Nanotecnología: arte de lo posible

En la línea de trabajo de George M. Whitesides, las cosas se miden en nanómetros. Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, y para tener una idea de lo pequeño que es, olvídese de las analogías con el ancho de un cabello humano o la cabeza de un alfiler. La nanoescala no tiene nada que ver con elementos familiares. Debe pensar en un lugar donde los objetos, incluidos los dispositivos en los que trabajan Whitesides y otros, sean solo un poco más grandes que los átomos.



Construir cosas a esa escala se llama nanotecnología. Es un campo en rápido desarrollo con un potencial inmenso; Los dispositivos diminutos podrían revolucionar la informática, el almacenamiento de información, las comunicaciones y cualquier número de áreas imprevistas. Pero también es un área propensa a promesas exageradas, con especulaciones sobre nanomáquinas que es más probable que se encuentren en Star Trek que en un laboratorio.

El gobierno no elegido de la Web

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 1998





  • Ver el resto del número
  • Suscribir

Whitesides, un químico y científico de materiales distinguido, ha estado explorando este mundo tan pequeño durante años. Después de casi 20 años en el MIT, Whitesides se unió al departamento de química de la Universidad de Harvard en 1982. El investigador de Harvard ha proporcionado micro y nanofabricación con algunas de sus técnicas de construcción más útiles. Pero Whitesides también mantiene un control de la realidad bien entrenado en el mundo nano. A pesar de su obvio entusiasmo por el campo, tiene la intención de definir qué es y qué no es posible.

NIÑOS El editor senior David Rotman visitó recientemente a Whitesides, profesor de Química en Mallinckrodt en Harvard, en su oficina de Cambridge para distinguir los hechos de la ciencia ficción en nanotecnología.

TR: Comencemos con una pregunta básica. ¿Qué tan pequeño califica para la nanotecnología?
LADOS BLANCOS: La definición estándar es estructuras funcionales que tienen tamaños de características de menos de 100 nanómetros, pero creo que el número probablemente debería ser de 50 nanómetros o menos.



TR: ¿Por qué la nanotecnología es tan intrigante?
LADOS BLANCOS: Es una extensión de la microtecnología. Y la microtecnología es la base para fabricar componentes de computadora, y eso es algo muy importante. La microtecnología se ha llevado bien durante años con la idea de que hacer las cosas más pequeñas trae beneficios: son menos costosas, obtienes más portabilidad y más rendimiento por dólar. La idea es que, dado que lo más pequeño ha funcionado con la microelectrónica, puede continuar esa tendencia más allá de los tamaños actuales en microelectrónica, y esta contracción lo lleva al mundo llamado nano.

TR: ¿Qué tecnologías específicas podrían surgir de ese trabajo?
LADOS BLANCOS: Un buen ejemplo es el almacenamiento de información. En este momento, el tamaño de un punto en un disco CD es del orden de 10 micrómetros cuadrados. La gente, particularmente la gente de IBM, ha hecho equivalentes de CD que usan hoyos en un disco giratorio, pero los hoyos tienen un tamaño de 50 nanómetros. Podrías conseguir, en algo del tamaño de un reloj de pulsera, el equivalente a unos 1.000 CD. Eso comienza a acercarse a una fracción de la biblioteca de referencia que necesita para su vida. Eso plantea preguntas interesantes: ¿qué sucede cuando puede poner toda la información que necesita para una fracción importante de su vida en su reloj de pulsera, en lugar de tener que aprenderla? Es una de esas ideas que cambia un poco la noción de cómo se debe llevar una vida. Puede tomar esas ideas y extrapolarlas. Pones un sistema de posicionamiento micro o global en tu reloj de pulsera, para que sepas dónde te encuentras. Podrías tener la capacidad de ubicarte, de hacer cálculos, de usar información, de comunicarte.

TR: ¿Dónde estamos en términos de darnos cuenta de algunas de estas cosas?
LADOS BLANCOS: En etapa de prototipos de laboratorio. La gente ha hecho pequeños CD, pero no es algo que pueda usar fuera del laboratorio. Va a ser muy difícil extender los métodos de fabricación que la gente usa ahora para hacer estas pequeñas estructuras a cualquier cosa que sea realmente fabricable, pero sucederá.

TR: ¿Qué tan grande es este desafío?
LADOS BLANCOS: Tenemos una demostración en principio de la microelectrónica de que si puedes hacer las cosas más pequeñas, la gente encontrará muchas cosas interesantes que hacer con ellas. En este momento, podemos hacer cosas pequeñas en laboratorios, pero no sabemos cómo hacer cosas realmente pequeñas en masa en un entorno de fabricación. Y no sabemos cómo usarlos una vez que los hacemos. Hasta que no se resuelva ese problema de fabricación, no sabremos qué cosas se pueden hacer y no sabremos cómo será la tecnología.



reglas del robot isaac asimov

TR: La fotolitografía que utiliza luz ultravioleta para grabar patrones en chips de silicio es la tecnología dominante en la fabricación de microelectrónica a escala micrométrica. Pero, supongo, ¿no cree que tenga mucho futuro en términos de nanotecnología?
LADOS BLANCOS: La fotolitografía ha tenido mucho éxito. Hemos tenido una carrera maravillosa con esta tecnología, y hay muchas razones para pensar que esto continuará por un tiempo. Pero ahora comienzas a retroceder un poco y dices, bueno, es difícil ir por debajo de los 100 nanómetros y no puedes construir cosas en 3-D. Realmente no funciona para muchos materiales además del silicio y cosas así. Nos gustaría hacer las cosas pequeñas para que sean rápidas, baratas y portátiles y no consuman energía. ¿Como hacemos eso?

TR: ¿Cuáles son algunas de las alternativas?
LADOS BLANCOS: Uno son los haces de electrones, cuya encarnación es el bisturí. [Scalpel es un sistema desarrollado en los Bell Labs de Lucent Technologies que utiliza haces de electrones para modelar obleas de silicio]. Otro competidor es la litografía de rayos X [este proceso utiliza rayos X para modelar obleas]. Ambos tienen muchos problemas técnicos muy difíciles, que suponemos se resolverán más o menos, pero si son realmente lo suficientemente baratos es otra cuestión. Y luego están apareciendo nuevas tecnologías que son, creo, legítimamente disparos, como la litografía que usa átomos neutros o haces de iones. Es, en este momento, una auténtica carrera de caballos en cuanto a qué tecnologías se utilizarán en nanotecnología. Pero esto es solo el principio.

TR: ¿Son las limitaciones de la fotolitografía lo suficientemente fundamentales como para impulsar un área de tecnología completamente nueva para la fabricación de microelectrónica?
LADOS BLANCOS: Ellos pueden ser. La fotolitografía se está volviendo muy complicada y muy cara. Para las fábricas de nueva generación [instalaciones de fabricación para fabricar chips semiconductores] que se están planificando ahora para los años pasados ​​2000, el costo de capital por fábrica se estima en $ 3 mil millones a $ 10 mil millones. Si desea un retorno de la inversión del 20 por ciento y pone $ 10 mil millones, ¿cuántos microdetectores tiene que vender cada año durante los pocos años en que ese fabuloso es el estado del arte? La respuesta es mucho. Y a la gente que tiene que aportar el dinero no le gusta eso.

TR: Por lo tanto, sigue siendo una pregunta cómo se harán cosas muy pequeñas. ¿Cuáles son algunas de las otras incógnitas sobre el futuro de la nanotecnología?
LADOS BLANCOS: Existe el problema de que los dispositivos, cuando se llega al tamaño real de nanoescala, ya no funcionan como se esperaba según las extrapolaciones de los dispositivos existentes. Obtiene opiniones algo diferentes sobre hasta qué punto se puede extrapolar la tecnología existente. Mi conjetura es que se pueden tomar sistemas existentes y extrapolarlos a algún lugar en la región de 50 a 100 nanómetros. A medida que comienza a acercar cables, transistores y otros componentes, comienzan a comunicarse entre sí y esta diafonía se convierte en un problema muy serio. Las propiedades de los materiales básicos utilizados, silicio dopado, también se vuelven difíciles de controlar.

TR: Más allá de reducir cada vez más la microelectrónica, se ha hablado mucho sobre el uso de la nanotecnología para otros tipos de aplicaciones mecánicas.

LADOS BLANCOS: Hay muchas cosas que van desde ser potencialmente reales hasta cosas que son ciencia ficción. Existe la idea de máquinas autónomas muy pequeñas que nadan en el torrente sanguíneo o algo así. No veo forma de darme cuenta de eso. La razón es que, además de los problemas para construirlos, existen horrendos problemas con el poder en cualquier sistema autónomo. Tendrá que haber una invención realmente profunda antes de que alguien descubra cómo alimentar pequeños sistemas autónomos. Tenemos ejemplos de sistemas energizados: por ejemplo, células vivas u orgánulos en la célula. Pero la celda no es en realidad un objeto pequeño. Las células de los mamíferos miden aproximadamente 25 micrómetros de ancho e incluso las células bacterianas miden de 1 a 3 micrómetros. Los virus, que son mucho más pequeños, no funcionan. Entonces, el poder es una cuestión fundamental. La fricción en pequeños sistemas en movimiento es un segundo. La fabricación es un tercero.

TR: ¿Crees que se han sobrevalorado algunas de estas aplicaciones?
LADOS BLANCOS: Lo que Eric Drexler [K. Eric Drexler es investigador en el Instituto de Fabricación Molecular en Palo Alto, California; su libro Engines of Creation ayudó a popularizar la nanotecnología] y otros lo hacen es construir una serie de ideas basadas en hacer más pequeñas las cosas existentes. Dicen que si tienes un Rotorooter grande, ¿por qué no tener un Rotorooter diminuto?

TR: Pero es claramente el caso en el que solo porque son más pequeños ...
LADOS BLANCOS: No son necesariamente mejores. Más pequeño no es necesariamente siempre mejor.

TR: Y no siempre funcionan como una copia más pequeña.
LADOS BLANCOS: Correcto. No solo no son necesariamente mejores, especialmente si son más costosos, sino que también pueden no funcionar con los mismos principios. Lo que significa que para estructuras realmente pequeñas, probablemente tendríamos que inventar nuevas arquitecturas y nuevas formas de pensar sobre el problema, para poder lidiar con las peculiaridades de estas pequeñas máquinas. Y, por supuesto, una de las preguntas interesantes es, ¿dónde valdrá la pena el esfuerzo para hacer máquinas que sean realmente muy pequeñas?

TR: Si tuviéramos esta conversación dentro de cinco o diez años, ¿alguna conjetura de qué estaríamos hablando?
LADOS BLANCOS: Creo que podríamos estar teniendo una conversación ligeramente diferente. Uno que trata menos sobre cómo la nanotecnología ha cambiado el mundo y más sobre cómo la microtecnología económica lo ha cambiado. En este momento, nos reservamos el mundo de las estructuras de fabricación de microfabricación entre varios cientos de nanómetros y un par de micrones [un micrón es un micrómetro, una millonésima parte de un metro] - para microprocesadores electrónicos y sistemas informáticos. Es una pregunta muy legítima preguntar qué sucede cuando se extienden muchas cosas que ahora se hacen en escalas de centímetros y milímetros a la escala micrométrica, y ¿qué nuevas funciones obtienen?

la tierra más cercana como planetas

TR: ¿Qué tienes en mente?
LADOS BLANCOS: Una frase que utilizo es tecnología de escala micrométrica con la economía del papel de periódico. Por ejemplo, en lugar de comprar un periódico, podría comprar una hoja de papel; la parte posterior sería una batería, la parte frontal sería una pantalla. Lo lees, te desplazas para encontrar obras de referencia en él, ves ilustraciones animadas y, cuando terminas, lo tiras a la basura. Una de las cosas de las que podríamos estar hablando en 10 años es cómo la electrónica a escala micrométrica que utiliza nuevas tecnologías se ha infiltrado en todo tipo de cosas. Creo que casi todo (zapatos, ventanas, juguetes para niños, etiquetas de comestibles, etiquetas de envío, tarjetas de crédito) tendrá aparatos electrónicos en unos pocos años.

TR: A menudo mencionas la biología y los sistemas naturales. ¿Qué te dice la biología sobre la nanotecnología?
LADOS BLANCOS: La biología fabrica todo tipo de pequeñas estructuras muy funcionales. Drexler habla de motores pequeños; tenemos un excelente ejemplo de un pequeño motor en biología, que es el motor flagelar en las bacterias. Este motor realmente funciona muy bien, y en realidad se parece mucho a un motor. ¿Podemos aprender a usar estas cosas biológicas de alguna manera apropiada en nuestros dispositivos, o comprender mejor los principios de la biología y luego aprender a integrar estos principios en sistemas no biológicos? Otro ejemplo son los sensores. Mucho de lo que se hace en cualquier sistema biológico es la detección. La retina, la nariz, todo esto depende de moléculas que son sensores a nanoescala. ¿Cómo podemos utilizar estas ideas para construir narices y ojos artificiales?

TR: ¿La biología le dice algo sobre los desafíos que se avecinan?
LADOS BLANCOS: Estamos compuestos por un conjunto jerárquico de estructuras y componentes. Tenemos moléculas a nivel de nanoescala recolectadas en orgánulos, que son de 10 nanómetros a tal vez 100 nanómetros, recolectadas y trabajando colectivamente en células, que luego se agregan en tejidos que se convierten en nosotros. Uno de los problemas en electrónica es que trabajamos solo en dos escalas. Transistores y colecciones de transistores, y ese es el dispositivo. Pero para aprovechar al máximo la tecnología nano, tendremos que pensar en esa jerarquía completa de niveles de estructura.

TR: ¿Cuáles son algunas de las lecciones más importantes que le ha enseñado su investigación en nanotecnología?
LADOS BLANCOS: Una es la noción de que la función suele ser jerárquica y priorizada. Las moléculas hacen cierto tipo de cosas, los objetos de 10 nanómetros hacen ciertos tipos de cosas diferentes, los objetos de 100 nanómetros hacen otras cosas diferentes. Para una funcionalidad compleja, uno tiene que aprender a construir desde piezas pequeñas hasta objetos grandes aprovechando las capacidades únicas de cada uno. El segundo es que hay fenómenos que dependen del tamaño. Una de las cosas que uno hace a cualquier escala es buscar la conmensurabilidad entre el fenómeno que está mirando y el objeto. Siempre que veas que el fenómeno y las estructuras tienen tamaños similares, hay cosas interesantes que puedes hacer. La tercera cosa es que para la escala nanométrica en particular, no hay un depósito más rico de ideas y estrategias interesantes que la biología.

esconder

Tecnologías Reales

Categoría

Sin Categorizar

Tecnología

Biotecnología

Política De Tecnología

Cambio Climático

Humanos Y Tecnología

Silicon Valley

Informática

Revista Mit News

Inteligencia Artificial

Espacio

Ciudades Inteligentes

Blockchain

Artículo De Fondo

Perfil De Exalumnos

Conexión De Exalumnos

Característica De Noticias Del Mit

1865

Mi Vista

77 Mass Ave

Conoce Al Autor

Perfiles De Generosidad

Visto En El Campus

Cartas De Exalumnos

Función De Noticias Del Mit

Cadena De Bloques

Perfil De Ex Alumnos

77 Avenida De Masas

Política Tecnológica

Perfiles En Generosidad

Noticias

Revista De Noticias Del Mit

Elecciones 2020

Con Índice

Bajo La Cúpula

Manguera

Historias Infinitas

Proyecto De Tecnología Pandémica

Del Presidente

Artículo De Portada

Galería De Fotos

Recomendado