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NANOTECNOLOGÍA

1 INTRODUCCIÓN

Nanotecnología , desarrollo y producción de artefactos en cuyo funcionamiento resulta crucial una dimensión de menos de 100 nanómetros (1 nanómetro, nm, equivale a 10 -9 metros). Se espera que, en el futuro, la nanotecnología permita obtener materiales con una enorme precisión en su composición y propiedades. Estos materiales podrían proporcionar estructuras con una resistencia sin precedentes y ordenadores o computadoras extraordinariamente compactos y potentes. La nanotecnología podría conducir a métodos revolucionarios de fabricación átomo por átomo y al empleo de cirugía a escala celular.

El 29 de diciembre de 1959, el físico estadounidense Richard Feynman dio una conferencia ante la American Physical Society titulada “Hay mucho sitio en lo más bajo”. En aquella conferencia, Feynman trató sobre los beneficios que supondría para la sociedad el que fuéramos capaces de manipular la materia y fabricar artefactos con una precisión de unos pocos átomos, lo que corresponde a una dimensión de 1 nm, aproximadamente. Feynman pronosticó correctamente, por ejemplo, el impacto que tendría la miniaturización sobre las capacidades de los ordenadores electrónicos; también predijo el desarrollo de los métodos que se emplean en la actualidad para fabricar circuitos integrados, y la aparición de técnicas para trazar figuras extremadamente finas mediante haces de electrones. Incluso planteó la posibilidad de producir máquinas a escala molecular, que nos permitirían manipular moléculas. Cuarenta años después de aquella conferencia, los expertos que trabajan en el campo de la nanotecnología están empezando a poner en práctica algunas de las ideas propuestas originalmente por Feynman, y muchas más que no se previeron entonces.

Para captar intuitivamente la longitud de un nanómetro, consideremos un cabello humano. Típicamente suele tener un espesor de unos 100 micrómetros (µm). Una bacteria normal es unas 100 veces más pequeña, con un diámetro de alrededor de 1 µm. Un virus del resfriado común es aproximadamente 10 veces menor, con un tamaño de unos 100 nm. Una proteína típica de las que componen la envoltura de dicho virus tiene unos 10 nm de espesor. Una distancia de 1 nm equivale a unos 10 diámetros atómicos, y corresponde a las dimensiones de uno de los aminoácidos que componen esa proteína. Por tanto, puede verse que 1 nm supone una tolerancia dimensional extremadamente pequeña, pero ya hay varias tecnologías que están próximas a alcanzarla.

2 NANOTECNOLOGÍA DE ARRIBA ABAJO

El término ‘nanotecnología’ fue acuñado por Nomo Taniguchi en 1974 en relación con la fabricación de productos mediante métodos de mecanizado. Taniguchi mostró cómo la tendencia a aumentar la precisión de fabricación estaba llevando inexorablemente al punto en que, en el año 2000, las piezas fabricadas con un mecanizado “normal” tendrían una precisión de 1 µm, mientras que el mecanizado “de precisión” supondría una precisión de 10 nm y el “ultrapreciso” de hasta 1 nm. Sus predicciones demostraron en muchos casos ser correctas. Este tipo de nanotecnología forma parte de un grupo denominado a menudo ‘nanotecnologías de arriba abajo’, que se acercan a la precisión necesaria gradualmente, sobre todo mediante refinamientos de métodos de fabricación anteriores.

La capacidad de controlar la precisión de fabricación hasta esos extremos está proporcionando muchos beneficios —a veces inesperados— que van más allá de la capacidad de producir un artículo con una forma muy bien definida. Por ejemplo, se ha demostrado que materiales considerados normalmente quebradizos pueden mecanizarse de forma dúctil si se controla el corte para que tenga una profundidad inferior a un determinado valor crítico (típicamente situado en la zona submicrométrica). Esto supone que el material se elimina en forma de virutas plásticamente deformadas, en lugar de lascas, lo que evita la formación de amplias grietas y daños por debajo de la superficie mecanizada. Esto puede lograrse mediante máquinas desarrolladas para el mecanizado ultrapreciso. Este proceso es típico del pulido, donde la herramienta (compuesta por partículas de diamante o nitruro de boro cúbico incrustadas en un medio portador) gira a velocidades muy elevadas, generalmente decenas de miles de revoluciones por minuto. Con estas técnicas, el material puede eliminarse a un ritmo económicamente viable. Este mecanizado “en modo dúctil” de materiales quebradizos está proporcionando importantes beneficios en cuanto a mejora del acabado superficial, reducción de los daños subsuperficiales y consiguiente prolongación de la vida útil de los componentes. Entre los campos donde se está aplicando este método se encuentran el pulido de los bordes de obleas de silicio para circuitos integrados, el corte de discos de cerámica vítrea para su uso como sustrato en discos duros de ordenador y el pulido de materiales duros, por ejemplo, árboles de levas para motores de automóviles.

Otras nanotecnologías “de arriba abajo” incluyen las técnicas litográficas empleadas para fabricar circuitos integrados, donde existe una gran presión para hacer que los transistores individuales sean cada vez más pequeños y estén cada vez más juntos. Feynman ya previó la importancia de esta tendencia. A medida que los transistores se hacen más pequeños, funcionan más rápido y consumen menos energía; al estar más cerca unos de otros, es posible introducir más transistores en una superficie determinada, y el tiempo que tardan las señales eléctricas en viajar de un transistor al transistor vecino disminuye. La combinación de estos factores supone que la potencia de cálculo de un chip aumenta de forma aproximadamente proporcional al inverso del cubo de la dimensión crítica más pequeña. Si la dimensión mínima de los elementos del circuito (conocida como anchura de línea porque estos elementos suelen tener forma de líneas) se hace 10 veces menor, la potencia de cálculo de un chip aumenta en un factor de 1.000.

En 1964, Gordon Moore, de la empresa estadounidense Fairchild Semiconductor Corporation, predijo que el número de transistores que se podrían fabricar en un chip se duplicaría cada año. La llamada ‘ley de Moore’ sigue cumpliéndose de forma aproximada, aunque en la actualidad el número se duplica cada dos o tres años. La última tecnología en chips comerciales, como el Pentium de Intel, tiene una anchura de línea de unos 300 nm, con aproximadamente 1,5 millones de transistores en cada chip. Algunos dispositivos especializados, como los chips de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), que pueden almacenar hasta 64 millones de bits de información, tienen más de 64 millones de transistores. En los primeros años del siglo XXI, las anchuras de línea mínimas de los chips comerciales deberían disminuir hasta 100 o 200 nm en componentes como los chips de DRAM, que podrían almacenar más de 1.000 millones de bits. Algunos ejemplos de estos dispositivos, que se aproximan a la región de la nanotecnología, ya se han probado en el laboratorio.

Las técnicas empleadas actualmente para fabricar esos chips —basadas en grabar dibujos sobre los metales, óxidos y semiconductores depositados en la superficie de los chips— tienen limitaciones intrínsecas que podrían detener la evolución de la tecnología y hacer que dejara de cumplirse la ley de Moore. La mayoría de los chips comerciales se fabrican mediante fotolitografía, una técnica en la que los dibujos se graban exponiendo la superficie del chip a la luz u otra radiación electromagnética a través de una plantilla o máscara. Los procesos fotolitográficos avanzados que emplean láseres pulsados en el ultravioleta lejano y máscaras con capas especiales para desplazar las fases de las ondas luminosas en regiones específicas, podrían obtener anchuras de línea de hasta 150 o 200 nm. La litografía con haz de electrones puede lograr anchuras de línea inferiores a 100 nm, pero se trata de un proceso de grabado en serie, lo que resulta intrínsecamente lento y no está bien adaptado a la producción en masa. La litografía de rayos X, que emplea rayos X blandos (con una longitud de onda de aproximadamente 1 nm) emitidos por sincrotrones, podría suponer una solución. Sin embargo, presenta problemas técnicos y resulta tremendamente costosa. Aunque esta técnica está siendo investigada por empresas estadounidenses y japonesas, hay pocos signos de que vaya a convertirse en una realidad comercial. No obstante, los efectos de los avances en los chips de silicio en la economía mundial son enormes, y la presión comercial es tal que es casi inevitable que se desarrollen tecnologías para mantener el impulso. Es muy posible que los métodos que lleven la tecnología de fabricación de chips por debajo de la barrera de los 100 nm correspondan a ‘nanotecnologías de abajo arriba’.

3 NANOTECNOLOGÍA DE ABAJO ARRIBA

El concepto de construir un artefacto manipulando materia a escala nanométrica y ensamblando objetos átomo a átomo o molécula a molécula (el llamado enfoque de abajo arriba de la nanotecnología) se planteó por primera vez en la citada conferencia de Feynman. A lo largo de los últimos 10 años, ha sido popularizado por K. Eric Drexler, del Foresight Institute (Instituto de las Previsiones) de Palo Alto (California), fundado por él mismo. Drexler ha descrito estructuras moleculares de escala nanométrica movilizadas en gran número —miles de millones— como robots programables para montar cualquier cosa. Estas máquinas estarían hechas con componentes moleculares, con lo que sistemas tales como engranajes se montarían a partir de componentes moleculares que girarían y se entrelazarían. Se han sugerido múltiples aplicaciones para estas ‘nanomáquinas’, que incluso podrían introducirse en el cuerpo humano para detectar y reparar daños en las células. Muchos científicos consideran que es poco probable que eso se haga realidad en un futuro cercano, si es que se consigue alguna vez. Sin embargo, se han producido una serie de avances científicos independientes que han ayudado a legitimar las ideas de Drexler. Entre ellos ha estado la invención del microscopio electrónico de barrido, que permitió la visualización de átomos sobre una superficie material midiendo la corriente cuántica de túnel entre una punta afilada y la superficie. Desde entonces, eso ha llevado a desarrollar una amplia gama de microscopios de sonda de barrido. Uno de ellos es el microscopio de fuerza atómica (AFM), que puede proporcionar imágenes a escala atómica de superficies aislantes. Estos dispositivos de sonda de barrido pueden emplearse no sólo para obtener imágenes a escala atómica, sino también para recoger y reemplazar átomos en una superficie, o empujarlos de un lado a otro, aplicando impulsos eléctricos. Incluso es posible medir las propiedades mecánicas de una molécula individual introduciendo la punta de una sonda en su interior. Esto se ha hecho, por ejemplo, con moléculas de fullereno C 60 . Los científicos de la división de investigación de IBM utilizaron un AFM en 1990 para manipular 35 átomos de xenón en una superficie de níquel y escribir las letras “IBM”.

Otros investigadores han adherido a una superficie moléculas orgánicas que contienen azufre, llamadas alcanotioles, mediante un proceso conocido como deposición de película de Langmuir-Blodgett. Las moléculas que van a depositarse se hacen flotar en agua y se comprimen mediante paletas para formar una estructura densa bidimensional. La superficie que va a recubrirse se sumerge en agua a una velocidad cuidadosamente controlada, y las moléculas se transfieren por capas atómicas. Se ha propuesto que las moléculas podrían ‘imprimirse’ sobre un sustrato de oro en un proceso similar al entintado de una plancha de impresión.

Algunos químicos han montado ‘nanomáquinas’ consistentes en minúsculas lanzaderas moleculares en las que una molécula de poliéter cíclico envuelta alrededor de un ion bipiridínico cíclico puede detectarse mediante espectroscopia por resonancia magnética nuclear (RMN) al oscilar de un punto estable a otro. En la actualidad pueden llenarse microtúbulos de carbono con líquidos portadores de metales y posteriormente eliminar los túbulos, dejando cables conductores de unos pocos nanómetros de espesor. Una combinación de algunas de estas ‘herramientas’ y de otras aún no inventadas podrá hacer posible la fabricación de máquinas a escala molecular, aunque seguramente harán falta décadas para lograrlo.

Una segunda área de nanotecnología de abajo arriba es la fabricación de materiales en los que algunos componentes se estructuran deliberadamente para que estén en la zona nanométrica. Estos materiales se denominan materiales de nanofase. Algunos ejemplos son cerámicas de óxido, como el dióxido de titanio o titania, en la que los granos que forman el cuerpo se hacen muy finos. Normalmente, una cerámica así tendría un tamaño de grano situado en la zona micrométrica, y se rompería por fractura quebradiza al ser sometida a extensiones del 1 o el 2%. Si se reduce el tamaño de grano por debajo de unos 30 nm, el material puede deformarse hasta un 60% a 800 ºC sin romperse. Eso se debe a que los granos pueden deslizarse unos sobre otros durante el proceso de deformación, produciendo un efecto conocido como superplasticidad. En los metales se pueden lograr alteraciones de las propiedades igualmente espectaculares haciendo que el tamaño de los granos sea ultrafino. El cobre, por ejemplo, que normalmente tendría un tamaño de grano de unos 10 µm, duplica su dureza si se reduce el tamaño de grano a 50 nm, y la multiplica por seis si el tamaño de grano se reduce a 6 nm. Estos cambios se deben a que unos granos tan finos no permiten la formación de las dislocaciones cristalinas que, en general, permiten a los metales deformarse plásticamente. Este tipo de materiales pueden fabricarse sinterizando polvos muy finos.

El campo de los materiales de nanofase está ampliándose para incluir el estudio de las propiedades electrónicas y ópticas de los polvos ultrafinos. Se sabe desde la época de los romanos que se puede obtener un vidrio con un profundo color rubí dispersando en él partículas ultrafinas de oro. Estas partículas tienen un tamaño de unos 100 nm. En la actualidad, los científicos están estudiando las propiedades ópticas de una amplia gama de materiales, especialmente semiconductores, en forma de polvos ultrafinos. Se ha comprobado que es posible alterar significativamente el espectro de absorción de un material según el tamaño de las partículas. En algunos casos, como el dióxido de titanio o el óxido de cinc, la longitud de onda a la que se absorbe la mayor parte de la energía puede desplazarse al ultravioleta; en otros casos, como el seleniuro de cadmio, se cambia el color del material. Las posibles aplicaciones van desde cosméticos —por ejemplo, cremas de protección solar— hasta recubrimientos para tubos de imagen de televisores. Al igual que el planteamiento ‘de arriba abajo’, el enfoque de la nanotecnología ‘de abajo arriba’ tiene un enorme potencial, especialmente en el desarrollo de nuevos materiales.


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