¿Se pondrá de pie la verdadera nanotecnología?

El gran salón de baile del Boston Marriott se había llenado con una multitud de varios miles de científicos de materiales que solo estaban de pie, ansiosos por escuchar la charla plenaria vespertina de Richard Smalley sobre nuevos dispositivos y materiales de carbono. Luego, en una sala de reuniones casi vacía en el hotel, el químico de la Universidad Rice parece cansado y agotado mientras responde preguntas. Entonces, de repente, se revitaliza; se inclina hacia adelante y se concentra intensamente. La conversación ha girado hacia uno de sus temas favoritos: cómo la nanotecnología ayudará a salvar el mundo.



Hay aproximadamente 6 mil millones de personas en la Tierra, señala Smalley en esta noche de noviembre, y la investigación dirigida a producir materiales mejores, más baratos y más eficientes será una clave para alimentar y albergar a esa población a medida que se eleva hacia un eventual estado estable de 10 mil millones. o más. Pero los límites de cuán fuerte, conductor e intrincado puede ser un material se establecen en la escala nanométrica, dice. El sueño, dice Smalley, es construir con ese nivel de delicadeza, para hacerlo perfecto hasta el último átomo. Esta capacidad, sostiene, traería baterías más pequeñas y eficientes, materiales más fuertes y componentes electrónicos mucho más mejorados y más baratos.

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Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 1999





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Estos no son desvaríos del último futurista de moda. Smalley es uno de los químicos más respetados del país, premio Nobel de Química en 1996 y director de un nuevo Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala de $ 33 millones en Rice. Tampoco está solo. Un número creciente de investigadores comparte la convicción de Smalley de que controlar la estructura de los materiales hasta unos pocos átomos o moléculas tendrá un impacto inmenso en todo, desde la informática hasta la medicina. La capacidad de manipular la materia un átomo a la vez ha sido materia de ciencia ficción durante años. Pero el reciente desarrollo de herramientas de alta tecnología, especialmente sondas lo suficientemente sensibles para captar imágenes y mover átomos y moléculas individuales, ha comenzado a convertir estas fantasías en una realidad científica.

Durante el año pasado, dos grupos de investigadores han fabricado de forma independiente un transistor a partir de una sola molécula de carbono. Los científicos han construido prototipos de dispositivos de almacenamiento de información con bits de datos de hasta 50 nanómetros de diámetro. Otros investigadores han creado recientemente una molécula que gira, actuando como una nano rueda, así como un ábaco rudimentario con moléculas individuales que actúan como perlas deslizantes.

Estas son, sin duda, novedades de laboratorio. Y, en verdad, nadie sabe realmente qué resultará de la ciencia emergente. Por un lado, si bien los científicos pueden fabricar concienzudamente nanodispositivos uno a la vez en el laboratorio, aún deben encontrar una forma rápida y comercialmente factible de fabricar millones de ellos. También carecen de métodos fiables para integrar componentes a nanoescala. Pero estos primeros pasos proporcionan evidencia convincente de que es posible construir nanodispositivos que funcionen, y han comenzado a generar una esperanza considerable (junto con una buena cantidad de publicidad) de que el sueño de Smalley de construir nuevos materiales con precisión molecular se hará realidad.



Guerras territoriales

lo que ha puesto este sueño a nuestro alcance es la nueva capacidad de los investigadores para visualizar y manipular átomos individuales. A principios de la década de 1980, los físicos de IBM Research en Zurich inventaron el microscopio de túnel de barrido (STM), que hizo posible por primera vez capturar imágenes directas de la materia a escala atómica. Este fue el descubrimiento que abrió el nanomundo. Basándose en el STM y un instrumento estrechamente relacionado llamado microscopio de fuerza atómica (AFM), los científicos ahora pueden empujar directamente átomos y moléculas y empujarlos a su lugar.

Hay dos formas de manipulación atómica. Una implica manipulación física para deslizar átomos sobre una superficie metálica para formar estructuras bidimensionales. El otro enfoque intenta fabricar estructuras estables con resolución atómica rompiendo y formando enlaces químicos, utilizando los fuertes campos eléctricos generados por el propio aparato STM.

Estas son aún exóticas investigaciones de laboratorio. Pero para aquellos en laboratorios de investigación corporativos y universitarios, el desarrollo de estas nuevas y poderosas herramientas significa que pueden volverse loco en la obtención de imágenes y la manipulación de estructuras físicas completamente nuevas, según Donald Eigler, físico del Centro de Investigación IBM Almaden en San José, El grupo de Calif. Eigler está, por ejemplo, estudiando el magnetismo de varios átomos encaramados en una superficie. Si bien el trabajo con STM podría eventualmente conducir a avances en la computación y el almacenamiento de datos magnéticos, Eigler no se basa solo en aplicaciones prácticas. Lo que más me emociona, dice, es cuando veo un aspecto de la naturaleza que no se ha visto antes. Este es césped nuevo.



Los límites de este nuevo territorio todavía se están trazando en un debate a veces polémico. La mayoría de los científicos físicos informan que el nanoespacio es un lugar misterioso que opera de acuerdo con sus propias reglas. E incluso investigadores como Smalley, que creen que el trabajo eventualmente dará como resultado beneficios significativos para la sociedad, señalan que apenas están comenzando a comprender la física de los muy pequeños y a aprender a controlar el comportamiento en este ámbito.

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Algunos, sin embargo, sostienen que lo tienen todo resuelto. Durante casi dos décadas, K. Eric Drexler, presidente del Foresight Institute, con sede en Palo Alto, California, un grupo sin fines de lucro que tiene como objetivo promover la nanotecnología, ha estado describiendo con detalles precisos cómo funcionará la nanofabricación y cambiará el mundo. Drexler imagina nanorobots autorreplicantes que empujan mecánicamente átomos y moléculas juntos para construir una amplia gama de materiales esenciales. Un gran número de estos nanorobots trabajando juntos supliría las necesidades de materiales del mundo casi sin costo, esencialmente eliminando el hambre y acabando con la contaminación de las fábricas convencionales.

Es una visión utópica que pocos investigadores que realizan experimentos en la nanoescala han comprado. Pero, como era de esperar, tiene un gran atractivo para muchos otros. Esta noción de nanotecnología ha cobrado vida propia. Y para una amplia audiencia de entusiastas de la tecnología, así como para algunos en los medios de comunicación, se ha convertido en la versión más conocida del sueño de la nanotecnología.

Ese, según algunos científicos, es exactamente el problema. Las ideas de Drexler pueden haber ayudado a crear un entusiasmo temprano por la nanotecnología, pero después de años de escuchar grandiosas especulaciones sobre un nuevo y valiente nanomundo, los investigadores dicen que es hora de dejar que la ciencia supere las fantasías. No ha habido verificación experimental para ninguna de las ideas de Drexler, dice Mark Reed, investigador de nanoelectrónica y director del departamento de ingeniería eléctrica de la Universidad de Yale. Ahora estamos comenzando a realizar mediciones y demostraciones reales a esa escala para obtener una visión realista de lo que se puede fabricar y cómo funcionan las cosas. Es hora de que se levante la verdadera nanotecnología.

Algunos argumentan que el advenimiento de la nanotecnología práctica ya está aquí. Es un comienzo modesto. Los científicos aún no están construyendo dispositivos electrónicos prácticos a partir de átomos o moléculas individuales, y definitivamente no hay nanorobots alrededor. Pero Richard Siegel, un científico de materiales del Instituto Politécnico Rensselaer que encabezó un informe patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencias el año pasado sobre nanotecnología, dice que la síntesis controlada de materiales a escala nanométrica ya ha comenzado. El informe también concluyó que una carrera mundial para explotar nanomateriales y construir nanodispositivos está en marcha, liderada por numerosos grupos de investigación universitarios y grandes laboratorios industriales como IBM Research, Motorola y NEC Fundamental Research de Japón.

Por ahora, estos materiales se fabrican principalmente mediante métodos tradicionales de síntesis química, pero Siegel dice que la disponibilidad de herramientas para la obtención de imágenes atómicas ha comenzado a permitir a los científicos crear nanoestructuras selectivas. Siegel apunta, por ejemplo, al desarrollo de materiales nanocristalinos utilizados en los dispositivos de magnetorresistencia gigante (GMR) que en los últimos años han acelerado drásticamente el ritmo de mejora en el almacenamiento de información. La tecnología GMR se basa en múltiples capas de películas delgadas, algunas de solo unos pocos átomos de espesor; la capa precisa de estas películas delgadas a nivel molecular es responsable de la alta sensibilidad del dispositivo. Siegel sostiene que el enorme impacto de la nanotecnología vendrá en la nanoelectrónica. Los nanocristales utilizados en GMR, sugiere, son solo la punta de ese iceberg.

Para aquellos que fabrican dispositivos del tamaño de un micrómetro (ahora común en electrónica y óptica avanzadas), la colisión con la nanoescala se acerca rápidamente. El campo en expansión de MEM (máquinas microelectromecánicas), que está desarrollando máquinas diminutas para actuar como todo, desde micrófonos hasta cohetes en miniatura, también choca contra el nanomundo y rutinariamente produce piezas de trabajo tan pequeñas como unos pocos cientos de nanómetros.

Para los puristas, sin embargo, deben pensar más pequeño, mucho más pequeño, antes de ingresar al verdadero nanomundo. Para estos químicos y físicos, es por debajo de los 50 nanómetros donde comienza la diversión. En esta nueva arena, fuerzas como la gravedad que gobiernan el mundo cotidiano pierden rápidamente sus significados familiares. La intuición física falla estrepitosamente en el nanomundo. Tienes que desechar tus nociones preconcebidas, dice Reed. Ves todo tipo de efectos inusuales. Por un lado, los electrones pueden ir a lugares que, según la física clásica, no pueden estar. En algunos casos, dice Reed, es como lanzar una pelota de tenis a la puerta de un garaje y hacer que la pelota salga por el otro lado.

Aquí es también donde la electrónica de hoy basada en silicio comienza a fallar. En la nanoescala, los transistores convencionales pierden electrones como tamices, y los átomos dopantes insertados en el silicio para controlar sus propiedades se comportan como rocas enormes e incómodas. Sin embargo, si la nanoescala plantea obstáculos agudos para las tecnologías electrónicas convencionales, también abre nuevas posibilidades notables que pueden hacer que la electrónica actual se parezca al Modelo T.
Si los dispositivos electrónicos pudieran reducirse al tamaño de moléculas individuales, entonces el juego se alteraría por completo. La electrónica molecular fue propuesta en la década de 1970 por Mark Ratner, que ahora está en la Universidad Northwestern, y Ari Aviram de IBM. Durante años siguió siendo una idea tentadora mucho más allá de las habilidades de los experimentadores. Pero durante los últimos dos años, investigadores de vanguardia han comenzado a fabricar cables y componentes reales a partir de moléculas individuales. Y ahora han comenzado a fabricar dispositivos rudimentarios que realmente funcionan.

En Yale, Reed y sus compañeros de trabajo, por ejemplo, hicieron un diodo a partir de varias moléculas orgánicas individuales. El diodo simple, que tiene varios nanómetros de largo, está lejos de ser un dispositivo práctico, dice Reed. Pero, agrega, es un primer paso alentador para fabricar transistores y dispositivos lógicos a esa escala.

Nanonoodles

Una clave de los avances en la electrónica molecular podría ser una molécula exótica llamada nanotubo de carbono. Esta notable estructura de carbono, descubierta por investigadores del NEC de Japón en 1991, es un pariente químico cercano del buckyball, una nueva forma de carbono descubierta por Smalley en 1985. Pero mientras que el buckyball es una molécula con forma de balón de fútbol de 60 átomos de carbono, los nanotubos son tubos largos de una hoja de grafito enrollada. Son conductores de electricidad y se han convertido en cables de solo unos pocos nanómetros de diámetro.

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Los nanotubos son, tanto literal como metafóricamente, un túnel entre los mundos nano y macroscópico. Estas estructuras hacen posible una fibra larga que tiene solo unos pocos átomos de ancho. En un nivel práctico, dice Smalley, las baterías podrían usar nanotubos tanto para transportar electrones entre átomos como para transportar una carga a centímetros de distancia. Su gran virtud es que son moleculares, dice Smalley. Cada nanotubo, dice, es una entidad que tiene su propio comportamiento e integridad. Eso significa que puede empujar las moléculas de carbono individuales, como diminutos nanólogos.

En realidad, un nanotubo actúa un poco más como espagueti cocido, dice Phaedon Avouris, gerente del grupo de ciencia y tecnología a escala nanométrica de IBM Research en Yorktown Heights, Nueva York.Cada nanotubo se adhiere a una superficie y esta adhesión es lo suficientemente fuerte como para mantener cualquier forma. empújelo hacia adentro. La adhesión también proporciona un buen contacto eléctrico entre el nanotubo y los electrodos metálicos.

Más recientemente, Avouris y sus compañeros de trabajo han maniobrado uno de estos nanonoodles para unir un par de electrodos y empujar las moléculas en anillos y letras. Los científicos de IBM también han fabricado un transistor de efecto de campo funcional, un dispositivo electrónico básico, a temperatura ambiente a partir de un solo nanotubo.

El desarrollo exitoso de la electrónica molecular significaría que un solo chip podría contener miles de millones de transistores a nanoescala, lo que haría que una computadora fuera mucho más poderosa que las máquinas actuales. También podría significar la construcción de computadoras pequeñas y baratas que alberguen millones de nano-transistores; Estas computadoras del tamaño de un grano de sal podrían incorporarse fácil y económicamente en decenas de otros productos, incluso en materiales inteligentes.

La nanotecnología también podría hacer posibles dispositivos de almacenamiento de información con una capacidad inmensa. Los investigadores de IBM Research en Zúrich, dirigidos por los físicos Gerd Binnig y Peter Vettiger, están construyendo un prototipo micromecánico que utiliza pequeñas puntas de silicio para leer y escribir bits de datos de menos de 50 nanómetros de ancho. Eso se traduciría en discos duros con capacidades de almacenamiento de cerca de un billón de bytes (terabytes), un par de órdenes de magnitud más grandes que los discos duros de las PC de primera línea de hoy. También podría significar productos pequeños, del tamaño de un reloj de pulsera, por ejemplo, que tienen una inmensa capacidad de almacenamiento.

En sus experimentos, Binnig y sus compañeros de trabajo usan la punta AFM para leer nanobits de información en una superficie de polímero. Sin embargo, usar una sola sugerencia significaría un proceso demasiado lento para ser práctico. Por lo tanto, Binnig ha cableado matrices de más de 1000 puntas AFM que actúan en paralelo. Las matrices pueden escribir información rápidamente perforando pequeños divots en el sustrato y leer los nanobits detectando las depresiones.
Mientras tanto, los colegas de Binnig en IBM Zurich han utilizado el STM para producir nanoobjetos aún más pequeños con la precisión de un reloj. James Gimzewski, un químico de IBM, ha construido un ábaco exquisitamente pequeño. Gimzewski usó la punta STM como dedo para mover las cuentas del ábaco, que son buckybolas con diámetros de menos de 1 nanómetro.

El último invento de Gimzewski es una rueda construida a partir de una molécula en forma de hélice que gira sobre una estructura diminuta con forma de cojinete. Gimzewski dice que, si bien la molécula en rotación sugiere posibles nanomáquinas futuras, la investigación sigue siendo embrionaria. En este punto, dice, si puedes hacer que algo funcione en el nanomundo, no te preocupes por su practicidad. Recién estamos comenzando. Es como niños jugando con Legos.
El trabajo de Zurich refleja una creencia profundamente arraigada y fuertemente suiza en la mecánica. El físico Binnig dice: Se ha pasado por alto la mecánica porque la electrónica tiene tanto éxito. Se considera anticuado. Su dispositivo de almacenamiento de información, sin embargo, funciona más o menos como una pequeña aguja de fonógrafo.

A medida que explora el nanomundo, dice, los dispositivos mecánicos se convierten en una alternativa atractiva a la electrónica.
Binnig dice que el enfoque mecánico puede extenderse mucho más allá del almacenamiento de datos y que todo lo que puede hacer electrónicamente, lo puede hacer mecánicamente. La electrónica es particularmente buena para guiar la energía por caminos precisos hacia un lugar bien definido. Pero, dice, la nanomecánica tiene la ventaja de trabajar con un consumo de energía muy bajo. Mientras que un dispositivo nanoelectrónico 3-D se derretiría inmediatamente por su propio calor, dice Binnig, podría imaginarse un dispositivo nanomecánico 3-D que funcionaría frío. Es más, los dispositivos mecánicos pueden resultar más fáciles de integrar que los electrónicos con sistemas biológicos, ópticos y químicos.

Entra en el bombo

es en algún lugar por aquí donde la ciencia comienza a mezclarse con la ciencia ficción. Si puedes hacer una nano rueda, ¿por qué no un nanoengranaje? ¿Un nanobarco autopropulsado? ¿Por qué no construir un nanorobot para que se mueva por los átomos?

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Y ya que estás en ello, ¿por qué no crear nanorobots que puedan replicarse a sí mismos, lo que hace posible dotar de personal a nanofábricas capaces de unir casi cualquier cosa a partir de los componentes básicos de los átomos? Bienvenido a la fabricación molecular, como lo predica el nanoevangelista Drexler. En el centro de la visión drexleriana hay un artilugio llamado ensamblador. Este aparato robótico hipotético funcionaría colocando mecánicamente átomos en prácticamente cualquier configuración. Si la química entre los átomos no toma, el ensamblador aplicaría una pequeña fuerza mecánica (Drexler y sus seguidores la llaman mecanoquímica). Consiga que miles de millones de estos ensambladores funcionen en paralelo para organizar todos los átomos de la manera correcta, bueno, entonces, puede construir casi cualquier cosa que pueda imaginar.

Solo hay un problema: pocos químicos, físicos o científicos de materiales ven alguna evidencia de que esto sea posible. Muchos creyentes en la visión drexleriana son científicos informáticos que se deleitan en simular cómo funcionará todo. Producen elegantes modelos moleculares de nanoengranajes y bombas, pero no ofrecen un plan claro sobre cómo construir realmente tales cosas.

Los defensores de la fabricación molecular no se dejan disuadir por el escepticismo de sus colegas más convencionales, aunque reconocen que su visión tardará décadas en realizarse. Los cálculos teóricos y el modelado informático dicen que se puede hacer, insiste Ralph Merkle, científico informático del Xerox Palo Alto Research Center y director, con Drexler, del Foresight Institute. En particular, Merkle defiende las dos propuestas clave que han atraído más fuego de otros científicos: la sugerencia de ensambladores autorreplicantes y el control posicional de átomos y moléculas para hacer mecanoquímica.

En la autorreplicación, una computadora molecular dirigiría la construcción de un brazo nanorobótico para construir otra computadora; esta segunda computadora dirige la construcción de otra computadora diminuta, y así sucesivamente. La autorreplicación es un concepto que se ha estado dando vueltas en la informática durante años, dice Merkle, y lógicamente debería funcionar. La idea del control posicional requiere que los brazos robóticos coloquen con precisión átomos y moléculas de manera que se unan, formando lo que quieras. Mientras no viole ninguna ley física, dice Merkle, este enfoque mecánico de la química tiene sentido.

Pero los críticos de Drexler señalan que la química es un proceso muy complejo a nivel molecular. Jugar al juego de la química, dice Smalley, significa controlar átomos en tres dimensiones. En cada sitio de reacción, los átomos sienten la influencia de una docena de átomos vecinos; para hacer mecanoquímica, necesitaría controlar el movimiento de cada uno. Para un nanorobot, sería un acto de malabarismo inconcebiblemente complicado. Otros investigadores muy respetados simplemente descartan las ideas de Drexler. Dice Eigler de IBM: No ha tenido ninguna influencia en lo que sucede en la nanociencia. Basándome en lo poco que he visto, las ideas de Drexler son nociones de nanotecnología que no son muy significativas.

Líneas de montaje

en cualquier caso, antes de que los investigadores se preocupen por construir nanofábricas, necesitan encontrar una forma práctica de producir en masa cualquier dispositivo a nanoescala. Algunos esperan hacer que varias formas exóticas de litografía (la litografía óptica es la tecnología estándar utilizada para grabar patrones en chips de silicio) funcionen por debajo de los 100 nanómetros. Pero cualquiera puede adivinar qué tan pequeños y rápidos podrían llegar a ser los métodos litográficos (ver Chips Go Nano, p. 55). Del mismo modo, empujar las moléculas una a la vez usando un STM es una forma extremadamente lenta y difícil de hacer cualquier cosa. Es más, una vez que haya terminado, todavía tiene un solo objeto muy pequeño. Construir un solo chip de computadora, un átomo a la vez, utilizando la tecnología STM actual, llevaría, según una estimación, 1.000 años.

Una solución es conectar las puntas STM o AFM en una matriz que funcione en paralelo, una línea de ensamblaje nanomecánica que podría atraer a Henry Ford. Esta es la estrategia que está tomando Binnig de IBM en su dispositivo de almacenamiento de información. Y aunque cablear estos pequeños arreglos y convertirlos en un dispositivo funcional es una tarea ardua, la investigación preliminar en IBM Zurich y varios otros laboratorios sugiere que podría funcionar.

Pero muchos creen que la respuesta a más largo plazo radica en un proceso llamado autoensamblaje. A diferencia del plan de construcción drexleriano que utiliza nanorobots autorreplicantes para mover los átomos, el autoensamblaje se basa en la química para colocar las piezas de una estructura a nanoescala, aprovechando la capacidad de ciertas moléculas para organizarse en estructuras complejas. En términos químicos, el autoensamblaje funciona porque las moléculas buscan el mínimo termodinámico de la estructura que se desea. Piense en ello como una casa prefabricada que se construye a sí misma utilizando la química.

Pero hasta ahora, los químicos y los científicos de materiales han aprendido a construir solo las estructuras más simples. La hazaña de ensamblar características específicas en los materiales y combinar diferentes materiales sigue siendo un desafío abrumador.

La solución a ese problema podría determinar qué nanodispositivos son prácticos y cuánto tardan en llegar al mercado. Para la mayoría de las aplicaciones, necesitaría fabricar e integrar miles de millones de nanoobjetos. Y para competir en áreas como la tecnología de la información, tendrá que hacerlo a un precio muy bajo. Eso, dicen muchos científicos, requerirá la destreza de síntesis de la química. No espere que nadie llegue al punto en el que agrega ingredientes en un vaso de precipitados y hace estallar un circuito integrado, dice Reed de Yale. Sin embargo, la esperanza es que el autoensamblaje eventualmente pueda colocar dispositivos nanoelectrónicos donde los desee, dice Reed.
Eso llevará tiempo. Pero hay indicios alentadores de que este enfoque funcionará. El autoensamblaje es, en cierto sentido, donde la química y la ciencia de los materiales, las artes de construir cosas reales, se encuentran con la física de la nanoescala. La física ha proporcionado a los científicos los medios para manipular nanoobjetos y comprender el funcionamiento del nanomundo, y ahora los investigadores están buscando en la química y la ciencia de los materiales los próximos avances que ayudarán a convertir todo este trabajo en una tecnología práctica.

Nadie sabe realmente de dónde vendrán esos avances, o incluso si vendrán. Pero, a medida que crece la ciencia del nano-mundo, la forma de las posibilidades reales está comenzando a emerger de la nano-niebla.

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