Nanotecnología: Una aproximación al desarrollo de capacidades generales para la manipulación molecular

Nanotecnología: Una aproximación al desarrollo de capacidades generales para la manipulación molecular.

En esta época donde la carrera de la miniaturización no tiene fin, se ha logrado construir aparatos electrónicos que cada vez tienen más capacidad ocupando menos espacio. Esta previsión que fue postulada en 1965, se ha venido cumpliendo a pesar de que fue postulada con muy pocos datos experimentales. Me refiero a la conocida ley de Moore donde el ingeniero Gordon Moore estableció que la densidad de transistores en un dispositivo de estado sólido se doblaría cada 18 meses.

transistores

Aunque la ley de Moore se ha cumplido por más de 50 años, vemos que ha llegado un momento con una serie de limitaciones irresolubles con el tipo de planteamiento en el que se basa la tecnología actual, uno de ellos tiene que ver con el hecho de que a medida que se reduce el tamaño de un objeto, su superficie crece respecto a su volumen. De esta manera se impone la necesidad de desarrollar una nueva tecnología que ha permitido asumir los desafíos planteados en esta carrera hacia la miniaturización, ese es el papel de la Nanotecnología.

Definición de Nanotecnología

En internet, existen una gran variedad de definiciones, pero que difieren en gran parte de la esencia, ya que la nanotecnología necesita técnicas de fabricación basada en conceptos bien definidos. Retomando una de las definiciones más acertadas podemos considerar la siguiente: “Nanotecnología es la disciplina que consiste en la fabricación de materiales, estructuras, dispositivos y sistemas funcionales a través del control y ensamblado de la materia en la escala del nanómetro (de 0.1 a 100 nanómetros, del átomo hasta por debajo de las células), así como la aplicación de conceptos y propiedades físicas, químicas, biológicas, mecánicas, eléctricas…

Una vez definido el termino, pasemos al significado de la palabra “nano”. Nano es un prefijo proveniente del vocablo griego νανοϛ que significa diminuto, enano, pequeño. Este prefijo se utiliza en el sistema internacional (S.I.) de unidades para indicar un factor de 10-9 (es decir, multiplicar algo por 0.000000001, o la mil millonésima parte de algo). Así podríamos decir que la nanociencia es la ciencia que puede realizarce con objetos del tamaño de “mil-millonesimometrico (o mejor nanométrico)”. Por lo tanto,un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro, una longitud 80000 veces más pequeña que el diametro de un cabello humano. Hoy en día existen los conocimientos necesarios para mover, manipular y construir objetos con esos tamaños (nanociencia), que son utilizados para realizar funciones especificas dentro de determinados dispositivos (nanotecnología). Dicho de otra manera: actualmente se ha avanzado en lo que se refiere a la nanociencia y se encuentra en fase de desarrollo las primeras aplicaciones nanotecnologicas de un futuro próximo.
nanometros

Arriba: Diferentes objetos en su tamaño caraterístico, cuyo tamaño está comprendido entre 0.1 y 100 nm son los materiales con los que trabaja la nanotecnología.

Actualmente se ha proliferado el prefijo “nano”, es por eso que continuamente escuchamos hablar de disciplinas como nanoquímicas, nanoelectrónica, nanomedicina o nanobiotecnología; incluso de objetos tales como nanopartículas, nanotubos, nanoimanes o nanomotores, que nos indica que en ese rubro se va a estudiar y desarrollar objetos con tamaños comprendidos entre 0.1 nm y 100 nm.

Un poco de Historia
feynman

Los inicios de la nanotecnológica tuvo lugar en 1959 en el Instituto de Tecnología de California, donde el físico R. Feynman, especialista en mecánica cuántica, pronunció un famoso discurso sobre el problema de manipular objetos a pequeña escala, vislumbrando que podría haber muchas oportunidades tecnológicas “jugando” con átomos y moléculas.

Pero la palabra nanotecnología fue acuñado en 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de Ciencia de Tokio en un artículo titulado “On the Basic Concept of ‘Nanotechnology’”, que se presentó en una conferencia de la Sociedad Japonesa de Ingeniería de Precisión. En dicho artículo se hablaba de la nanotecnología como la tecnología que nos permitirá separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.

Aunque Feynman, en 1959, fue el primero en sugerir de manera clara esta posibilidad, hubo que esperar hasta 1986 para que sus ideas se concretaran. En ese año, E. Drexler publicó su libro “Engines of Creation” en el que describe cómo las nanomáquinas serán capaces de construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo.
Los encargados de realizar estas tareas serían nanorobots ensambladores que trabajarían autoreparandose y construyendose así mismos.

 

Átomos y moléculas ensamblados de la manera adecuada para formar un motor molecular. Estos motores podrían utilizarse para construir diferentes tipos de engranajes molecuares u otros dispositivos. Cada esfera del dibujo representa un átomo o molécula. En la figura puede verse un motor de este tipo diseñado por E. Drexler.

Motor finemotion diseñado por E. Drexler.

Drexler también vislumbró la posibilidad de desarrollar nano-submarinos que podrían desplazarse por las venas buscando antígenos, como lo hacen los leucocitos. Es posible que algunos de los objetos descritos y patentados por Drexler entren a formar parte de nuestras vidas mientras que otros muchos pasen a la historia como mera imaginación o especulación.

Nano-Materiales

El carbono, es tal vez el átomo más importante en nuestro mundo. El átomo de carbono presenta unas propiedades únicas, siendo su química mucho más extensa que la del resto de los elementos de la tabla periódica. Además del enorme número de compuestos distintos que existen en la naturaleza resultantes de su combinación mediante enlaces covalentes con unos pocos elementos más, resulta curioso cómo un mismo átomo puede dar lugar a materiales tan distintos.

grafito

A un solo plano atómico de grafito se le llama grafeno, y éste, a diferencia del grafito, es bastante difícil
de obtener. Recientemente, mediante cálculos teóricos, se han realizado predicciones acerca de las
importantes propiedades electrónicas que podría tener este material. Entre ellas una altísima movilidad
electrónica y una baja resistividad, de manera podría sustituir al silicio que se utiliza actualmente en multitud de dispositivos.

Fullerenos – Recientemente se han descubierto nuevas formas del carbono que son muy prometedoras para la nanotecnología. Los fullerenos o “bucky-balls” recibieron estos nombres en honor al arquitecto Richard Buckminster Fuller, quién diseñó cúpulas geodésicas basadas en pentágonos y hexágonos. Un ejemplo de este tipo de cúpulas lo podemos ver en cualquier planetario. Este tipo de construcciones son muy estables y logran encerrar un mayor volumen en una menor área.

Nanotubos de carbono

Nos encontramos ante un material con unas aplicaciones realmente prometedoras. Imaginemos que disponemos de un material que es 10 veces más ligero que el acero, 100 veces más resistente, y a la vez 10.000 veces más fino que un cabello, además de poseer propiedades eléctricas, puesto que pueden ser tanto conductores como aislantes.

Los nanotubos de carbono fueron descubiertos de manera accidental en 1991 por S. Ijima, cuando este investigador estudiaba el depósito de carbono que se obtiene en una descarga eléctrica de grafito. Al realizar el análisis encontró unos filamentos de unos pocos nanómetros de diámetro y algunas micras de largo.

En el primer caso, los nanotubos de carbono son muy buenos conductores a temperatura ambiente, pudiendo transportar elevadas densidades de corriente. Hoy día, si queremos transportar una corriente eléctrica elevada necesitamos utilizar cables de cobre muy gruesos y caros.  Los nanotubos de carbono permitirán unir el mundo de la electricidad (en el que es necesaria potencia y grandes corrientes eléctricas para mover motores) con el de la electrónica (pequeños voltajes, pequeños dispositivos).

Hasta ahora hemos hablado exclusivamente de los materiales basados en el carbono, pero existen otros muchos tipos de materiales que presentan una nanoestructura y que también los abordaremos en este artículo.

Aplicaciones de la Nanotecnología

La nanomedicina (nanobiomedicina)
La nanomedicina consiste básicamente en utilizar el conocimiento molecular de los seres vivos y la posibilidad de fabricar dispositivos de dimensiones nanométricas para mejorar la salud humana, tanto en el ámbito de la terapia (diseño y liberación de fármacos, construcción de nanomateriales biocom-patibles, medicina regenerativa, mejora de técnicas terapéuticas) como en el del diagnóstico (incre-mento de sensibilidad y especificidad de técnicas convencionales, fabricación de nanobiosensores).

Nanomedicina regenerativa – Se considera uno de los campos más prometedores de la medicina en este siglo, ya que consiste en el desarrollo de tejidos mixtos entre moléculas biológicas y materiales inorgánicos nanoestructurados. Esto resulta muy útil para la construcción de prótesis e implantes sin problemas de rechazo. También se han desarrollado nanofibras artificiales de péptidos, que poseen un diámetro de unos 7 nm y son capaces de auto-ensamblarse y solidificar la solución en la que estaban disueltos, lo que permite reconstruir tejidos humanos dañados.

Nanointerruptores – Esta es otra de las líneas de investigación de la nanomedicina que se basa en manupulas moléculas biológicas para construir “nanointerruptores” con los que se logra, por ejemplo, activar o desactivar un determinado gen. Ello podría servir para relentizar o anular procesos celulares asociados con enfermedades.

Nanosubmarinos y nanorobots en nuestro cuerpo – Esta es una de las aplicaciones más prometedoras de la nanotecnología en la medicina, que consiste en el diseño de dispositivos de un tamaño menor que las células de nuestro cuerpo, capaces de dirigirse con presición a un tejido enfermo y liberar en él los fármacos necesarios para sanarlo. Esto ya es una realidad, actualmente las empresas farmacéuticas comercializan sus fármacos en forma nanoestructurada, empleando diversos tipos de “nanovehículos” para su administración intravenosa, oral,  inhalada o tópica. Entre las estrategias utilizadas, algunos investigadores han construido vesículas artificiales o liposomas, que son una especie de “mini-células” de entre 20 y 100 nm de diámetro, que no tienen núcleo ni ningún otro orgánulo celular, sino únicamente una membrana lipídica y un líquido en su interior en el que está disuelto el fármaco que se quiere liberar en la célula enferma.

Bio-dendrímeros de bio-nanopartículas – Esta es otra linea de investigación que consiste en la fabricación de nanoagregados esféricos formados por capas concéntricas de un polímero orgánico, mientras que las nanopartículas están compuestas por metales u óxidos metálicos, en ocasiones recubiertas por capas exteriores de distintos materiales. Las nanopartículas de mayor aplicabilidad en biomedicina están fabricadas con metales nobles (oro, plata o sus aleaciones), ya que son los más inertes en el organismo y por lo tanto en principio no producen problemas de toxicidad al estar en contacto con nuestro cuerpo.

Arriba: nanosubmarinos disponibles en la actualidad con aplicaciones en biomedicina: liposomas (A); cápsidas de virus (B); fullerenos (C); dendrímeros (D) y nanopartículas (E). En todos los casos se muestra el fármaco que transportan, representado esquemáticamente mediante una esfera de color verde.

En general, los “nanorobots” se pueden definir como nanomáquinas (totalmente artificiales, o mixtas entre nanoestructuras artificiales y biomoléculas) que, con un tamaño menor o igual a nuestras células, serían capaces de mejorar las capacidades de nuestro organismo, o de detectar y reparar daños de forma altamente especializada.

La Nano-electrónica: El paso del silicio a las moléculas.

Sin duda, la electrónica, junto con los avances de la medicina y el desarrollo de los medios de transporte, han ido cambiando nuestra forma de vida, ahora con la nanotecnología seguiremos siendo testigos de los futuros dispositivos electrónicos.

La nueva electrónica contiene varios candidatos que se están convirtiendo  en los componentes nanoelectrónicos del futuro entre los que se encuentran: nanotubos de carbono, moléculas, nanohilos, puntos cuánticos, entre otros. Todos ellos comparten en común algunas características como su tamaño nanométrico que sin duda alguna comenzarán a sustituir al silicio como elemento básico actual de la electrónica.

Moléculas orgánicas – Estas moléculas, que pueden ser muy pequeñas y pueden formar estructuras macromoleculares poliméricas, se comportan como los materiales conductores o semiconductores inorgánicos. Existen multitud de familias de moléculas electroactivas, como los derivados de polipirrol, naftaleno, fullereno, tetracianoquinodimetano (TCNQ), tetratiofulvaleno (TTF), tioles, etcétera. Todas estas moléculas, de extraños nombres y compleja formulación, tienen en común su capacidad para transportar carga eléctrica. Estos materiales tienen ya aplicaciones industriales como diodos orgánicos emisores de luz (OLED, siglas de la expresión en inglés “Organic Light-Emitting Diode”), transistores orgánicos de efecto campo (OFET, siglas de la expresión en inglés “Organic Field-Effect Transistor”) o en la fabricación de paneles solares orgánicos. Otras aplicaciones futuras se encaminan hacia la fabricación de baterías, músculos artificiales o diversos tipos de sensores.

Es importante destacar que los polímeros conductores permiten fabricar circuitos impresos que son transparentes y flexibles, lo que les convierte en verdaderos ejemplos de materiales “multifuncionales”.

Nano tubos de carbono – Un nanotubo de carbono es una macromolécula capaz de transportar balísticamente corriente eléctrica sin apenas resistencia. La densidad de corriente máxima que un nanotubo de carbono puede transportar es centenares de veces superior a la de un cable metálico de igual sección. Además, los nanotubos de carbono pueden ser conductores o semiconductores, lo que simplificará los procesos de elaboración de microchips, que necesitan muchos pasos de fabricación debido al uso de diferentes materiales. La posibilidad de elaborar circuitos completamente basados en nanotubos de carbono quizás permita dar el salto desde la tecnología del silicio hasta la del carbono.

Arriba: Transistor con un nanotubo de carbono

Nanohilos o nanocables metálicos – Estos nanohilos podrán ser pequeñas cadenas de unos pocos átomos de longitud y de unos pocos átomos de sección. En el desarrollo de la nanoelectrónica, las conexiones entre dispositivos juegan un papel clave. Cuando se disminuya el tamaño de los chips necesitaremos nanoconectores. Los nanohilos metálicos podrán realizar estas funciones. Ahora se está aprendiendo a fabricar de forma controlada cadenas mono-atómicas de varios metales y a conocer cuáles son sus características. Estos nanocables no sólo son buenos conductores de la electricidad sino que además poseen otras interesantes propiedades. Por ejemplo, si el material del que está hecho el nanocable es magnético (cobalto, hierro o níquel) podemos pensar en usar esa doble funcionalidad, ya que se sabe que la resistencia del nanohilo metálico puede depender de la presencia de un campo magnético externo. Este fenómeno se llama magnetorresistencia balística gigante. El fenómeno de la magnetorresistencia gigante (descubierto en 1982 por A. Fert y P. Grünberg, galardonados por el Premio Nobel de Física en 2007) ha sido y es de gran importancia para la industria de la informática, ya que ha revolucionado la tecnología del almacenamiento magnético en los últimos años, permitiendo construir discos duros de gran capacidad. El hecho de observar el mismo comportamiento en nanohilos permitirá seguir miniaturizando los sensores magnéticos y las cabezas de lectura/grabación de los discos duros.

 

Arriba: Nanohilos metálicos helicoidales – Los dispositivos electrónicos del futuro estarán fabricados con nanocomponentes que podrán realizar diferentes funciones. Los metales, que se usan como interconectores entre elementos lógicos, también podrán ser uilizados en forma de nanohilos de unos pocos átomos de diámetro.

Puntos cuanticos – Otro nanocomponente electrónico es el punto cuántico que consiste en una estructura cristalina de dimensiones nanométricas, que puede presentar formas diversas y es fabricado de materiales semiconductores. En un punto cuántico, los electrones están atrapados, confinados en las tres dimensiones. Este confinamiento da lugar a una estructura bien definida de niveles de energía que depende mucho de la forma y el tamaño del punto cuántico. Esta disposición de niveles electrónicos recuerda a la que tienen los átomos y por eso también se les denomina “átomos artificiales”. Este control de las propiedades ópticas ha hecho que los puntos cuánticos se utilicen para fabricar eficientes diodos láser (usados como lectores de CD y DVD), células fotovoltaicas, así como nuevos tintes y marcadores ópticos que permiten el seguimiento de procesos biológicos en tiempo real.

punto cuantico

 

Otra interesante propiedad de un punto cuántico es que su estructura electrónica cambia cuando atrapa un electrón. Esto es así porque el confinamiento de los electrones es muy grande y la inclusión de un nuevo electrón causa enormes fuerzas de repulsión. Este cambio de los niveles se puede aprovechar para que el punto cuántico funcione como un transistor de un único electrón (SET, del inglés “single electron transistor”). En estos dispositivos la corriente que circula por el transistor está “cuantizada”, ya que fluye electrón a electrón. Se puede decir que la electrónica ha llegado a una sofisticación increíble, dominando el comportamiento del electrón casi a voluntad. Basándose en el mismo fenómeno, los puntos cuánticos se usan para almacenar información (de ahí que también se le denomine “qubit” palabra que proviene de la expresión ”quantum bit”). Estos qubits actualmente permiten desarrollar la criptografía y la computación cuántica, formando parte de ordenadoras cuánticas, poseedores de una gigantesca capacidad que podremos usar para abordar cálculos ahora inimaginables.

Más allá de la Nano-electrónica

Los componentes tecnológicos del futuro proceden de diversas tecnologías que sin duda alguna se dejarán de fabricar de silicio y se basarán de acuerdo a los elementos que manipulen, tal es el caso de la nanofotónica, espintrónica, biocomputadoras y ciempiés, que son temas para otro artículo.

Deja un comentario


*