UNAM
18 de diciembre de 2014
II
II
¿Cómo ves?
Inicio » Número » Índice 50 » Nanomundo: la importancia de lo pequeño
imprimirpdfmenosmas

Nanomundo: la importancia de lo pequeño
Imagen: James Hedberg

Nanomundo: la importancia de lo pequeño

Julia Tagüeña y Antonio del Río

"La mujer, cuanto más pequeña más fermosa" dice el poeta castellano Juan Ruiz, mejor conocido como Arcipreste de Hita, en su libro del Buen Amor, de mediados del siglo XV. Esta aseveración es un asunto del gusto del poeta y de la época. En nuestros días las modelos, consideradas ejemplos de belleza femenina, suelen ser muy altas. Sin embargo, en ciencia la importancia de lo pequeño es mucho más que una simple cuestión de gustos.

En diciembre de 1959 el famoso físico y premio Nobel Richard Feynman impartió una conferencia a la American Physical Society que resultó profética. El nombre de su intervención era "Hay mucho espacio allá abajo" (There is plenty room at the bottom) y abordaba el tema de la manipulación de las cosas a escala muy pequeña. Feynman señalaba que no hay nada en las leyes de la física que impida construir estructuras colocando átomo por átomo, en una forma específica. La analogía de este proceso está dada en la naturaleza; todos los seres vivos se construyen "átomo por átomo" siguiendo las instrucciones del ADN correspondiente. "La biología —dijo entonces Feynman— no es simplemente escribir información; es hacer algo con ella. Un sistema biológico puede ser extremadamente pequeño. Muchas de estas células son muy chiquitas, pero están muy activas; fabrican diversas sustancias, andan por ahí, se contonean, y hacen toda clase de cosas maravillosas, todo en una escala muy pequeña. Además almacenan información. Consideren la posibilidad de que también nosotros podamos construir una cosa muy pequeña y que ésta haga lo que queramos, que podamos fabricar un objeto que maniobre en ese nivel".

Feynman enfatizó que las estructuras pequeñas deben presentar propiedades y fenómenos muy diferentes a los cotidianos, porque no hay que olvidar que todo lo que sucede en el mundo de lo pequeño pertenece al reino de la mecánica cuántica (véase recuadro); en ese mundo nuestra intuición y experiencia de lo macroscópico no funcionan.

Para ilustrar lo que significaría un cambio de escala, en su conferencia Feynman planteó como ejemplo lo que sería escribir toda la Enciclopedia Británica (24 tomos) en la cabeza de un alfiler. Para hacerlo habría que reducir la escritura 25 000 veces, es decir, llegar al tamaño de unos 32 átomos. Además, tendríamos que ser capaces de leer esas letras de 1/25 000 del tamaño que tienen ahora.

Pasaron muchos años sin que los planteamientos de Feynman fueran realidades. Para poder escribir y leer letras del tamaño que este científico propuso, faltaba desarrollar una tecnología nueva: microscopios con una enorme capacidad de amplificación (véase recuadro) que detectaran átomos y además pudieran manipular esos átomos.

Unos 15 años después de la plática de Feynman, el científico japonés Norio Taniguchi introdujo el término "nanotecnología". Recordemos que la tecnología es la actividad humana que genera herramientas o procesos a través de transformar los conocimientos científicos en aplicaciones para el desarrollo económico de una sociedad. En cuanto a "nano", es sinónimo de enano y viene del latín nanus, que significa pequeñez excesiva. Nano aparece como prefijo en las unidades métricas para referirse a la milmillonésima parte de la unidad respectiva (milésima parte de un millonésimo, 10-9). Un átomo mide la décima parte de un nanómetro y para que tengamos una idea de lo que esto significa, pensemos en las siguientes analogías: si un átomo fuera del tamaño de una pequeña canica, una molécula compleja sería como del tamaño de uno de nuestros puños. Los átomos son 10 000 veces más pequeños que una bacteria, y una bacteria es 10 000 veces más pequeña que un mosquito. Así, "nanotecnología" hace referencia al trabajo que se realiza en el rango de 0.1 a 100 nanómetros (un pelo humano tiene 10 000 nanómetros de ancho).

Las células son muy chiquitas, pero están muy activas; fabrican diversas sustancias, andan por ahí, se contonean, y hacen toda clase de cosas maravillosas, todo en una escala muy pequeña. Además almacenan información. Consideren la posibilidad de que también nosotros podamos construir una cosa muy pequeña y que ésta haga lo que queramos.

Richard Feyman

En 1989, investigadores de la IBM asombraron al mundo colocando 35 átomos del elemento xenón sobre una superficie de níquel para copiar en nanoescala el logotipo de su compañía. Por primera vez la humanidad colocaba átomos a su gusto.

El interés por la nanotecnología se retomó en 1992, cuando Eric Drexler presentó un documento de nueve páginas sobre la nanotecnología molecular al senado de los Estados Unidos, que entonces parecía muy extravagante. Ese documento fue la clave para que al iniciar este milenio el gobierno de ese país hiciera una fuerte inversión en la "Iniciativa Nacional de Nanotecnología", que para 2003 podría alcanzar los 700 millones de dólares.

En su libro La nanotecnología: el surgimiento de las máquinas de la creación (Editorial Gedisa, Barcelona, 1993), Drexler describe cómo construir moléculas manipulando átomos por medio de máquinas tan pequeñas como los átomos mismos, imitando a las estructuras vivas que tienen integradas sus instrucciones y "máquinas" de crecimiento. En la actualidad, Drexler es el director del Foresight Institute, una organización educativa sin fines de lucro, desde donde continúa el análisis de problemas de política científica de esta nueva tecnología (www.foresight.org).

La mecánica cuántica

La teoría de la mecánica cuántica, uno de los grandes triunfos de la física del siglo XX, es la descripción del comportamiento de la luz y la materia cuando se estudia en la escala atómica. En esa escala, las cosas se comportan de una manera totalmente distinta a la de nuestra experiencia cotidiana. De pronto se comportan como partículas, de pronto como ondas. Newton pensaba que la luz estaba hecha de partículas, después se probó que es una onda electromagnética. Y más tarde, a principios del siglo pasado, se descubrió que la luz a veces es una partícula (el fotón) y otras una onda. Lo mismo pasó con el electrón, que se pensaba que era una partícula y luego una onda, y después ninguna de las dos. El consuelo es que la luz es equivalente en comportamiento al electrón y podemos hablar de los objetos atómicos como "onda partícula". Otro principio fundamental de la mecánica cuántica es el de incertidumbre, que impide conocer con precisión la posición y la velocidad de un objeto simultáneamente. Ya que estos comportamientos son tan poco usuales, nos parecen muy misteriosos y no es de extrañar que no tengamos la intuición para anticipar lo que pasa en el mundo de lo muy pequeño. La mecánica cuántica nos obliga a desarrollar el pensamiento abstracto y a aceptar fenómenos que van totalmente en contra de lo que nos indica nuestra experiencia. Sin embargo, por raro que nos parezca, toda la vida moderna, con transistores, láseres, circuitos electrónicos y computadoras, está basada en la tecnología cuántica. Un muy buen libro introductorio sobre este tema es Cuentos cuánticos de Sergio de Régules (ADN editores, México, 2000).

El mundo nanométrico

Muchos de nosotros hemos sido testigos en los últimos años de la miniaturización de los componentes de objetos electrónicos, como teléfonos celulares o computadoras portátiles. En la microelectrónica se ha reducido enormemente el tamaño, pero un transistor, por ejemplo, sigue teniendo millones de átomos y podemos verlo sin necesidad de un microscopio. La nanotecnología, en cambio, maneja átomos individuales, que no podemos ver. Los microcircuitos electrónicos se miden en micrómetros, esto es, millonésimas de metro. Las nanoestructuras se miden en nanómetros, una unidad mil veces menor.

En la nanotecnología ya se están construyendo nanocircuitos y nanomáquinas que cambiarán nuestro mundo de una manera que apenas vislumbramos. Por ejemplo, un nanorobot podría entrar al cuerpo humano a destruir células cancerosas y un nanocircuito podría ser el componente principal de un audífono insertado en el oído humano.

La capacidad de manipular átomos a voluntad es la base de la nanotecnología y esta habilidad se ha desarrollado increíblemente en la última década. Un ejemplo natural de lo que pasa cuando se colocan los mismos átomos en forma diferente es el del grafito y el diamante. Ambos están compuestos por átomos de carbono, pero la colocación de estos átomos es muy distinta. En el caso del diamante los átomos forman estructuras tetraedrales, mientras que en el grafito los átomos se encuentran colocados en las esquinas de hexágonos y forman capas laminares. El diamante es transparente y muy duro, el grafito es negro y suave.

Como ya se mencionó, en los seres vivos hay muchos ejemplos de la importancia del nanomundo. Las proteínas funcionan como nanomáquinas en las células vivas. Son máquinas moleculares con relativamente pocos átomos, que construyen a su vez otras moléculas. Los ingenieros genéticos han aprendido este camino y cultivan bacterias específicas para hacer proteínas al gusto.

moléculas en la nanotecnología más que ciencia, parece ciencia ficción. La posibilidad de construir estructuras diminutas de unos cuantos átomos empieza a modificar desde las computadoras hasta la atención a la salud. Se calcula que en la próxima década habrá un salto de la macro a la nanoescala y los gobiernos de diversos países establecen planes para apropiarse de esta nueva revolución tecnológica. Las grandes compañías ya invierten grandes cantidades de dinero y tiempo en nanotecnología, pero hay espacio para iniciativas más modestas. Muchas universidades están dedicando un gran esfuerzo al estudio de las pequeñas estructuras del tamaño de nanómetros con propiedades espectaculares. En México hay diversos grupos dedicados a ello y se habla de crear una red nacional en esta línea de investigación. En la sección "Entra en materia" de esta revista encontrarás una lista de las páginas en Internet de grupos mexicanos que estudian el nanomundo. Claro que las universidades son sobre todo generadoras de conocimiento y para enfrentar este reto con éxito se requiere que el gobierno y la industria mexicanos cumplan un programa para fomentar la nanociencia y la nanotecnología. Conceptualmente, el mayor desafío es entender lo pequeño para modificarlo.

Los microscopios: nanomanipuladores

En esta visita breve al nanomundo hemos dado ejemplos de estructuras muy pequeñas, pero seguramente te habrás preguntado cómo podemos verlas. Junto con el entendimiento de los fenómenos y de las posibles aplicaciones del nanomundo se han desarrollado equipos que permiten observar y construir estas nanoestructuras. Así, ahora tenemos microscopios mucho más poderosos que los ópticos originales, como son los electrónicos de barrido, de tunelaje o de fuerza atómica, entre otros muchos equipos que permiten dar un vistazo al nanomundo. Estas nuevas herramientas han sido creadas con la técnica que se muestra en el primer esquema, donde tenemos una punta de prueba sujeta a un brazo. Este brazo puede ser acercado por un tornillo a la muestra que contiene las estructuras nanométricas que deseamos observar.

La muestra se coloca sobre un soporte controlado con una computadora para poder hacer movimientos muy finos, mientras la punta "barre" la superficie del material a estudiar. En la parte superior existe un sensor de movimiento o de alguna cantidad como corriente eléctrica o fuerza. El tipo de sensor determina el tipo de microscopio de que se trate: electrónico de barrido, de tunelaje o de fuerza atómica. Un ejemplo de sensor se puede ver en el segundo esquema, donde ahora sobre el brazo incide un láser. Este láser amplifica los movimientos nanométricos del brazo, que se mueve sobre la superficie a observar, y un detector de luz ubica la posición del láser reflejado; con ello se infiere la forma de la superficie de la nanoestructura. Este tipo de microscopio de fuerza atómica funciona de manera semejante a cuando pasamos nuestros dedos sobre una superficie rugosa; lo que sentimos nos permite dar una descripción de las estructuras que estamos tocando.

La tecnología del nuevo milenio

Hay dos caminos para construir nanoestructuras. En uno se va de nuestra escala a la escala atómica, quitando átomos hasta llegar al tamaño deseado, por ejemplo para hacer silicio poroso a partir de una oblea de silicio (véase recuadro "Nanoestructuras en Temixco"). El silicio, elemento muy abundante en las arenas de nuestro planeta, ha sido el principal protagonista de la revolución electrónica del siglo XX: es el componente fundamental de transistores y chips de computadoras, y al parecer también tendrá un importante papel en la nanotecnología. Fue una sorpresa descubrir que como nanoestructura el silicio poroso es luminiscente, lo que abre nuevas posibilidades de aplicación de este material en el campo de la óptica.

En el otro camino, se construyen nanoestructuras a partir de la escala atómica. Un ejemplo son los nanotubos de carbono, estructuras 20 veces más resistentes que el acero, y excelentes conductores del calor y la electricidad. Estos nanotubos son redes hexagonales, tipo grafito, y curvadas, de aproximadamente 200 átomos de carbono; tienen de 30 a 80 nanómetros de diámetro y longitudes de 250 nanómetros. Recordemos que el grafito es un material suave, pero los nanotubos obtenidos al curvar una lámina de grafito, como si se doblara una hoja de papel para hacer un cilindro, resultan muy duros. Los nanotubos de carbono son, por cierto, uno de los temas que se investigan en México (www.ipicyt.edu.mx).

Los nanotubos podrían utilizarse como sensores en el monitoreo ambiental de la calidad del aire, ya que con ellos es posible identificar ciertas moléculas gaseosas. Otra aplicación es como nanodispositivos electrónicos, por ejemplo puntas para microscopios de tunelaje (véase recuadro de microscopios).

El láser fue probablemente uno de los avances más importantes del siglo XX, pero su impacto puede llegar aún más lejos en lo que se refiere a nanotecnología. La habilidad de producir manojos de nanoalambres muy densos, muy compactos, abre muchas posibles aplicaciones de láseres ultradelgados. Estos láseres son mil veces más delgados que un cabello humano y se producen a partir de un manojo de nanoalambres de óxido de zinc de 20 a 150 nanómetros de diámetro y unas 10 micras de longitud (una micra es la millonésima parte de un metro). La luz de este tipo de láseres es de color azul o violeta y también pueden emitir en el ultravioleta.

Las celdas solares, que convierten la energía solar en eléctrica, son otro campo en el que se esperan grandes cambios. La combinación de plásticos electrónicos (plásticos que conducen electricidad) y nanotecnología ha posibilitado una nueva generación de celdas solares. Nanobastones de selenuro de cadmio, con diámetros de siete nanómetros y longitudes de apenas 60 nanómetros, se unen a un plástico electrónico, con lo que se obtiene una celda solar flexible. El beneficio de estos bastones es que dan una trayectoria preferencial para el movimiento de los electrones y por lo tanto incrementan la eficiencia de la celda solar.

La medicina del nuevo milenio

En muchos personajes de ciencia ficción, como la mujer biónica o Robocop, se habla de implantes dentro del cuerpo humano. En la realidad, se han hecho grandes avances en dispositivos mecánicos y electrónicos cada vez más pequeños. El marcapaso cardiaco ha salvado muchas vidas y existen implantes basados en silicio para tratar parálisis, sordera, ceguera y desórdenes neuronales. Pero las nanoestructuras han dado un nuevo giro a estas aplicaciones, y nos acercan a otro de los planteamientos de Feynman en aquella histórica conferencia de 1959: "Un amigo mío sugiere una posibilidad muy interesante para máquinas relativamente pequeñas. Dice que, aunque sea una idea muy loca, sería interesante si en cirugía uno pudiera tragarse al cirujano. Pones al cirujano mecánico dentro de un vaso sanguíneo y éste va hasta el corazón y echa un vistazo... Encuentra cuál válvula está fallando y la abre con un pequeño bisturí. Otras máquinas pequeñas podrían ser incorporadas permanentemente al cuerpo para auxiliar a algún órgano que esté funcionando mal".

Aún no podemos fabricar a un cirujano "tragable", pero sí es posible enviar directamente un fármaco al lugar requerido del organismo utilizando como medio de transporte nanoestructuras. Esto evitaría muchos de los efectos colaterales de los fármacos; por ejemplo, cuando tomamos una medicina para un dolor específico ésta llega a todo el organismo; si en cambio la enviamos sólo al lugar afectado, digamos una muela, será más efectiva y además se reduce la posibilidad de que se presenten efectos tóxicos por una sobredosis. El envío selectivo de nanoestructuras a lugares específicos como el corazón y otros órganos vitales ayudará también en el tratamiento de intoxicaciones y envenenamientos por drogas y pesticidas. Las nanoestructuras serían como cápsulas diminutas en cuyo interior llevan el fármaco; éste se liberaría cuando la nanoestructura reciba cierto estímulo del propio organismo, incluso a tiempos diferentes dependiendo de cuando se requiera. Las "nanocápsulas" serían muy útiles en anestesiología, por ejemplo.

Nanoestructuras en Temixco

Muy cerca del Balneario de Temixco, en Morelos, está el Centro de Investigación en Energía de la Universidad Nacional Autónoma de México (CIEUNAM www.cie.unam.mx).

Ahí, entre muchas otras investigaciones, se fabrican nanoestructuras a partir de silicio, que son de las más baratas y fáciles de producir. Para el lo se usa una oblea de si l icio cristal ino impurificado con boro. La oblea se coloca como el ánodo de una celda electroquímica, donde el líquido es una solución de ácido fluorhídrico y el cátodo es una placa de platino. A través de esta celda electroquímica se hace pasar una corriente de algunos miliamperes.

Durante el ataque químico producido de esta manera se crean orificios en la oblea de silicio, dejando una estructura de ramas con diámetros del orden de nanómetros, que se asemeja al coral marino. La parte sólida de este "coral" es silicio cristalino. Así, la oblea se convierte en silicio poroso, es decir, silicio cristalino agujereado. Lo importante de este material es que tiene propiedades diferentes a las del silicio cristalino macroscópico. Aquí los efectos cuánticos hacen que el silicio poroso sea fotoluminiscente y electroluminiscente. Esto significa que cuando es iluminado o cuando pasa por él una corriente eléctrica, emite luz, en este caso luz visible, lo que no sucede con el silicio cristalino macroscópico. Esta nueva propiedad hace al silicio poroso un excelente candidato para aplicaciones en la optoelectrónica, esto es, combinaciones de óptica y electrónica. Por ejemplo, son muy conocidos y utilizados los llamados "leds" (light emitting diodes), pequeños focos que se iluminan al pasar una corriente.

Al variar la corriente eléctrica se puede modificar la porosidad —la cantidad de orificios— y por lo tanto el espacio vacío entre las ramas nanométricas de silicio cristalino, lo que hace que la luz emitida cambie de color.

En el laboratorio del CIE-UNAM se fabrican capas alternadas de silicio poroso con porosidades diferentes y, por ello, con propiedades físicas distintas.

Con sólo una celda electroquímica y una oblea de silicio se producen multicapas de un material nanométrico.

Con estas nanoestructuras se fabrican dispositivos ópticos que tienen la propiedad de conducir luz en direcciones específicas. A estas estructuras, que también pueden ser selectivas de la frecuencia (color) en que se transmite, se les llama cristales fotónicos. El adjetivo fotónico se debe a que los fotones son paquetes de luz, y la luz puede ser atrapada o reflejada completamente en este tipo de nanoestructuras, como si fueran un espejo perfecto.

La ética del Nanomundo

No quisiéramos terminar este artículo dando la impresión de que todo está resuelto en el nanomundo. Muchos investigadores dudan de las posibilidades reales de construir un nanorobot, también llamado "nanobot". Los detractores de esta idea plantean que un nanobot que se dedique a colocar átomos no tendría suficiente espacio para la manipulación. La química, dicen, no es sólo pegar átomo con átomo, también hay que considerar a todos los vecinos. Lo llaman el problema de los "dedos gordos"; en un nanómetro cabe una decena de átomos de oxígeno, así que al construir algo de 100 nanómetros no habría espacio para los "dedos" del nanobot.

Otros, en cambio, están preocupados por la posibilidad de que se creen nanobots capaces de autorreplicarse. Consideran que debería hacerse una reglamentación estricta como en biotecnología, pues estas nanomáquinas fuera de control podrían ser semejantes a virus que se replicaran consumiendo todo a su paso. De momento nadie ha sido capaz de hacer un nanobot autorreplicable. Y si pensamos en virus tampoco lo ha logrado la naturaleza, ya que los virus que están en la nanoescala sólo se pueden reproducir cuando están unidos a células vivas. Los sistemas biológicos que se reproducen están en una escala mayor y además son enormemente complejos.

Todo tema científico de frontera despierta polémica y es muy importante que la sociedad tenga elementos para opinar. La nanotecnología es sin duda uno de estos temas cruciales. Nuestros jóvenes lectores, que son los ciudadanos del siglo XXI, deben tener una educación lo más completa e informada posible.

Las áreas emergentes de ciencia, ingeniería y tecnología en la nanoescala —la capacidad de trabajar a nivel molecular, átomo por átomo, para crear estructuras con propiedades y funciones fundamentalmente nuevas— están llevando a un entendimiento y un control sin precedentes sobre los bloques de construcción básicos de todas las cosas naturales y las hechas por el hombre.

Iniciativa Nacional de Nanotecnología, EUA (www.nano.gob)

Julia Tagueña es investigadora del Centro de Investigación de Energía de la UNAM y directora de museos en la Dirección General de Divulgación de la Ciencia, también de la UNAM.

Antonio del Río es investigador del Centro de Investigación de Energía de la UNAM.

 
Subir