Alambres de maravilla

Fue el tipo de descubrimiento que solo ocurre en química una vez cada pocas décadas, si tienes mucha suerte. En 1985, Richard E. Smalley y varios colaboradores de la Universidad de Rice fabricaron una forma de carbono nunca antes vista. La disposición de los átomos de carbono en cada molécula se asemejaba a una pequeña cúpula geodésica, por lo que los investigadores llamaron al material buckminsterfullereno en honor al arquitecto que popularizó la forma. Con su red de átomos perfectamente estructurada, la bola de bucky se convirtió rápidamente en la molécula de cartel de la nanotecnología. Luego, a principios de la década de 1990, los investigadores hicieron otro descubrimiento sorprendente: también se podían hacer tubos huecos con la misma estructura de carbono. Los nanotubos de carbono tenían muchas veces la resistencia del acero, la conductividad eléctrica del cobre y tenían el diámetro de una molécula de ADN. Eran, en resumen, materiales perfectos para construir y cablear el mundo nano.



Más de una década después de su descubrimiento inicial, el entusiasmo de Smalley por los nuevos materiales no muestra signos de disminuir. El año pasado cofundó una empresa, Carbon Nanotechnologies, para fabricar cantidades comerciales de nanotubos que permitirán a otros laboratorios impulsar la tecnología y desarrollar aplicaciones. Pero su continuo entusiasmo por los fullerenos (como se conoce a la categoría general de estas moléculas basadas en carbono) va mucho más allá de la anticipación de los usos tecnológicos futuros. Formado como espectroscopista, Smalley, profesor de química en Rice desde 1976, está fascinado por las moléculas mismas. Al aceptar el Premio Nobel de Química de 1996 por la investigación de los fullerenos, Smalley calificó el descubrimiento como una de las experiencias más espirituales que cualquiera de nosotros en el equipo original de [investigadores] haya experimentado.

¿El fin del Alzheimer?

Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 2001





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El Centro de ciencia y tecnología a nanoescala de $ 33 millones, que Smalley estableció en 1995 y ahora dirige, se encuentra en el límite del campus de Rice en Houston como testimonio del potencial de los fullerenos. El número de grupos de investigación en el centro de nanotecnología está creciendo tan rápido que el propio laboratorio de Smalley se ha trasladado al tercer piso del Centro de Ciencias Espaciales de Rice. El editor adjunto de Technology Review, David Rotman, visitó recientemente Smalley para preguntar sobre el futuro de la nanotecnología y escuchar por qué el ganador del Premio Nobel cree que los nanotubos son tan especiales.

TR: ¿Cómo ha afectado al campo de la nanotecnología el aumento de la atención y la financiación, como la iniciativa nanotecnológica de 495 millones de dólares del presidente Clinton para 2001?

SMALLEY: Que el presidente hable de ello ha envalentonado a los científicos y tecnólogos a comenzar a incluir nano en sus propuestas. Saben cuál es la nueva palabra de moda. Pero lo más impresionante para mí ha sido cómo esta idea se ha apoderado de los que hacen ciencia. Y no tengo la sensación de que sea una postura artificial. Las disciplinas centrales de la química y la física se han entusiasmado con esta idea. Parte de eso ha sido una respuesta a la financiación. Pero creo que realmente hay una apreciación general de que realmente hay algo aquí. La química y la física han avanzado hasta el punto en que se puede pensar y, en algunos casos, construir y realizar experimentos con [nano] estructuras de complejidad suficiente para que suceda algo nuevo.



TR: ¿Existe el peligro de que, como muchas otras palabras de moda, la nanotecnología comience a perder su significado real?

SMALLEY: Me gusta la palabra nanotecnología. Me gusta porque el prefijo nano garantiza que será ciencia fundamental durante décadas; la tecnología dice que es ingeniería, algo en lo que estás involucrado no solo porque estás interesado en cómo funciona la naturaleza, sino porque producirá algo que tiene un impacto amplio. Cuando juntas esas dos cosas en una palabra, hay tensión. A medida que nuestras disciplinas, en particular la química y la física, han madurado, ahora nos ocupamos de cosas en un nivel muy fundamental que tienen una importancia práctica.

TR: Cuando miras los diferentes trabajos que se están realizando en nanotecnología, ¿qué es lo que más te emociona?

SMALLEY: Debo admitir que estoy obsesionado con los nanotubos de carbono. Es difícil para mí pasar más de 10 minutos sin hablar de ellos. Creo que son lo mejor que hay y creo que tendrán el mayor impacto probable. Pero si me aparto de eso por un momento, creo que la investigación en lo que llamo la interfaz húmedo / seco es intelectualmente más intrigante para mí. Puede ser que dentro de 20 años sea ahí donde miremos hacia atrás y digamos que hemos logrado grandes avances. Lo que yo llamo el lado húmedo de la nanotecnología es la maquinaria de la vida celular. A medida que aprendamos a conectar esta maquinaria natural con estructuras y sistemas inorgánicos y electromecánicos diseñados a escala nanométrica (el lado seco de la nanotecnología), se abrirán nuevas y enormes fronteras tanto en la ciencia fundamental como en la tecnología práctica.



Habiendo dicho eso, puedo volver y decir que los nanotubos serán tremendamente importantes para la interfaz húmedo / seco porque aportan algo nuevo al juego. Las moléculas orgánicas [moléculas que contienen carbono que son la base de los seres vivos] son ​​magníficamente versátiles, pero hay algunas cosas que no pueden hacer bien. De hecho, hay algunas cosas que los sistemas biológicos aún no han podido descifrar, incluso después de más de cuatro mil millones de años. Una cosa es conducir la electricidad como lo hacen los metales. Otros son la conducción térmica y la resistencia y tenacidad. Los huesos son muy impresionantes, al igual que los dientes. Pero no son de acero, y mucho menos lo que los nanotubos pueden hacer con resistencia y conductividad. Entonces, ser capaz de tomar un nanotubo de carbono y llevarlo al reino de la biología molecular, ya sea que esté realmente disuelto y sea uno de los jugadores, o como una sonda, o como parte de un implante, como parte de una nueva membrana, es realmente trayendo algo nuevo a la mesa en biología. Casi una cosa extraña.

TR: Algo extraño porque ...

SMALLEY: Porque conduce la electricidad. Aporta esas propiedades que no puedes obtener de otras moléculas orgánicas. Y sigue siendo carbono, por lo que tiene química orgánica. Aquí hay un objeto que tiene, en un grado superlativo, los aspectos que consideramos más centrales para el mundo inorgánico: dureza, tenacidad, tremenda resistencia, conductividad térmica y eléctrica. Cosas que simplemente no puedes hacer con hueso y madera. Pero está hecho de carbono. Es algo que juega el juego al mismo nivel de perfección que las moléculas y la vida.

Hay electricidad en los sistemas biológicos, pero se debe a los iones que se mueven a través de las membranas. Los nervios funcionan por conducción eléctrica; las anguilas eléctricas ciertamente tienen electricidad. Pero ese tipo de electricidad es diferente a la que funciona en los cables y las casas, alrededor de las computadoras y hace que funcionen las radios. No es el tipo de electricidad que tiene que ver con electrones que se mueven de manera coherente a lo largo de largas distancias con poca pérdida. Esa es la propiedad de los metales, de los compuestos inorgánicos.

TR: ¿Y ahora los nanotubos podrían llevar este tipo de electricidad a los sistemas biológicos?

SMALLEY: Si. Aportan a la biología molecular, a las cosas que chocan en la noche dentro de una celda, un nuevo juguete para jugar, algo que conduce la electricidad.

TR: ¿Cuáles serán los juguetes nuevos?

SMALLEY: Estén atentos para el próximo milenio y ya veremos. Podría dar algunos ejemplos, pero parecerían bastante vulgares y ad hoc. Hasta que agregue algo como esto a la mezcla, no hay forma de que la increíble maquinaria de las células vivas pueda construir algo que pueda conducir electricidad con la eficiencia de los metales. Aquí tenemos una molécula [orgánica] que puede hacer eso. No creo que nadie sea lo suficientemente inteligente como para predecir las vastas implicaciones de eso. Pero Dios sabe cuántos años pasarán antes de que los nanotubos formen parte de las células vivas. Antes de eso, podemos usar nanotubos como sondas en las células, como sondas para detectar la estructura de las moléculas, para secuenciar el ADN. Estos son maravillosos cables nuevos para hacer eso.

TR: ¿En qué proyectos están trabajando usted y su grupo ahora?

SMALLEY: El mayor enfoque es la fabricación de nanotubos. De eso se trata inicialmente esta empresa, de abrir el grifo para que los investigadores de todo el mundo tengan acceso a los tubos de la mejor calidad que podamos fabricar en grandes cantidades a bajo costo. Queremos que los nanotubos estén disponibles a un costo lo suficientemente bajo como para dejar volar su imaginación. Estos tubos vienen en tres tipos: metales [excelentes conductores eléctricos] y dos tipos de semiconductores. Quiero producirlos con una eficiencia lo suficientemente alta como para poder entregar un kilogramo de un tubo en particular.

NIÑOS : Entonces, está buscando hacer que los nanotubos estén más disponibles. Otros grupos miran a los nanotubos estrictamente desde el punto de vista de las aplicaciones. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones interesantes en las que están trabajando?

SMALLEY: En el plazo más cercano, parece que una aplicación estará en pantallas [de pantalla plana]. Varias empresas ya tienen prototipos de pantallas que utilizan nanotubos. No me sorprenderá si ve pantallas que utilizan nanotubos en el mercado dentro de unos años.

Otra área que será rápida es la de aditivos en plásticos de ingeniería [utilizados en aplicaciones estructurales o de alta tecnología como carcasas de computadoras]. Puede dar lugar a un comportamiento antiestático incluso a niveles muy, muy bajos de nanotubos, y blindaje para EMI [interferencia electromagnética: dicho blindaje se usa para proteger computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos portátiles] a niveles muy moderados. A diferencia de cualquier otra cosa que agregue a los polímeros para hacerlos antiestáticos o para blindaje EMI, esto probablemente aumentará la tenacidad y resistencia de los plásticos de ingeniería. Además, espero que dentro de unos años encontrará puntas de nanotubos disponibles comercialmente en sondas de microscopios de fuerza atómica. Espero que el uso en dispositivos de nanotecnología en general prospere en los próximos cinco años.

Lo que nos gustaría ver es que el negocio se desarrolle de manera que haya incentivos económicos para construir un gran proceso [de fabricación] y bajar el precio. En este momento, el costo de los nanotubos es de unos 500 dólares el gramo. Calcula los números. Eso es casi $ 230,000 la libra. Con el tiempo, estas cosas se fabricarán como un producto a granel cercano a los $ 10 la libra o incluso por debajo de eso. Pero tendrá que construir una planta y el mercado tiene que estar ahí fuera. El ritmo al que se desarrolla el negocio depende en gran medida de estos primeros mercados.

TR: ¿La esperanza es que a medida que obtenga más y mejores materiales, las aplicaciones se abran?

SMALLEY: Así es. Y el próximo año será un verdadero hito porque nuestro proceso entregará a la comunidad de investigación un mínimo de 10 kilogramos. La producción total de nanotubos de pared simple de cualquier calidad hasta este momento probablemente ha sido menos de un kilogramo.

TR: Por supuesto, ninguna de esas aplicaciones a corto plazo cumple realmente la enorme promesa de los nanotubos, ¿verdad? ¿Como actuar como conductor eléctrico en un entorno biológico?

SMALLEY: Y de lo que estaba hablando antes era solo sobre la interfaz húmedo / seco. Luego vuelves al lado seco. Hay una franja lunática del mundo de los nanotubos de la que aún no hemos hablado. Durante el próximo año habrá en mi laboratorio, y sospecho que en muchos alrededor del mundo, un gran impulso para desarrollar medios de hilar fibras continuas -fibras macroscópicas- de nanotubos con un alto grado de orientación [los nanotubos se alinearían como si fueran crudos espaguetis en una caja]. Creo que será un éxito y será algo especial.

En una dirección, los nanotubos son la maldita cosa más fuerte que jamás hayas fabricado en el universo y son excelentes conductores eléctricos; en la otra dirección [perpendicular], son flexibles y la conductividad eléctrica es bastante pobre. Entonces, en materiales en los que desea conducción eléctrica, se preocupa por qué tan bien están alineados los nanotubos. Creo que será posible hacer fibras continuas de nanotubos en un proceso de hilado eficiente que tendrá todos los tubos alineados. Yo no llamaría a eso la franja de los lunáticos; Creo que va a suceder. Pero ahora hablemos del extremo realmente lunático. ¿Y si estas fibras hiladas fueran, en lugar de un micrómetro de largo, un kilómetro de largo?

TR: En teoría, ¿podrías fabricar fibras de nanotubos de un kilómetro de largo?

SMALLEY: En teoría, puedes convertirlos en Alpha Centauri. ¿Cuál sería la fuerza de una fibra larga? Tendrías la maldita cosa más fuerte jamás hecha en el universo. ¿Podemos hacer eso alguna vez? ¿Y de qué serviría? Si pudiera hacerlo de forma económica y con una longitud continua, podría hacer el puente colgante más largo del que haya oído hablar, los ascensores en el espacio. Pero los buckycables también serían excelentes conductores de electricidad. Es el reemplazo lógico para todos los cables de transmisión de energía del mundo. Eso está en la franja de los lunáticos, pero puedo decir eso porque soy un defensor de eso.

TR: Como saben, ha habido un esfuerzo creciente para usar moléculas orgánicas como pequeños interruptores en dispositivos nanoelectrónicos ( ver Computación molecular , TR mayo / junio de 2000 ). ¿Qué papel espera que jueguen los nanotubos en la electrónica molecular?

SMALLEY: A largo plazo, parece que deben figurar, porque son nano y conducen la electricidad. Si entrarán o no en los dispositivos nanoelectrónicos en la próxima década, no creo que nadie sea lo suficientemente inteligente como para saberlo. De hecho, nadie es lo suficientemente inteligente como para saber si habrá algún dispositivo nanoelectrónico en la próxima década. Pero la mayoría de la gente está de acuerdo en que si tuviera que elegir el conductor eléctrico en nanoelectrónica, eventualmente será un nanotubo. Tendremos que estar atentos para ver qué tan rápido sucede.

TR: Por ahora, incluso algo tan simple como colocar un nanotubo donde lo desee sigue siendo un desafío, ¿no es así?

que puedo hacer

SMALLEY: Realmente somos niños, ni siquiera niños, bebés, al comprender cómo funcionan los nanotubos.

TR: Aún así, estaba pensando en lo rápido que se ha movido el campo de la nanotecnología. Cuando te entrevisté hace unos años, hablamos mucho sobre el bombo publicitario que rodea a la nanotecnología. Ahora, con la participación de científicos cada vez más serios, parece haber ido más allá de eso.

SMALLEY: Ese fue el factor clave, la participación de científicos serios que están muy lejos de los nanobots [los robots a nanoescala figuran en muchas visiones especulativas de la nanotecnología]. Aún no hemos completado la tarea de des-nanobotonar el campo. Pero el punto principal es que la nanotecnología es tan importante que no queremos que se asocie solo con nanobots. Si alguna vez pueden suceder o no es otro tema, pero la nanotecnología tiene una realidad mucho más amplia y, en cierto modo, mucho más interesante.

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