Es un mundo pequeño, pequeño, pequeño, pequeño

Las propiedades de los materiales dependen de cómo estén dispuestos sus átomos. Reorganiza los átomos del carbón y obtendrás diamantes. Reorganice los átomos en el suelo, el agua y el aire, y tendrá pasto. Y desde que los humanos fabricaron por primera vez herramientas de piedra y cuchillos de pedernal, hemos estado manipulando átomos en grandes manadas estadísticas estruendosas mediante materiales de fundición, molienda, trituración y astillado. Reorganizamos los átomos en la arena, por ejemplo, agregamos una pizca de impurezas y producimos chips de computadora. Hemos mejorado cada vez más en eso, y podemos hacer más cosas a un costo menor y con mayor precisión que nunca.



Incluso en nuestro trabajo más preciso, movemos átomos en montones masivos y montones desordenados, millones o miles de millones de ellos a la vez. Sin embargo, los análisis teóricos dejan en claro que deberíamos poder reorganizar los átomos y las moléculas uno por uno, con cada átomo en el lugar correcto, de la misma manera que podríamos organizar bloques de Lego para crear un modelo de construcción o una máquina simple. Esta tecnología, a menudo llamada nanotecnología o fabricación molecular, nos permitirá hacer que la mayoría de los productos sean más ligeros, más fuertes, más inteligentes, más baratos, más limpios y más precisos.

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Esta historia fue parte de nuestro número de febrero de 1997





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Las consecuencias serían grandiosas. Para empezar, podríamos continuar la revolución en el hardware de las computadoras hasta los interruptores y cables de tamaño molecular. La capacidad de construir cosas molécula por molécula también nos permitiría fabricar una nueva clase de materiales estructurales que serían más de 50 veces más resistentes que el acero del mismo peso: un Cadillac podría pesar 100 libras; un sofá de tamaño completo se podía levantar con una mano. La capacidad de construir molécula por molécula también podría proporcionarnos instrumentos quirúrgicos de tal precisión y destreza que podrían operar en las células e incluso en las moléculas de las que estamos hechos.

La capacidad de fabricar tales productos probablemente se encuentre en unas pocas décadas. Pero los modelos teóricos y computacionales brindan garantías de que los sistemas de fabricación molecular necesarios para la tarea son posibles, que no violan la ley física existente. Estos modelos también nos dan una idea de cómo sería un sistema de fabricación molecular. Ésta es una base importante: después de todo, la idea básica de un relé eléctrico se conoció en la década de 1820, y el concepto de una computadora mecánica que operaba con un conjunto de instrucciones almacenadas, un programa, se entendió unos años más tarde. Pero las computadoras que usaban relés no se construyeron hasta mucho después porque no existía una buena comprensión teórica de la computación. Hoy en día, los científicos están ideando numerosas herramientas y técnicas que serán necesarias para transformar la nanotecnología de modelos informáticos en realidad. Si bien la mayoría permanece en el ámbito de la teoría, no parece haber una barrera fundamental para su desarrollo.

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Imagine poner algunos cables, transistores y otros componentes electrónicos en una bolsa, agitarla y sacar una radio, completamente ensamblada y lista para funcionar. Aunque esto suena fantástico, un autoensamblaje tan notable es, en esencia, lo que hacen los químicos cada vez que sintetizan materiales. Al mezclar soluciones en un vaso de precipitados, un químico deja que las atracciones y repulsiones intrínsecas de ciertas moléculas y átomos se hagan cargo. Un arte y una ciencia han evolucionado para organizar las condiciones de modo que los átomos se ensamblen espontáneamente en estructuras moleculares particulares.

Del mismo modo, estamos rodeados e inspirados por productos que son maravillosamente complejos y, sin embargo, muy económicos. Las patatas, por ejemplo, constan de decenas de miles de genes y proteínas y una intrincada maquinaria molecular; sin embargo, no pensamos en comernos este milagro de la biología, machacado con un poco de mantequilla. Las papas, junto con muchos otros productos agrícolas, cuestan menos de un dólar la libra. La razón clave: si se le proporciona un poco de tierra, agua, aire y luz solar, una papa puede producir más papas. Del mismo modo, si pudiéramos hacer un dispositivo de fabricación programable de uso general que fuera capaz de hacer copias de sí mismo, lo que los investigadores en nanotecnología llaman ensamblador, entonces los costos de fabricación tanto del dispositivo como de cualquier cosa que fabricase podrían mantenerse bajos.

Un principio básico en el autoensamblaje es la adherencia selectiva. Si dos partes moleculares tienen formas y patrones de carga complementarios, es decir, una tiene un hueco donde la otra tiene una protuberancia, o una tiene una carga positiva donde la otra tiene una carga negativa, entonces tenderán a pegarse de una manera particular. para formar una parte más grande. Esta parte más grande puede combinarse de la misma manera con otras partes de modo que de las piezas moleculares surja un todo complejo.

Sin embargo, el autoensamblaje no es suficiente por sí solo para fabricar la amplia gama de productos que promete la nanotecnología. Si las piezas son indiscriminadamente pegajosas, por ejemplo, agitarlas juntas produciría manchas desordenadas en lugar de máquinas moleculares precisas. Podemos resolver este problema manteniendo las partes moleculares en la posición y orientación adecuadas para que cuando se toquen se unan de la manera que queremos. A escala macroscópica, la idea de que podemos sostener piezas en nuestras manos y ensamblarlas colocándolas correctamente entre sí se remonta a la prehistoria: nos celebramos como la especie que usa herramientas. Pero la idea de sostener y posicionar moléculas es nueva y casi impactante. Deben desarrollarse equivalentes a nanoescala de brazos y manos.



Las propuestas actuales de dispositivos posicionales a escala molecular se asemejan a los dispositivos robóticos de tamaño normal, pero su tamaño es aproximadamente una diez millonésima. Un brazo robótico molecular podría barrer sistemáticamente hacia adelante y hacia atrás, agregando y extrayendo átomos de una superficie para construir cualquier estructura que la computadora le indique. Un brazo así, compuesto por unos pocos millones de átomos, podría tener 100 nanómetros de largo y 30 nanómetros de diámetro. Aunque tendría aproximadamente 100 partes móviles, no utilizaría lubricantes; a esta escala, una molécula de lubricante se parece más a un trozo de arena. Estas herramientas ultraminiatura deberían poder colocar sus puntas dentro de una pequeña fracción de un diámetro atómico. Trillones de tales dispositivos ocuparían poco más que unos pocos milímetros cúbicos (una mota un poco más grande que la cabeza de un alfiler).

Los brazos moleculares serían golpeados por algo de lo que no nos preocupamos a escala macroscópica: el ruido térmico. Los átomos y las moléculas están en un estado constante de contoneo; cuanto más alta sea la temperatura, más vigoroso será el movimiento. Por lo tanto, para mantener su posición, un brazo a nanoescala debe ser extremadamente rígido.

El material más rígido es el diamante. La fuerza y ​​la ligereza de un material depende del número y la fuerza de los enlaces que mantienen unidos sus átomos y de la ligereza de los átomos. El elemento que mejor se ajusta a ambos criterios es el carbono, que es liviano y forma enlaces más fuertes que cualquier otro átomo. El enlace carbono-carbono es especialmente fuerte; cada átomo de carbono puede unirse a cuatro átomos vecinos. En el diamante, entonces, una densa red de enlaces fuertes crea un material fuerte, ligero y rígido. De hecho, así como llamamos a la Edad de Piedra, la Edad del Bronce y la Edad del Acero por los materiales que los humanos podrían hacer, podríamos llamar a la nueva época tecnológica en la que estamos entrando en la Edad del Diamante.

¿Cómo se puede producir un dispositivo de diamante de esta escala? Una respuesta proviene de observar cómo cultivamos diamantes en la actualidad. En un proceso que recuerda un poco a la pintura en aerosol, construimos capa tras capa de diamante manteniendo una superficie en una nube de átomos de hidrógeno reactivos y moléculas de hidrocarburo. Cuando estas moléculas chocan contra la superficie, la cambian, ya sea agregando, eliminando o reorganizando átomos. Al controlar cuidadosamente la presión, la temperatura y la composición exacta del gas en este proceso, llamado deposición química de vapor (CVD), podemos crear condiciones que favorezcan el crecimiento del diamante en la superficie.

Pero bombardear aleatoriamente una superficie con moléculas reactivas no ofrece un control preciso sobre el proceso de crecimiento; es similar a intentar construir un reloj de pulsera con un desintegrador de arena. Queremos que las reacciones químicas ocurran precisamente en los lugares de la superficie que especificamos. Un segundo problema es cómo hacer que la superficie del diamante sea reactiva en los puntos particulares donde queremos agregar otro átomo o molécula. La superficie de un diamante normalmente está cubierta con una capa de átomos de hidrógeno. Sin esta capa, la superficie del diamante en bruto sería altamente reactiva porque estaría tachonada con los enlaces no utilizados (o colgantes) de los átomos de carbono. Si bien la hidrogenación evita reacciones no deseadas, también vuelve inerte toda la superficie, lo que dificulta la adición de carbono (o cualquier otra cosa).

Para superar este problema, podríamos utilizar un conjunto de herramientas a escala molecular que, en una serie de pasos, prepararían la superficie y crearían estructuras en la capa de diamante, átomo por átomo y molécula por molécula. El primer paso en el proceso sería eliminar un átomo de hidrógeno de un lugar específico en la superficie del diamante, dejando un enlace colgante reactivo. Esto se puede hacer con una herramienta de abstracción de hidrógeno, una estructura molecular que tiene una alta afinidad química por el hidrógeno en un extremo, pero es inerte en el resto. La región no reactiva de la herramienta sirve como una especie de asa. La herramienta estaría sostenida por un dispositivo posicional molecular, como el brazo robótico molecular discutido anteriormente, y se movería directamente sobre átomos de hidrógeno particulares en la superficie que deseamos abstraer.

Esto crea el problema del huevo y la gallina: necesitamos un brazo robótico molecular para construir otro brazo robótico molecular. Para resolver este problema, en algún momento debemos construir un brazo robótico molecular con algo más que un brazo robótico molecular. Podríamos, por ejemplo, usar un dispositivo posicional macroscópico, como una versión mejorada de un microscopio de fuerza atómica existente, para hacer nuestro primer brazo robótico molecular. Alternativamente, podríamos autoensamblar un dispositivo posicional molecular simplificado. Estos primeros dispositivos posicionales rudimentarios podrían usarse para fabricar otros mejores.

Una molécula adecuada para una herramienta de abstracción de hidrógeno es el radical acetileno: dos átomos de carbono unidos por triplicado. Un carbono sería el mango y se vincularía a una herramienta de posicionamiento a nanoescala. El otro carbono tiene un enlace colgante donde estaría un átomo de hidrógeno en el acetileno ordinario. El entorno alrededor de la herramienta sería inerte (las propuestas típicas implican el uso de vacío o un gas noble, como criptón o xenón).

Una vez que esta herramienta ha creado un punto reactivo mediante la eliminación selectiva de átomos de hidrógeno de la superficie del diamante, es posible depositar átomos de carbono en los sitios deseados. De esta manera se construye una estructura de diamante, molécula a molécula, según el plan. Una propuesta para esta función es la herramienta de deposición de dímeros. Un dímero es una molécula que consta de dos átomos o moléculas iguales unidos. En este caso, el dímero sería C2: dos átomos de carbono conectados por un triple enlace. En la herramienta de deposición, cada carbono del dímero estaría conectado a una molécula más grande mediante enlaces simples con átomos de oxígeno.

La herramienta de abstracción de hidrógeno y la herramienta de deposición de dímeros funcionarían juntas (vea la ilustración de arriba). Primero, la herramienta de abstracción eliminaría dos átomos de hidrógeno adyacentes de la superficie del diamante. Los dos enlaces colgantes reaccionarían con los extremos del dímero de carbono. Esta reacción rompería los enlaces carbono-oxígeno y luego transferiría el dímero de carbono de la herramienta a la superficie. Debido a que la energía liberada durante la reacción es mucho mayor que el ruido térmico, el dímero golpeará la superficie y permanecerá allí.

Una tercera herramienta propuesta para hacer nanoestructuras es la herramienta de inserción de carbeno. Los carbenos, átomos de carbono altamente reactivos con dos enlaces colgantes, reaccionarán con (y agregarán un átomo de carbono a) muchas estructuras moleculares. Los carbenos se insertan fácilmente en enlaces dobles o triples, como el enlace en el dímero carbono-carbono descrito anteriormente. Un carbeno posicionalmente controlado se podría unir casi en cualquier lugar de una pieza de trabajo molecular en crecimiento, lo que conduciría a la construcción de prácticamente cualquier forma deseada.

Una cuarta propuesta es para una herramienta de deposición de hidrógeno. Cuando la herramienta de abstracción de hidrógeno está destinada a hacer reactiva una estructura inerte mediante la creación de un enlace colgante, la herramienta de deposición de hidrógeno haría lo contrario: convertiría una estructura reactiva en inerte al terminar los enlaces colgantes. Una herramienta de este tipo nos permitiría estabilizar las superficies reactivas y evitaría que los átomos de la superficie se reorganicen de formas inesperadas y no deseadas. El requisito clave para una herramienta de este tipo es que incluya un átomo de hidrógeno débilmente unido. Si bien muchas moléculas se ajustan a esa descripción, el enlace entre el hidrógeno y el estaño es especialmente débil; por tanto, una herramienta de deposición de hidrógeno a base de estaño debería ser eficaz.

Estas cuatro herramientas moleculares deberían permitirnos hacer una amplia gama de estructuras rígidas, pero solo aquellas que están compuestas de hidrógeno y carbono. Este es un objetivo mucho menos ambicioso que intentar utilizar los 100 elementos de la tabla periódica. Pero a cambio de limitarnos a esta clase más limitada de estructuras, hacemos que sea mucho más fácil analizar las que se pueden fabricar y las reacciones sintéticas necesarias para hacerlas. En cualquier caso, esta propuesta más restringida puede investigarse más fácilmente y más a fondo que la nanotecnología completa. Y el diamante y sus variantes inastillables caen dentro de esta categoría, al igual que las hojas de fullerenos de átomos de carbono enrolladas en esferas, tubos y otras formas. Estos materiales pueden componer todas las piezas necesarias para dispositivos mecánicos básicos como puntales, cojinetes, engranajes y brazos robóticos.

En última instancia, nos gustaría agregar otros elementos, para crear dispositivos electrónicos de diamante, por ejemplo, o agregar algo de nitrógeno a la superficie interna de un rodamiento para aliviar la tensión (el enlace carbono-nitrógeno es más largo que el enlace carbono-carbono) . Tales estructuras, compuestas principalmente de carbono e hidrógeno en combinación con nitrógeno, oxígeno, flúor, silicio, fósforo, azufre o cloro, constituyen lo que llamamos la clase de materiales diamondoides.

La edad del diamante

El diamante natural es caro, no podemos fabricarlo en las formas que queremos y se rompe. La nanotecnología nos permitirá fabricar diamantes irrompibles (con una estructura que podría parecerse a las fibras de diamante) de forma económica con las formas que queramos. Esto nos permitiría fabricar un Boeing 747 que pesaría una quincuagésima parte de las versiones actuales sin sacrificar su fuerza. El beneficio de los viajes espaciales también sería dramático. La relación resistencia-peso y el costo de los componentes son fundamentales para el rendimiento y la economía de las naves espaciales: la nanotecnología podría mejorar ambos parámetros en aproximadamente dos órdenes de magnitud.

La nanotecnología también podría alterar radicalmente la economía de la producción de energía. El sol podría proporcionar órdenes de magnitud más de energía de la que la gente usa ahora, y hacerlo de manera más limpia y menos costosa que los combustibles fósiles y los reactores nucleares, si tan solo pudiéramos fabricar células y baterías solares de bajo costo. Ya sabemos cómo hacer células solares eficientes: la nanotecnología podría reducir sus costos y, finalmente, hacer que la energía solar sea económica. En esta aplicación no necesitamos fabricar dispositivos nuevos o técnicamente superiores; Con solo producir de manera económica lo que ya sabemos cómo hacer de manera costosa, moveríamos la energía solar a la corriente principal.

La fabricación de chips de computadora podría sufrir un cambio profundo. Parece haber límites fundamentales en cuanto a cuánto más podemos mejorar la litografía, el proceso mediante el cual ahora se fabrican los chips. En litografía (literalmente, escritura en piedra), dibujamos líneas finas en una oblea de silicio utilizando métodos tomados de la fotografía. Una película sensible a la luz, llamada resistir, se extiende sobre la oblea de silicio. La resistencia se expone a un patrón complejo de luz y oscuridad, como un negativo en una cámara, y se revela. Al repetir este proceso, se puede crear un intrincado conjunto de patrones entrelazados que definen los complejos elementos lógicos de un chip de computadora.

Pero ordenar los átomos lanzando fotones (u otras partículas) a una superficie desde la distancia no parece el mejor enfoque, especialmente si queremos usar tres dimensiones en lugar de solo dos; Imagínese construir un automóvil arrojándole herramientas desde más de una milla de distancia. Por lo tanto, si las mejoras en el hardware de las computadoras van a continuar al ritmo actual, en una década más o menos tendremos que pasar de la litografía a alguna nueva tecnología de fabricación. Ya se han sugerido diseños para elementos lógicos de computadora compuestos por menos de 1,000 átomos, pero cada átomo en un dispositivo tan pequeño tiene que estar exactamente en el lugar correcto. Y rociar productos químicos simplemente no puede organizar los átomos con la precisión necesaria.

Afortunadamente, el diamante es un excelente material electrónico. Supera al silicio en varios aspectos clave. Por un lado, los electrones se mueven más rápido en el diamante que en el silicio. El diamante también puede funcionar mejor que el silicio a altas temperaturas. Esto es importante porque a medida que los chips se vuelven cada vez más rápidos, su rendimiento se ve limitado por la necesidad de disipar el calor que se acumula en los circuitos.

Diamond tiene esta ventaja por dos razones. Primero, el diamante tiene mayor conductividad térmica que el silicio, lo que permite que el calor salga de un transistor de diamante más rápidamente. En segundo lugar, el diamante tiene una banda prohibida más grande que el silicio: 5,5 electronvoltios, a diferencia de los 1,1 electronvoltios del silicio. La banda prohibida es la cantidad mínima de energía requerida para impulsar un electrón desde su estado relativamente inmóvil a la banda de conducción del semiconductor, donde el electrón se mueve libremente bajo la influencia de un voltaje. A medida que aumenta la temperatura, más electrones obtienen la energía necesaria para saltar a la banda de conducción. Cuando demasiados electrones hacen esto, el dispositivo cambia de semiconductor a conductor; el transistor se corta y deja de funcionar. La banda prohibida más alta del diamante significa que se corta a una temperatura más alta.

Con la nanotecnología, deberíamos ser capaces de construir dispositivos de almacenamiento masivo que puedan almacenar más de 100 mil millones de billones de bytes en un volumen del tamaño de un terrón de azúcar, y computadoras masivamente paralelas del mismo tamaño que pueden entregar mil millones de billones de instrucciones por segundo. mil millones de veces más que las computadoras de escritorio actuales.

La disponibilidad de dispositivos a nanoescala también podría redefinir radicalmente la cirugía. En la actualidad, existe un desajuste fundamental entre lo que se necesita para tratar lesiones y las capacidades de nuestras herramientas. La maquinaria celular y molecular en nuestro tejido es pequeña y precisa, sin embargo, los bisturís de hoy son, como lo ve una célula, guadañas toscas que rasgan el tejido, dejando células muertas y mutiladas a su paso. La única razón por la que la cirugía moderna funciona es la notable capacidad de las células para reagruparse, enterrar a sus muertos y curar la herida.

Las herramientas quirúrgicas que son moleculares tanto en tamaño como en precisión deberían permitirnos curar directamente, a nivel molecular y celular, las lesiones que causan enfermedades. Un brazo robótico molecular de menos de 100 nanómetros de largo, por ejemplo, encajaría fácilmente en el sistema circulatorio (un solo glóbulo rojo tiene aproximadamente 8.000 nanómetros de diámetro) e incluso podría meterse dentro de células individuales.

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Una aplicación sería la terapia del cáncer. Podríamos diseñar un pequeño dispositivo capaz de identificar y destruir células cancerosas. El dispositivo, que incorporaría una computadora a nanoescala y varios sitios de unión que están configurados para adaptarse a moléculas específicas, circularía libremente por todo el cuerpo, muestreando periódicamente su entorno al determinar si sus sitios de unión están ocupados. Cuanto más frecuentemente se ocupa un sitio, mayor es la concentración de la molécula para la que se diseñó ese sitio. Un nanodispositivo con una docena de tipos diferentes de sitios de unión podría de esta manera monitorear las concentraciones de una docena de tipos diferentes de moléculas que ocurren normalmente en el cuerpo pero cuyas concentraciones en relación con otras cambian cuando el cáncer está presente. La computadora podría determinar si el perfil de concentraciones se ajusta a un perfil preprogramado y, cuando se encuentra un perfil canceroso, libera un veneno que mata selectivamente las células cancerosas.

Cada dispositivo podría incorporar un sensor de presión a nanoescala que permitiría al asesino del cáncer recibir instrucciones a través de señales ultrasónicas en el rango de megahercios. Al escuchar varias fuentes de señales acústicas macroscópicas, el dispositivo podría determinar su ubicación dentro del cuerpo de la misma manera que un receptor de radio en la tierra puede usar las transmisiones de varios satélites para determinar su posición. El conocimiento de su propia ubicación dentro del cuerpo ayudaría al dispositivo a decidir si está cerca del cáncer. En ausencia de información de ubicación, a veces podría liberar veneno por error en una célula que parecía ser una célula cancerosa. Si el objetivo fuera matar un cáncer de colon, por ejemplo, un asesino de cáncer en el dedo gordo del pie no liberaría su veneno sin importar lo que le dijeran sus sensores de cáncer.

¿Cómo podemos llegar ahí?

Las maravillosas capacidades descritas aquí son, en su mayor parte, teóricas. ¿Cómo pueden hacerse reales? ¿Cómo podemos construir un sistema de fabricación programable de uso general utilizando herramientas altamente reactivas controladas por posición que podrían fabricar de forma económica la mayoría de las estructuras diamondoides?

La magnitud de este desafío no debe subestimarse. Las propuestas actuales para un ensamblador capaz de fabricar estructuras diamondoides involucran cientos de millones o miles de millones de átomos, sin ningún átomo fuera de lugar. Incluso un brazo robótico simple, que podría estar compuesto por solo unos pocos millones de átomos, tendría que ir acompañado de otros componentes. Los brazos robóticos trabajarían en el vacío, por ejemplo, dictando la necesidad de un caparazón alrededor del brazo para mantener ese vacío. Otros dispositivos auxiliares que serán necesarios incluyen receptores acústicos, computadoras, trinquetes accionados por presión y sitios de unión. Si cada operación, como la extracción de hidrógeno o la deposición de carbeno, generalmente maneja uno o unos pocos átomos, entonces la tasa de error debe ser menor de uno entre mil millones.

Aunque tal perfección es teóricamente alcanzable, la tecnología actual no está a la altura de la tarea. Un proceso de síntesis química que los químicos consideran muy bueno convierte el 99 por ciento de los reactivos en el producto deseado. Sin embargo, ese rendimiento del 99 por ciento representa una tasa de error de uno en 100, que es diez millones de veces menos perfecto de lo que deseamos para una nanotecnología madura. La síntesis de proteínas a partir de aminoácidos por los ribosomas tiene una tasa de error de quizás uno en 10.000. El ADN, al depender de una amplia detección y corrección de errores junto con la redundancia incorporada (la molécula tiene dos hebras complementarias), logra una tasa de error de aproximadamente una base en mil millones cuando se replica.

Ninguna tecnología existente puede acercarse a este nivel de rendimiento. Una técnica que puede colocar átomos individuales, por ejemplo, es el microscopio de sonda de barrido (SPM), en el que se lleva una punta afilada a la superficie de una muestra para que se genere una señal que nos permita trazar un mapa de la superficie que se está probando. como una persona ciega que golpea con un bastón para sentir el camino por delante. Algunos SPM literalmente empujan la superficie y notan qué tan fuerte empuja la superficie hacia atrás. Otros conectan la superficie y la sonda a una fuente de voltaje y miden el flujo de corriente cuando la sonda se acerca a la superficie. Se pueden medir muchas otras interacciones sonda-superficie, que se utilizan para fabricar diferentes tipos de SPM.

El SPM no solo puede mapear una superficie, sino que puede cambiarla, depositando átomos y moléculas individuales en un patrón deseado, por ejemplo. En un caso muy publicitado, los científicos colocaron 35 átomos de xenón en una superficie de níquel para formar las letras que identifican a su empleador: IBM. Pero esta manipulación de SPM requirió enfriamiento a 4 grados por encima del cero absoluto, condiciones que no son exactamente las ideales para la fabricación a gran escala. Más recientemente, los científicos de IBM han dispuesto moléculas con precisión a temperatura ambiente sobre una superficie de cobre. Sin embargo, los SPM tienen tasas de error lo suficientemente altas como para utilizar métodos de detección y corrección de errores relativamente sofisticados. Y aunque estos sistemas pueden moverse alrededor de unos pocos átomos o moléculas, no pueden fabricar grandes cantidades de diamante estructurado con precisión del tipo que podría usarse para construir un automóvil o un avión.

Finalmente, las MPE de hoy son demasiado lentas. En la naturaleza, los ribosomas tardan decenas de milisegundos en agregar un solo aminoácido a una proteína en crecimiento. Pero si un ensamblador va a fabricar una copia de sí mismo en aproximadamente un día, y esto requiere algunos cientos de millones de operaciones, entonces cada operación debe tener lugar en una fracción de milisegundo. Un SPM, por el contrario, tarda horas en organizar algunos átomos o moléculas. En lugar de intentar resolver todos estos problemas en un solo salto gigante, podríamos abordarlos de manera más gradual, desarrollando una serie de sistemas intermedios. Un enfoque, por ejemplo, sería eliminar el requisito de que el ensamblador esté hecho de estructuras diamondoides. Diamondoid es atractivo, como hemos visto, debido a su resistencia, rigidez y propiedades eléctricas. Pero un sistema intermedio solo necesita poder hacer un sistema más avanzado, y quizás productos que sean impresionantes en comparación con los productos actuales. No tiene por qué ser diamondoide en sí mismo.

Esto sugiere lo que podría llamarse nanotecnología basada en bloques de construcción. En lugar de construir diamantes, construiremos algún otro material a partir de unidades moleculares relativamente grandes que consisten en decenas, cientos o incluso miles de átomos. Tales bloques de construcción grandes reducen el número de pasos de ensamblaje, por lo que se requieren menos operaciones unitarias y no necesitan ser tan confiables. Los bloques de construcción solubles que se adhieren solo a otros bloques de construcción, no al solvente o bajas concentraciones de contaminantes, eliminan la necesidad de trabajar en vacío.

Al seleccionar estos bloques de construcción, tenemos muchas opciones: cualquiera de las muchas moléculas que los químicos han sintetizado, o podrían sintetizar razonablemente, con las propiedades deseadas. Cada bloque de construcción molecular debe tener al menos tres sitios donde pueda enlazarse con otros bloques de construcción. Las unidades con dos sitios de enlace sugieren que los polímeros son ubicuos en los sistemas biológicos, como el ADN, el ARN y las proteínas. Los bloques de construcción que tienen tres sitios de unión facilitan mucho el diseño de estructuras tridimensionales rígidas.

Dichos bloques de construcción podrían vincularse entre sí mediante cualquiera de una variedad de reacciones químicas bien entendidas. Una posibilidad particularmente atractiva es la reacción de Diels-Alder, en la que se puede hacer reaccionar un dieno (un hidrocarburo con doble enlace carbono-carbono) con una molécula específica.

Respondiendo a los que dudan

¿Qué es un bate de béisbol tapado con corcho?

A pesar de la plausibilidad del desarrollo de la nanotecnología, hay escépticos. Sin embargo, sus críticas están mal informadas. Por ejemplo, el químico David Jones, columnista de Nature, fue citado en Scientific American que la construcción de un ensamblador molecular estaba condenada al fracaso porque los átomos individuales son sorprendentemente móviles y reactivos. Se combinarán instantáneamente con el aire ambiental, el agua, entre sí, el fluido que sostiene a los ensambladores o los propios ensambladores.

Las propuestas que involucran herramientas moleculares reactivas, sin embargo, especifican que el ambiente debe ser inerte, ya sea al vacío o un gas noble; no habría aire ambiental con el que reaccionar. Y debido a que las herramientas moleculares están controladas posicionalmente, no reaccionarán entre sí ni con el ensamblador mismo, por la misma razón por la que un soldador caliente no reacciona con la piel de la persona que lo maneja.

Comúnmente me preguntan cuánto tiempo pasará antes de que podamos fabricar computadoras moleculares, antes de que las células fotovoltaicas económicas traigan energía solar limpia y barata, antes de que las naves espaciales ultraligeras reduzcan drásticamente el costo de la exploración espacial. La respuesta científicamente correcta es: no lo sé. Pero mirar una tecnología que la nanotecnología puede mejorar, la informática, da una perspectiva. Desde relés electromecánicos hasta tubos de vacío, transistores y circuitos integrados, hemos visto disminuciones constantes en el tamaño y el costo de los elementos lógicos y aumentos constantes en su rendimiento durante los últimos 50 años. La extrapolación de estas tendencias sugiere que para que la revolución del hardware informático se mantenga en el cronograma requerirá el desarrollo de la fabricación molecular para 2010 o 2020.

Por supuesto, extrapolar tendencias pasadas es un método filosóficamente discutible de pronóstico tecnológico. Si bien ninguna ley fundamental de la naturaleza nos impide desarrollar la nanotecnología en este programa (o incluso más rápido), tampoco existe ninguna ley que diga que este programa no se deslizará. Sin embargo, mucho peor, tales tendencias implican que hay un calendario ordenado, que la nanotecnología aparecerá inevitablemente independientemente de lo que hagamos o no hagamos. Nada mas lejos de la verdad. El tiempo que lleve desarrollar esta tecnología depende en gran medida de lo que hagamos. Si lo perseguimos sistemáticamente, sucederá antes. Si lo ignoramos, o simplemente esperamos que alguien se tropiece con él, tomará mucho más tiempo. Afortunadamente, al usar enfoques teóricos, computacionales y experimentales juntos, podemos alcanzar la meta de manera más rápida y confiable que usando un solo enfoque por sí solo. Así como Boeing puede diseñar, construir y volar aviones en una computadora antes de fabricarlos en el mundo real, nosotros podemos hacer lo mismo con la fabricación molecular. Podemos eliminar rápidamente la mayoría de las salidas en falso y los callejones sin salida y centrarnos rápidamente en los mejores enfoques.

Al igual que el primer aterrizaje humano en la luna, el proyecto Manhattan o el desarrollo de la computadora moderna, el advenimiento de la fabricación molecular requerirá los esfuerzos coordinados de muchas personas durante muchos años. ¿Cuánto tiempo tardará? Mucho depende de cuando empecemos.

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