La nanotecnología, los más pequeños

2000/11/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Nanoteknologia

En la naturaleza hay muchos ejemplos de nanomecanismos. Quizá lo más destacado son los catalizadores naturales de las reacciones químicas, entre los que se encuentran las enzimas. Son gigantes en el mundo de las moléculas, pero tienen una longitud máxima de 200 nanómetros. Son moléculas de gran especificidad, es decir, cada una tiene un papel único y específico. Están diseñados para responder a la necesidad química y geométrica de una reacción. De esta manera no se producen errores. Estas "máquinas" están planificadas atómicamente. No es de extrañar que la vida esté basada en este tipo de nanomecanismos concretos.

Otro ejemplo bonito es el de la fotosíntesis. Es un mecanismo molecular de captación de rayos de luz. La protagonista es una antena parabólica nanoscópica llamada clorofila. La antena es una molécula de porfirina, con el átomo de magnesio central que recibe los electrones excitados por la luz. Esta estructura está asociada a unas membranas internas de células de cloroplastos mediante una rama molecular larga. La máquina diseñada por la naturaleza es totalmente eficiente. Puede convertirse en un ejemplo para el ser humano. ¿Por qué no?

Por debajo de la microtecnología

Para poder hacer un utillaje cada vez más pequeño es necesario un buen estudio de los materiales. Y es que en los últimos años la limitación de lo pequeño ha despertado la atención de los físicos. Las cosas están hechas de moléculas. Moléculas por átomos. Átomos con electrones, neutrones y protones. Estos quarkez. Es difícil decir si el análisis de la estructura de la materia terminará alguna vez. Pero para la tecnología, de momento, el límite son los átomos y las moléculas. Para ello hay una razón clara. Los átomos y moléculas son las subunidades más pequeñas para elaborar materia estable. En 1990 Jerome I. El físico Friedman recibió el premio Nobel por demostrar la naturaleza de los quarks. En su opinión, el límite de la tecnología será el átomo durante mucho tiempo, para ir a los siguientes pasos, porque la energía es muy diferente. El manejo de partículas más pequeñas requiere mucha energía.

Nanos significa griego –imi–o. En ciencia se utiliza el prefijo nano para expresar la parte de mil millones de algo. Por ejemplo, si un litro se divide en mil millones de fracciones, cada parte es un nanolitro. Y si en lugar de un litro hacemos lo mismo con un metro, obtendremos nanómetros. El nanómetro es una medida de gran importancia para físicos y químicos, ya que el tamaño de muchas moléculas es aproximadamente de un nanómetro. La nanotecnología implica el diseño de máquinas del tamaño de átomos y moléculas. Por lo tanto, para la fabricación de nanomisiones es necesario visualizar y mover los átomos y moléculas de forma individual.

Mecánica exacta insuficiente

Ésa es la principal dificultad de la nanotecnología. Las leyes físicas que gobiernan los átomos y las moléculas son las de la mecánica cuántica. El instrumento necesario para ubicar un solo átomo en un lugar apropiado debe estar basado en leyes cuánticas. Esta máquina fue ideada en 1981 por los físicos Gerd Binning y Heinrich Rohrer del laboratorio de IBM. (ver Elhuyar Zientzia eta Teknika, número junio 2000, página 13).

Se trata del microscopio de efecto túnel (Scanning Tunnel Microscope, STM). Por este invento recibió el premio Nobel en 1986. De la misma base física, los científicos inventaron otras herramientas. A partir de entonces, los físicos vieron los átomos y aprendieron a moverse poco a poco. De hecho, en la actualidad se está desarrollando en la Universidad de Carolina del Norte una herramienta llamada "nanomaneiadora", que puede mover átomos en tiempo real. Otra técnica interesante para la formación de nanoestructuras es la epitaxia del haz molecular (Molecular Beam Epitaxy, MBE). Esta técnica genera capas de un solo átomo o molécula de espesor sobre una superficie. De esta forma se pueden obtener nanotransistores mediante la colocación de capas de materiales semiconductores. Quizá también se pueden obtener moléculas. Existe la posibilidad de introducir millones de transistores en un chip de hoy, pero no sabemos cuánto va a multiplicar la nanotecnología.

Nuevo nanogiro de nuestro entorno

De la mano de los nanotransistores llegará la primera revolución informática. De hecho, en la empresa Intel esta técnica se está utilizando en nuevos microprocesadores (que deberían denominarse nanoprocesadores). El progreso consiste tanto en la capacidad de acumulación como en la rapidez. Los ordenadores serán más pequeños, económicos y potentes. Junto a ellos se desarrollarán todos aquellos que incorporen sistemas electrónicos y emitan señales electromagnéticas.

En medicina también se notarán las ventajas de la nanotecnología en muchas aplicaciones. Las superficies de interacción con el cuerpo, como los trasplantes, se podrán diseñar a nivel atómico. Las herramientas de diagnóstico también han comenzado a salir al mercado. En abril de este año se presentó una cámara del tamaño de una píldora. La ingestión de esta cámara permite realizar una revisión médica del tubo digestivo. Esta cámara es probablemente pionera en las herramientas que los médicos utilizarán próximamente.

También en los procesos industriales la nanotecnología podría aportar grandes novedades. Por ejemplo, las reacciones químicas a través de la catálisis pueden ser más precisas, ya que el catalizador se puede diseñar a nivel atómico. De esta forma, el rendimiento de las reacciones aumentará y los residuos desaparecerán en gran medida. Sería un paso importante para la industria sin humo.

El estado de los materiales puede ser controlado a nivel molecular. Por ejemplo, se podrán detectar posibles grietas o problemas de corrosión en el hormigón para predecir las debilidades del edificio. Por otro lado, se dispondrá de técnicas para reforzar estos materiales. En general, se buscará una solución al reto de que las cosas sean irrompibles.

Este reto también es imprescindible en el ámbito de los vehículos. Además, varias empresas están estudiando a nivel teórico el diseño de motores moleculares. Las preocupaciones tradicionales de la industria del automóvil pueden ser abordadas desde una nueva perspectiva. Entre otros, se diseñarán vehículos más ligeros para moverse por tierra, aire o agua y que requieran menos combustible. También se habla de dispositivos capaces de resolverse.

Todo esto no sólo se verá en aplicaciones industriales. También es un tema que agita el electrodomésticos. Lo que usamos ahora a diario será más ligero, mejor y más sostenible en un futuro próximo. Pero se espera que la nanotecnología invente y desarrolle nuevos conceptos. Quién sabe lo que se inventará... Se puede decir, sin embargo, que es la principal fuente de inspiración, como siempre ha ocurrido, el diseño de la naturaleza. Por ejemplo, la obtención de la fotosíntesis artificial puede suponer una gran revolución en el campo de la energía.

Es difícil predecir dónde nos puede llevar la nanotecnología. Cambia de vida. Hemos visto el límite de lo pequeño, pero todavía no hemos hecho más que empezar a explotarlo. Tal vez, desde el momento en que la nanotecnología sea considerada normal, el hecho de que las herramientas sean más pequeñas no sea nuestra preocupación.