James Gimlewski: "Coas propiedades mecánicas das moléculas pódense facer moitas cousas"
James Gimlewski: "Coas propiedades mecánicas das moléculas pódense facer moitas cousas"
Traballou na empresa IBM, en Zúric, e logo abandonou Los Ángeles, na UCLA. Como foi o seu traballo nestes laboratorios?
Si, traballei no laboratorio de Zúric desde 1983, época na que se desenvolveu o microscopio de efecto túnel. Desde entón investiguei a ciencia da nanoescala. Logo, en febreiro de 2001, fun a California paira traballar na UCLA e no Instituto de Nanosistemas de California. O instituto foi posto en marcha entre a UCLA e a Universidade de Santa Bárbara. Trátase dun proxecto de 200 millóns de dólares.
No laboratorio de Zúric, a empresa IBM desenvolveu un proxecto de movemento de átomos por un a través do microscopio de efecto túnel. Participou vostede neste proxecto?
Si. O microscopio de efecto túnel foi desenvolvido polos físicos Heinrich Rohrer e Gerd Binnig, obtendo a ferramenta de "visualización" do átomo. Ademais, comprobouse que este instrumento ten a capacidade de mover átomos. Nese marco comecei a participar.
Ao principio involucreime en proxectos de deseño de moléculas complexas. Son moléculas de aproximadamente 150 átomos. Manipulámolas de moitas maneiras: podémolas colocar onde queremos, podemos cambiar de aspecto, etc.
Máis tarde comecei a traballar cos fulerenos, con estas gaiolas de 60 carbono. Paira a elaboración dos chips preténdese preparar reaccións químicas que unen os compoñentes mediante o ensamblaje natural; os fulerenos serían os precursores destas reaccións. Pero iso é só parte da miña investigación.
Como defines a nanotecnoloxía?
É un concepto moi amplo. A nanotecnoloxía é una combinación de procesos de bioquímica, química, electricidade e enxeñaría a escala do nanómetro, que consiste na tecnoloxía de sistemas de polo menos uno (tamaño aproximado de tres átomos) e un máximo de 100 nanómetros (aproximadamente a quinta parte do espesor dun pelo). Estes procesos determinan as características da materia, pero os sistemas son moi complexos.
Pódense estudar os primeiros sistemas biolóxicos de comprensión da nanomecánica, base de moitos deles. Por exemplo, as cadeas de ADN dentro das células nai están tamén almacenadas no núcleo, ás que se agarran unhas estruturas similares aos peiraos. Estes 'peiraos' poden modificarse químicamente de forma controlada, adaptando a topología do ADN e provocando a expresión dos xenes da forma desexada. En consecuencia, poderiamos transformar as células nai en células hepáticas, renais… no tipo de células desexadas.
Por outra banda, si é posible deseñar sistemas con micromecánica de silicio que conteñan una quincena do espesor dun pelo, pódense realizar sensores de movemento nanomecánico en función das súas características bioquímicas. Finalmente, una pila de sistemas moleculares de complexidade media pode modificar mecanicamente outras moléculas. A idea xeral paréceme moi interesante porque a través das correntes de electróns e das propiedades mecánicas pódense facer moitas cousas. Até agora investigouse pouco sobre esta idea.
Nalgunhas noticias menciónanse lubricantes paira nanomaquinas. Xérase fricción mecánica nestas máquinas de nanoescala?
Na fricción clásica dous obxectos contiguos tócanse entre si e créanse interaccións entre engúrralas presentes nas superficies. Estas interaccións son interelectrónicas, pero poden aparecer desde un punto de vista macroscópico a través da forza da fricción.
Na nanomecánica as interaccións entre os electróns de dúas moléculas tamén poden dificultar o movemento, pero non se producen "friccións macroscópicas". Paira superar estes inconvenientes, si entre estas dúas moléculas entra outra que fai a función de roda, aínda que non teña una fricción clásica, a interacción da roda e a outra molécula pódese tratar como una corrente de electróns. Son interaccións en función dos niveis enerxéticos de ambos os sistemas, do mesmo xeito que as que controlan enlácelos químicos e as forzas de Van der Waals. Hai que desenvolver novas ideas neste tipo de sistemas, pero ao final hai una forza de resistencia, en definitiva, hai que superar a barreira enerxética de rotación. Se a barreira está por baixo da enerxía térmica, producirase o movemento.
Por outra banda, cando se trata de localizar átomos simples nun lugar determinado, non é una vantaxe a interacción entre electróns?
Si, estes procesos son moi útiles, sobre todo a baixas temperaturas. A enerxía térmica é baixa e a forza atómica é elevada. Así que podes coller un átomo. A temperatura ambiente, con todo, só é posible empuxar as moléculas, xa que non soportan a agulla do microscopio.
Na súa páxina web de Internet dispondes dun documental en liña sobre nanotecnoloxía no que se pode ver como se moven os fulerenos nunha superficie. Estes experimentos facédelos a temperatura ambiente.
Si. Eu sabía que nos laboratorios da UCLA utilizábase o microscopio de efecto túnel a baixas temperaturas a 4K (-269ºC). Eu, en cambio, quería analizar como actúan as moléculas nas condicións habituais nas que vivimos e como poden cambiar. Por outra banda, traballar a baixas temperaturas supón una serie de vantaxes xa que certas moléculas non son fáciles de manexar.
No voso experimento conseguistes cambiar o aspecto dos fulerenos. Como se fai?
A estrutura electrónica dos fulerenos é moi curiosa. Son esferas de gran superficie e os niveis de enerxía baleiros permiten interactuar con outras moléculas a partir desa superficie. Desde a agulla do microscopio até esta superficie os electróns transpórtanse mediante o efecto túnel, pero a molécula, apertada mecanicamente, pode cambiar o seu aspecto. Isto modifica a simetría da molécula e, por tanto, os niveis de enerxía, modificando a corrente de efecto túnel.
Isto significa que desta maneira pódense detectar forzas duns nanonewtones, é dicir, mil millóns dun newton, una forza capaz de comprimir un fulereno (ten en conta que un newton é a forza necesaria paira manter un peso dun quilo aproximadamente). Esta pequena forza provoca un gran cambio na corrente de electróns do microscopio. Por tanto, a nosa intención é deseñar un amplificador electromecánico, amplificado pola aparencia das moléculas. Ademais, é un proceso reversible.
Realizaches algún experimento dentro dun fulereno cun átomo?
Nunca colocamos os átomos dentro dos fulerenos C 82 (máis grandes que os convencionais). Os átomos non se sitúan no centro, xa que este non é una localización de mínima enerxía, senón que se calcula que hai tres localizacións de mínima enerxía. Queremos saber si neste tipo de sistemas o átomo interior pode variar dunha localización a outra de forma controlada e se este cambio afecta á corrente de electróns do microscopio. Non creo que a idea teña éxito porque a temperatura ambiente é moi difícil que o átomo permaneza nunha soa posición, pero a idea paréceme moi interesante. Ordenando una pila de sistemas deste tipo sobre unha superficie, é posible que se poida facer un chip de memoria no que cada bit non sexa binario senón ternario. O chip sería moi pequeno.
Tamén realizastes experimentos dun só electrón. Como se consegue que un só electrón participe nun experimento?
Normalmente realízanse mediante pequenas biomoléculas. Estas biomoléculas poden recibir un electrón e, cando isto ocorre, a súa enerxía cambia. Con todo, como consecuencia deste cambio, a molécula non pode recibir máis electróns e, por tanto, serve paira realizar procesos dun só electrón paira a fabricación de nanotransistores e compoñentes de biochips.
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian