Mayo 2015

Nanotecnología: construyendo en el mundo de los átomos

Escrito por  Julián Pulido Rodríguez
Nanotecnología: construyendo en el mundo de los átomos

¿Qué pasaría si pudiéramos reducir nuestro tamaño hasta poder coger los átomos como si fueran balones y fabricáramos herramientas a esa escala? En realidad, eso ya no es una fantasía, sino una realidad con la que cada día obtenemos nuevas aplicaciones.

 ¿Qué es la nanotecnología?

El término nanotecnología fue acuñado por Nomo Taniguchi en 1974. Designa un proceso industrial en el que juega un papel primordial el desarrollo de elementos tecnológicos capaces de ser utilizados en procedimientos en los que importa mucho el tamaño, ya que hablamos de una tecnología a escala celular, con procesos cercanos a la construcción de estructuras átomo a átomo. Pensemos que un nanómetro (nm) es igual a 10-9 metros.

En el nanomundo destacan tres grandes sectores:

  •  Nanoelectrónica: se refiere al desarrollo de este campo a escalas diminutas, especialmente en lo relativo a ordenadores.
  • Nanobiotecnología: combina la ingeniería a nanoescala con la biología, para manipular sistemas vivos o para fabricar materiales de inspiración biológica a nivel molecular.
  • Nanomateriales: con ellos se trata de controlar con toda precisión la morfología de sustancias o partículas a dimensiones nanoescalares para obtener productos nanoestructurados. En estos trabajos se utilizan métodos para medir y manipular estructuras ultrapequeñas, como son, por ejemplo, los microscopios a resolución nanoescalar.

Los primeros estudios en el campo de la nanotecnología aparecieron en 1959, cuando el físico estadounidense Richard Feynman dio una conferencia en la American Physical Society, titulada Hay sitio en lo más bajo. En aquella conferencia, el profesor Feynman descubría a los asistentes los beneficios que podría obtener la humanidad si pudiera manipular la materia para fabricar artefactos del tamaño de unos pocos átomos. Predijo el impacto que podría tener la miniaturización de circuitos para ordenadores, así como la posibilidad de construir máquinas de escala molecular que permitieran la manipulación de moléculas.

Los campos de aplicación de la nanotecnología son diversos, y van desde los procesos que incumben a la medicina hasta la alta tecnología en arquitectura de ordenadores, con prototipos muy compactos y potentes, pasando por la elaboración de materiales de características muy especiales de resistencia.

Colocar las moléculas

Se ha trabajado en sistemas de sensores de reducido tamaño capaces de responder a estímulos, procesarlos y provocar las respuestas requeridas en un entorno de proporciones celulares, con lo que se pueden incorporar en la medicina para suplir la función de glándulas, y en organismos con funciones específicas, así como actuar en procesos de microcirugía con extremada precisión.

Se han probado con éxito nanomotores de tamaño molecular que podrían ser capaces de poder trabajar, por ejemplo, dentro del torrente sanguíneo en aplicaciones quirúrgicas.

La nanotecnología también se ha abierto paso en los métodos de identificación, dispositivos de firma electrónica, pago electrónico, control de accesos, seguridad industrial y particular, tarjetas inteligentes, telefonía y telecomunicaciones, tanto terrestres como espaciales.

Con las tecnologías anteriores con mecanizado normal, se podía trabajar en valores de hasta 1 µm (micrómetro); en tecnología de precisión se alcanzaban 10 nm (nanómetros). Las mejoras en la exactitud han permitido que con la nueva tecnología ultraprecisa se pueda llegar a valores de hasta 1 nm.

En los procesos industriales, la nanotecnología ha servido, entre otras aplicaciones, para conseguir un pulimento de precisión en materiales que evita la quiebra de estos por torsión o presiones críticas.

En microelectrónica ha logrado reducir hasta límites insospechados la creación de mapas de circuitos impresos y de elaboración de transistores y microchips, en los cuales se soporta todo el desarrollo informático de ocio-tecnología de nuestro tiempo. Se han logrado circuitos más pequeños, más rápidos y de menor consumo energético.

En motorización diversa, ha logrado un alto grado de perfección en el pulido de materiales extraduros, como los árboles de levas.

Hoy, la frontera está situada en los límites de la propia tecnología, hasta el punto de que, por ejemplo, en microelectrónica, la medida de fabricación de circuitos sitúa las anchuras de líneas en 300 nm (en los casos de chips Pentium), con aproximadamente 1.5 millones de transistores en cada chip, superados en chips para memoria dinámica DRAM con tecnología que alberga más de 64 millones de transistores, y ya en laboratorio se trabaja con dimensiones de línea de hasta 200 y 100 nm con posibilidades de albergar hasta 1000 millones de bits con otros tantos transistores, ampliando considerablemente la capacidad de cálculo.

La forma de fabricar estas placas, basada en impresión mediante fotolitografía por exposición a radiaciones luminosas o electromagnéticas a través de plantillas o máscaras, es la que plantea la barrera, pero si esta técnica avanza adecuadamente es cuando aparece una nueva frontera, que es la denominada tecnología de abajo arriba.

Tecnología de abajo arriba

Esta técnica ya fue apuntada en la citada conferencia del profesor Feynman, y está basada en la posibilidad de iniciar la construcción de estructuras de tamaño molecular a partir de lo que podríamos considerar los ladrillos de la creación, es decir, átomo a átomo y molécula a molécula. Ha sido popularizada en los últimos años por K. Eric Drexler, del Foresight Institute de Palo Alto (California), quien ha augurado la aparición de estructuras moleculares que trabajarían a modo de robots en miles o millones de unidades programables (nanomáquinas) para crear cualquier objeto, y que incluso, podrían introducirse en el cuerpo humano para detectar y reparar daños en células.

A estas investigaciones está ayudando la nueva tecnología de barrido en los microscopios electrónicos, que permite visualizaciones de escala atómica con la posibilidad, incluso, de provocar movilidad en los átomos mediante la aplicación de impulsos eléctricos.

Algunos químicos han ensamblado 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. Un revolucionario sistema de emulación de una fundición.

También se puede incrementar la dureza de un metal a partir de la reducción del tamaño del grano que configura su estructura de cohesión, logrando una mayor ductilidad y elasticidad del producto sin llegar a quebrar. Por este mismo procedimiento, se logra un polvo ultrafino que resulta muy útil en aplicaciones ópticas.

nanotecnologia 2

Redes de formación

Nanocomp es un proyecto de síntesis a gran escala de nanotubos de carbono y sus materiales compuestos, del que se encarga una asociación de químicos, físicos e ingenieros. Sus objetivos son: síntesis de nanotubos de carbono de paredes múltiples y de pared única, purificación, materiales compuestos para aplicaciones industriales y caracterización.

Nanophase , absorción fotónica a nanoescala y espectroscopia con electrones, forma parte de la red que trabaja en la teoría de las estructuras nanométricas –grupos atómicos, puntos y cables cuánticos y moléculas absorbidas en superficies– y los procesos espectroscópicos disponibles para la caracterización de estas estructuras, de sus propiedades electrónicas y ópticas y de su desarrollo.

Algunas aplicaciones de la nanotecnología son especialmente interesantes. Así por ejemplo, en Texas, en Estados Unidos, donde se consume gran cantidad de energía, existe el proyecto de construir componentes que sean capaces de atrapar cada fotón que les pueda llegar de la luz solar, logrando un aprovechamiento más eficiente. Estos colectores solares podrían estar preparados para atrapar los fotones en unas nanoestructuras de escala menor que la longitud de onda de la luz solar, que es de entre 400 y 1000 nanómetros. Funcionando como un capacitor o condensador, retendría en su interior a los fotones.

Pero también se trabaja en placas solares en el espacio. En la web de la NASA, se puede encontrar un proyecto relativo a las sondas basadas en sistemas autorreproductores. Este plan propone enviar al espacio solamente ciertos robots capacitados para construir en el trayecto el resto del equipamiento necesario para realizar la misión, ahorrando muchas toneladas de peso en el lanzamiento y el traslado, y que incluso sean capaces de aprovechar la materia prima del lugar de aterrizaje para completar su automontaje. La NASA no lo ideó en relación con la nanotecnología, pero los científicos de este área creen que será la única tecnología capaz de superar los problemas que presenta el proyecto, especialmente el de conseguir, reconocer y extraer los materiales necesarios para la construcción. Esta propuesta abre un inmenso campo de investigación que nos pone a las puertas de un gran salto en la conquista del espacio.

Algunas experiencias en el nanomundo

Hay algunos exponentes interesantes en el mundo de la nanotecnología.

Nanocristales sin cables que emiten luz : ingenieros del Los Alamos National Laboratory y del Sandia National Laboratory han colaborado en la creación de un nanodispositivo sin cables que funciona como una luz fluorescente, aunque de forma aún más eficiente. El experimento ha conseguido que sus nanocristales emitan luz al ser colocados cerca de una fuente de energía, sin estar conectados directamente a ella.

Nanocristales con puntas de oro : expertos de la Universidad Hebrea de Jerusalén han desarrollado nanocristales con puntas de oro mediante un prometedor proceso químico, los cuales podrían ser usados de manera altamente eficiente como bloques de construcción en la emergente revolución nanotecnológica.

Mejora en el rendimiento de materiales : añadir una pizca de hierro tiene un sorprendente efecto en el rendimiento de un material clave para el desarrollo de refrigerantes magnéticos. El logro podría acercar un poco más esta prometedora tecnología al mercado, la cual ahorrará energía y dinero a hogares y empresas.

Hornillos en miniatura : ingenieros de la compañía Boston MicroSystems han diseñado y construido un hornillo en miniatura que puede alcanzar 1100 grados centígrados de temperatura, más que en la superficie de Venus. Las microplacas tienen apenas unas pocas docenas de micrones de diámetro, aproximadamente el grosor de un cabello humano.

Nuevos métodos para construir nanoestructuras : científicos del Lawrence Berkeley National Laboratory han encontrado nuevas formas de combinar puntos cuánticos y nanovarillas segmentadas para crear múltiples formas arbóreas, así como métodos que permiten calcular sus propiedades electrónicas.

Nanohilos de nitruro de galio : los científicos están investigando cómo utilizar en nanotecnología el muy apreciado nitruro de galio (GaN), un semiconductor. Investigadores del Berkeley Lab. y de la Universidad de California en Berkeley han conseguido por primera vez controlar la dirección en la cual crece un nanohilo de este material.

Nueva forma de sintetizar puntos cuánticos : un equipo de la Universidad de Buffalo ha inventado un nuevo método para sintetizar puntos cuánticos, nanocristales luminiscentes hechos de material semiconductor. El proceso proporciona un control preciso sobre el tamaño de las partículas, y podría ser útil para el desarrollo de «etiquetas biológicas» y aplicaciones electrónicas.

El primer «automóvil » hecho con una sola molécula: se ha construido el vehículo terrestre más pequeño del mundo, un «nanocoche» de una sola molécula, que consta de chasis, ejes y cuatro ruedas esféricas.

Células solares de nanocristal : podemos imaginar un futuro en el que las azoteas de los edificios residenciales y comerciales puedan recubrirse con baratas películas ultradelgadas de semiconductores de tamaño nanométrico, que convertirán eficazmente la luz del sol en energía eléctrica, y virtualmente satisfarán todas nuestras necesidades de electricidad.

Utilización de nanovarillas de oro en imaginología médica : se ha dado un gran paso hacia el desarrollo de una nueva técnica de obtención de imágenes médicas extremadamente sensible, que opera aplicando un haz de luz láser a través de la piel para detectar diminutas nanovarillas de oro inyectadas en el torrente sanguíneo.

Nanotubos y anticuerpos para detectar cáncer : recubriendo las superficies de nanotubos de carbono con anticuerpos monoclonales, un equipo de investigadores ha detectado células cancerígenas en una diminuta gota de agua. El trabajo busca desarrollar biosensores a base de nanotubos para detectar en la sangre células cancerígenas de un tumor recurrente o de un nuevo cáncer.

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