El otro día un amigo me dijo: “Oye, tú que sabes de estas cosas, ¿qué es la nanotecnología? Yo me emocioné y empecé a hablarle de órdenes de magnitud, nanotubos y efectos quánticos, pero ante sus ojos desorbitados decidí buscar una manera de hacerlo entendible. Y lo prometido es deuda, así que hoy voy a intentar aclararlo para todos aquellos que tengáis la misma duda.
La nanotecnología es el área de la ciencia y la tecnología que se ocupa de las estructuras que tienen, al menos, una de sus tres dimensiones de un tamaño entre 1 y 100 nanómetros (nm).
Para que nos hagamos una idea de lo que esto significa, si el grosor típico de un cabello humano es de 100 micras, un nanómetro es una cien milésima parte (1/100.000) más pequeño.
- Microfotografía (realizada con microscopio electrónico) de un pelo humano y un hilo de seda de araña. Fuente: Jim Morphis.
Procedamos pues todos a arrancarnos un cabello de nuestra cabeza (o de la de alguien que esté cerca si se tienen problemas de alopecia). Pongamos el pelo sobre una tabla de cortar y afilemos al máximo un cuchillo de precisión. Lo que haremos ahora quedará en el reino de la imaginación, pero… que narices: ¡Imaginar es maravilloso!
Imaginemos que podemos cortar el pelo por la mitad, de manera que nos queden dos partes igual de largas que el pelo original, pero la mitad de anchas. Ahora volvemos a cortar por la mitad una de esas partes, y seguimos así hasta obtener una parte que sea 100 veces más estrecha que el pelo original. Pues bien, si midiéramos esta parte tendría un ancho de una micra, por lo que diremos que hemos logrado un micropelo.
En la imagen de la derecha se puede ver un pelo humano de 80,7 micras. El pequeño hilo blanco que hay junto al pelo en la microfotografía es seda de araña, y su tamaño sería, más o menos, el de micropelo que acabamos de conseguir.
La mala noticia es que estamos aún muy lejos del nanómetro, la buena es que la imaginación puede con todo.
Lo que sigue ahora es más de lo mismo: separaremos con mucho cuidado el micropelo (igual de largo que el pelo original pero con una micra de ancho) y seguiremos cortándolo por la mitad. Cortaremos y cortaremos y volveremos a cortar (como haría cualquier cirujano del micromundo), hasta lograr una parte 1.000 veces más estrecha que el micropelo (o que el hilo de seda de la araña). Ahora sí que lo logramos: un precioso nanopelo, con el ancho de un nanómetro.
La tarea ha sido ardua pero ha merecido a pena. Acerquémonos y miremos con atención nuestra obra. Lo que tenemos frente a nuestros ojos es difícil de describir. ¡El nanopelo es tan estrecho que su diámetro lo forman sólo cuatro o cinco átomos! Hemos penetrado hasta tal punto en la escala microscópica que nos encontramos en un limbo entre nuestro mundo y el mundo atómico. Aquí la física es muy extraña, pues no rige ni la física macroscópica ni la cuántica.
Las propiedades de la materia en esta escala no son fácilmente predecibles, ya que aparecen fenómenos completamente nuevos, como el confinamiento cuántico. De esta manera, las nanoestructuras tienen características muy poco intuitivas y presentan fenómenos físicos, químicos y biológicos extraordinariamente novedosos y prometedores.
- Escala comparativa de las longitudes características entre el metro y 0,1 nanómetros.
Las Promesas de la Nanotecnología
Estos nuevos fenómenos están llamados a provocar una revolución que podría transformar el mundo en que vivimos. Se espera que la ciencia siga avanzando en la comprensión del comportamiento de las nanoestructuras, con aplicaciones en campos tan diversos como la biología molecular, la electrónica o la física de materiales.
Materiales cerámicos y metálicos con impresionantes características mecánicas; transistores miniaturizados para controlar potentes ordenadores y teléfonos móviles; nuevos sensores biológicos y químicos, basados en el alineamiento de moléculas en forma de matriz…
Se podrían enumerar decenas de interesantes aplicaciones que justifican el entusiasmo que se ha generado en los últimos años alrededor de la nanotecnología.
El reto es llegar a controlar la materia a nivel atómico o molecular, pues es a ese nivel donde sus propiedades básicas se podrían seleccionar para obtener unas características que permitan cumplir los requisitos de diseño de manera óptima.
Fabricación de Nanoestructuras
El proceso de fabricación no consiste simplemente en la miniaturización de procesos existentes, sino que tocará imitar a la naturaleza, capaz de construir grandes estructuras partiendo de moléculas y átomos.
El problema es que la miniaturización del tamaño de un dispositivo puede resultar en un cambio importante en su funcionamiento, debido, por ejemplo, a la aparición de fenómenos quánticos (física que gobierna la interacción entre electrones en los átomos).
Así pues, para considerar las interacciones entre átomos en la escala nanométrica, hay que trabajar con la mecánica quántica, mientras que para interrelacionar esta escala con el mundo real necesitamos considerar las propiedades colectivas de millones de átomos, utilizando la mecánica del medio continuo.
Las dos tecnologías que en un futuro permitirán fabricar nanoestructuras de manera precisa son la fabricación a escala atómica (top-down) y el auto-ensamblaje (bottom-up).
Fabricación a escala atómica (top-down)
Se trata del desarrollo de tecnologías cada vez más precisas que permitan aislar y manipular átomos, como por ejemplo el scanning probe microcope, que permite manipular átomos individuales con una punta nanométrica.
El principal problema de esta tecnología es su lenta velocidad de fabricación. Por ejemplo: si un dispositivo tiene un tamaño característico de 5 nanómetros y se trabaja con una punta nanométrica capaz de mover 10 átomos por segundo, se invertirán alrededor de seis meses para construir 1.012 dispositivos, que sólo ocuparían una zona de 20 centímetros.
Auto-ensamblaje (bottom-up)
El proceso de auto-ensamblaje es el que utiliza la naturaleza para reparar tejidos, fabricar sus nanosistemas e, incluso, crear nuevos organismos. En general representa la organización de una cierta estructura a partir de la materia primera sin intervención humana, simplemente debido a las interacciones existentes entre sus átomos.
En la figura inferior se pueden ver un conjunto de 102 complejas nanoestructuras (derecha) creadas a partir del auto-ensamblaje de hebras de ADN. La imagen sólo muestra la parte superior de las nanoestructuras (proyección en 2D), por lo que no se pueden apreciar las complicadas cavidades que permitieron replicar los modelos 3D generados por computador (izquierda).
- Izquierda: Modelos 3D generados por computador. Derecha: Proyección 2D de las nanoestructuras generadas a partir de fibras de ADN. Fuente: Yonggang Ke, Wyss Institute, Harvard University
Aplicaciones de la Nanotecnología
Las principales áreas de aplicación de la nanotecnología son: materiales, electrónica, biología y energía. Pero esto lo vamos a dejar para próximas entradas que por hoy ya hemos aprendido suficientes cosas raras.
Nos queda por hablar de materiales tan revolucionarios como el graneo o las nanopartículas, de ordenadores cuánticos, de píldoras inteligentes y de teléfonos móviles cargados con el calor humano.
Podríamos pensar que es ciencia-ficción, y sin embargo son el futuro de una revolución que empezó con un sueño: reducir los dispositivos hasta chocar con la escala del átomo. Un sueño que los científicos y los ingenieros van haciendo realidad, paso a paso, cortando un cabello de su cabeza una y otra vez, con paciencia. ¿Dónde estará el límite?
- Ejemplos de nanoestructuras. Derecha: micrografía (realizada con microscopio electrónico de barrido) de una estructura de nanocristales con prometedoras propiedades ópticas. Izquierda: recreación de un nanotubo de grafeno. Fuentes: derecha, Dr. Michael Thiel; izquierda, Christine Daniloff (MIT).
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