NANOTECNOLOGÍA

Los nuevos materiales permiten fabricar de otra manera los productos que ya tenemos, pero van mucho más allá: abren puertas a objetos y procesos de nueva producción, más especializados, relativamente más respetuosos con el medio ambiente y, sobre todo, mucho más prácticos.

NANOCIENCIA

Lógicamente, como pasa a nivel macroscópico, la nanotecnología se basa en el desarrollo científico de los materiales. El estudio de todos los aspectos científicos desde el punto de vista nanométrico se conoce como nanociencia.

En la medida que nuestra capacidad de ver se ha ido ampliando hemos descubierto que el mundo en el que vivimos es más rico y complejo de lo que pensábamos. Sabíamos que las reacciones químicas se producían por las combinaciones entre los átomos, intuíamos cómo se comportaban, pero no éramos capaces de verlas. Ahora, gracias a los nuevos microscopios de efecto túnel, podemos «ver» los átomos y «cogerlos» para fabricar sustancias y piezas de máquinas de grandaría atómica, más pequeños incluso que las células. Cuando hablamos de fabricar máquinas de grandaría atómica decimos exactamente eso, máquinas de grandaria de las cuales no supera el de unos cuantos átomos, que son invisibles para el ojo humano.

Microscopio de efecto túnel

Gerd Binning y Heinrich Rohrer diseñaron el primer microscopio de exploración de efecto túnel. El 1986 ganaron el premio Nobel de Física por su invento.

Este instrumento no ofrece una imagen directa del objeto, sino que se basa en el principio que la estructura de una superficie puede ser estudiada con una aguja que recorre la superficie a una distancia fija sobre esta. El ajustamiento vertical respecto a la superficie que hay que escanear se controla por lo que se conoce como efecto túnel. Una diferencia de potencial eléctrico entre la punta de la aguja y la superficie provoca una transmisión de corriente, aunque las superficies no estén en contacto. La intensidad del corriente está directamente relacionada con la distancia, y esto hace posible mantener una distancia constante de aproximadamente la grandaria de 2 átomos. El extremo de la aguja está formado por un solo átomo. Esto permite que se detecten hasta los detalles más pequeños de la superficie escaneada. Se puede decir que el microscopio hace una exploración átomo a átomo

EL MUNDO DEL CARBONO

Con una estructura atómica pequeña, el carbono es el elemento más importante de nuestra existencia, ya que se encuentra en la mayoría de los compuestos que forman los seres vivos. Es un elemento muy abundante en la naturaleza y hemos aprendido a elaborar un buen número de objetos de uso cotidiano. Algunos enormes, como los aviones Airbus y otros muy pequeños como los nanotubos.

Cuando varios átomos de carbono se unen se forman redes cristalinas, las propiedades varían según la forma cristalina que se encuentre, es decir, según cómo estén enlazados los átomos, que es bastante blando para ser usado en la mina de los lápices o como lubricante; mientras que el diamante es la sustancia natural más dura que se conoce.

La industria de los compuestos de carbono abarca desde el deporte hasta la medicina y también la construcción de puentes y aviones.

¿Cómo se fabrica la fibra de carbono?

La fibra de carbono es un hilo largo y muy delgado compuesto fundamentalmente por átomos de carbono. Los átomos se «apegan» entre sí cuando forman cristales microscópicos que se sitúan los unos sobre los otros paralelos al eje de la fibra. Esta alineación de cristales hace que la fibra tenga una resistencia increíble para su tamaño. Varias fibras de carbono enrolladas se entrelazan para formar un tejido, como se hace con las telas. Después esta tela se combina con resinas que hacen de pegamento y es moldeada para obtener la forma deseada. Los materiales de carbono reforzados con otros materiales como ahora metales u otros compuestos se usan ya habitualmente como partes de los aviones, bicicletas, cañas de pescar…

Este procedimiento se desarrolló en la década de los años 50 del s. XX a partir de tiras de rayón que se calentaban hasta que se carbonizaban. El resultado era una sustancia muy rompediza con casi un 20% de carbono. En la actualidad se fabrica a partir de alquitranes derivados del petróleo.

APLICACIONES NANOSCÓPICAS, EL FUTURO INMEDIATO: FULERENOS

El fulereno es una molécula formada por 60 átomos de carbono, C₆₀. Su estructura es muy particular, ya que puede adoptar la forma de una pelota, una estructura muy similar a la de un balón de fútbol. Esto puede parecer solo una curiosidad, pero abre muchas posibilidades en campos como la biología y la medicina. Una buckyball puede contener la dosis de un determinado medicamento, y su estructura permite que la bola se rompa en contacto con algunas sustancias que hay en las proximidades de células infectadas y libere el medicamento que contiene.

Aunque hay más: la forma del balón es solo una posibilidad. Se puede hacer que adquiera la forma de un tubo, un nanotubo, y esto tiene muchísimas aplicaciones. Los nanotubos pueden tener solo unos pocos nanómetros de diámetro, pero varios centenares de miles de longitud, la cual cosa permite fabricar pequeños tubos con una longitud de hasta 18 mm. Esto se convierte en unas estructuras espectacularmente largas y poderosas, sin precedentes en la historia de la tecnología.

Si el nanotubo tiene, además de carbono, otros elementos como el boro, se puede conseguir que se convierta en un conductor. En este caso ya hablaríamos de nanocables o, en un semiconductor, de nanointerruptores.

Este hecho ofrece unas posibilidades para la electrónica que ahora mismo ya revolucionan nuestra vida cotidiana. Además, los nanotubos de carbono tienen la ventaja de conducir electrones casi instantáneamente de un extremo al otro sin producir pérdidas de energía, como pasa con los cables de cobre convencionales. Ya se utiliza esta tecnología, por ejemplo, en las pantallas de los teléfonos móviles.

EL FUTURO. LA NANOTECNOLOGÍA

Esta historia se inició hacia 1959. La nanotecnología es una ciencia aplicada dirigida al diseño, la fabricación y la aplicación de materiales y aparatos a escala nanométrica.

La nanotecnología abre las posibilidades de las máquinas a un mundo que no creíamos posible. Ahora estamos a punto de poder fabricar máquinas capaces de depositar átomos de un elemento particular justo en el sitio adecuado porque, junto a otros, forman una máquina de una grandaría macroscópica.

Podemos diseñar nuevos materiales que reúnan condiciones excepcionales desde la primera molécula, y asegurarnos que el comportamiento global del objeto será como deseamos. Podemos diseñar un material adecuado para una función específica, y solo para esa función; es decir, un material que se comportará de una determinada manera solo en una situación concreta.

¿Cómo se fabrican nanomáquinas?

Supongamos que queremos añadir un átomo a una superficie. Como que no tenemos «pinzas» bastante pequeñas usamos una «herramienta». El átomo que queremos situar se «adhiere» a esta «herramienta»: las cargas eléctricas del átomo harán que se quede. Mediante un programa de ordenador se controla la posición de la herramienta con que queremos depositar el átomo. Si la superficie sobre la cual queremos depositarlo tiene características electrónicas diferentes de las de la «herramienta», el átomo se verá atraído por las cargas electrónicas, se desprenderá y se quedará adherido a la superficie donde queríamos depositarlo. Todo esto se hace en el vacío para evitar que otras moléculas se entrometan y perjudiquen el proceso.

Esto es pura química y pura física. Un átomo se desplaza de una molécula a otra gracias a las cargas eléctricas, y estas están relacionadas con la cantidad y la posición de los electrones de los átomos.

LA NANOTECNOLOGÍA: UNA CIENCIA MULTIDISCIPLINARIA

La nanotecnología es una ciencia multidisciplinaria porque abarca todas las disciplinas científicas imaginables y las que aún no se han creado. Esto quiere decir que todas las ingenierías coinciden a manipular los átomos tal como hemos dicho.

La situación actual de la nanotecnología es muy complicada. Por una parte, algunas aplicaciones ya han encontrado un desarrollo industrial y se pueden encontrar en tiendas.

Por otra, el desarrollo de esta nueva tecnología aún hace los primeros pasos; en un término entre 5 y 15 años se producirá una explosión de desarrollo tecnológico difícil de prevenir en la actualidad.

Si comparásemos la situación actual con el principio de la era del silicio nos encontraríamos con muchísimas posibilidades. Para conseguir la tecnología electrónica de que disponemos en este momento fue necesario el desarrollo durante muchos años y el trabajo de unos cuantos laboratorios y empresas.

1. Nanofábrica: los avances futuros en la nanotecnología de las moléculas permitirán la existencia de fábricas muy pequeñas.
2. Detalle del interior: En esta minifábrica los productos se fabrican desde bajo, capa a capa; hay millones de minúsculas máquinas trabajando en conjunto.
3. Escala molecular 10nm: aquí es donde las nanomáquinas acoplan los bloques a partir de moléculas, que hacen el papel de la materia prima.
4. Escala molecular: detalle de la nanomáquina que acopla átomos.
5. Cinta de acoplamiento: Los acopladores trasladan los átomos hasta su destinación.
6. Acoplamiento: Los bloques se unen y conforman