesaria para mantener un peso de un kilo aproximadamente). Esta pequeña fuerza provoca un gran cambio en la corriente de electrones del microscopio. Por lo tanto, nuestra intención es diseñar un amplificador electromecánico, amplificado por la apariencia de las moléculas. Además, es un proceso reversible.
¿Has realizado algún experimento dentro de un fulereno con un átomo?
Nunca hemos colocado los átomos dentro de los fulerenos C 82 (más grandes que los convencionales). Los átomos no se ubican en el centro, ya que éste no es una ubicación de mínima energía, sino que se calcula que hay tres ubicaciones de mínima energía. Queremos saber si en este tipo de sistemas el átomo interior puede variar de una ubicación a otra de forma controlada y si este cambio afecta a la corriente de electrones del microscopio. No creo que la idea haya tenido éxito porque a temperatura ambiente es muy difícil que el átomo permanezca en una sola posición, pero la idea me parece muy interesante. Ordenando una pila de sistemas de este tipo sobre una superficie, es posible que se pueda hacer un chip de memoria en el que cada bit no sea binario sino ternario. El chip sería muy pequeño.
También habéis realizado experimentos de un solo electrón. ¿Cómo se consigue que un solo electrón participe en un experimento?
Normalmente se realizan mediante pequeñas biomoléculas. Estas biomoléculas pueden recibir un electrón y, cuando esto ocurre, su energía cambia. Sin embargo, como consecuencia de este cambio, la molécula no puede recibir más electrones y, por tanto, sirve para realizar procesos de un solo electrón para la fabricación de nanotransistores y componentes de biochips.
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