Escribiendo con átomos


La enciclopedia británica escrita en la punta de un alfiler



Ciencias físicas

 

Fue la curiosidad lo que, en 1989, llevó a científicos del IBM a escribir por primera vez con átomos en una superficie sólida. 35 átomos de xenón sobre una placa de níquel fueron posicionados para formar las letras que componen al logo de esta compañía.

Ya para 2013, IBM produjo la película “Un niño y su átomo” (A Boy and His Atom) mediante la manipulación de miles de átomos. Cuadro por cuadro, este film narra la aventura de un niño y la amistad que entabla con un átomo individual. Este cortometraje ganó el Premio Guiness por ser la película más pequeña del mundo.

 

 

“Y si se puede escribir (con átomos) se pueden hacer muchas cosas”, comentó el Dr. Leonel Cota, investigador del Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de la UNAM, durante un seminario que impartió para personal del CICESE.

Desde su auge en el año 2000, la investigación del mundo nano no ha dejado de crecer debido a sus diversas aplicaciones en áreas como la producción de alimentos, biotecnología, robótica, energías renovables, aeroespacial y todo lo que a la humanidad se le pueda ocurrir.

Como nacieron con la visión de entender y controlar la materia a nanoescala, las nanociencias se han convertido en una revolución tecnológica e industrial que busca beneficiar a la sociedad en términos de salud, mejorar el entorno y el medio ambiente, construir edificaciones e instrumentos más seguros y compartir información de manera más eficiente en dispositivos electrónicos que cada vez son más pequeños. La nanotecnología es interdisciplinaria por naturaleza.

Un poco de historia

Pero esta revolución no surgió de la noche a la mañana. Ese boom nano del nuevo milenio se dio por investigaciones que iniciaron décadas atrás, a partir del trabajo de Richard Feynman (Premio Nobel 1965) sobre mecánica y electrodinámica cuántica.

Y a él le siguieron muchos investigadores más como Eric Drexler, por su trabajo teórico-conceptual sobre la nanotecnología; así como Gerd Binning, Heinrich Rohrer, Calvin Quate y Christoph Gerber, por el desarrollo de técnicas de instrumentación que crearon el microscopio electrónico de Efecto Túnel y el microscopio de Fuerza Atómica.

Para dimensionar la escala de lo nano, Feynman mencionó que es posible escribir toda la enciclopedia británica en la punta de un alfiler.

Manipular un átomo con el Microscopio de Efecto Túnel es sencillo en términos de construcción, aseguró el Dr. Cota, pero complicado para explicar cómo funciona: una punta afilada, al grado en que hay un solo átomo en ella, se acerca al material que se quiere estudiar para que se intercambien los electrones de ambos materiales mediante un efecto cuántico. En sí, los átomos no tienen contacto a través de su núcleo, sino que sus electrones se encargan de la manipulación al repelerse por su carga negativa.

Esa punta está sujeta a un dispositivo cerámico que cambia de posición por pulsos eléctricos para mover a la punta en tres direcciones: ejes X, Y y Z. Sin que el átomo de la punta toque al átomo del material, los electrones sí pueden pasar de un lado a otro. Mediante esta corriente se pueden hacer imágenes y ver un mapa de cómo están acomodados los átomos en una superficie.

 

De grafenos, fullerenos y nanotubos

Muchas son las formas que puede tomar el carbono, uno de los elementos más abundantes en la naturaleza y muy popular en la nanotecnología. Este elemento puede encontrarse de manera común como grafito, diamante y carbón. Y también como grafeno y fullereno, a los que muchos denominan los materiales del futuro.

El grafeno es un material que tiene propiedades únicas que difícilmente se dan juntas en otro tipo de material. Por ser ligero, flexible, de gran dureza y resistencia, este material destaca en las aplicaciones de la electrónica. Empiezan a construirse transistores más rápidos para circuitos cada vez más pequeños, instrumentos utilizados en pantallas, reproductores de audio y video y celulares. El grafeno surge al agruparse las partículas de carbono en una red hexagonal ondulada muy fina, de dos dimensiones, con gran densidad. 

Cuando esas láminas de grafeno se unen y forman una estructura similar a una pelota de futbol, se convierte en fullereno. Y al agruparse el grafeno de manera cilíndrica, se le conoce como nanotubo de carbono.

Aplicaciones de la nanotecnología

Como mencionó el Dr. Leonel Cota durante el seminario, las aplicaciones de la nanotecnología son latentes en temas de salud, medio ambiente, ingenierías varias y un sinfín de áreas más. Entre las aplicaciones más sobresalientes están:

  • La fabricación de sensores, baterías y nueva tecnología para pantallas de televisión con una resolución más alta y de mejor calidad; los especialistas indican que las pantallas podrán ser tan delgadas y flexibles como el papel.
  • Un manojo de nanotubos pueden utilizarse como un filtro. Por ejemplo, al filtrar agua de mar a través de esta estructura, es posible que las moléculas de agua pasen, pero no las de sal. Este proceso puede aplicarse para desalinizar el agua y reducir los costos y consumo de energía que requiere el proceso de ósmosis inversa de las plantas desalinizadoras actuales, siento éste el proceso más caro. 
  • El uso de filtro para los nanotubos puede aplicarse también para separar las moléculas de bióxido de carbono que provienen de las emisiones de automóviles. “Basta con tomar una malla de grafeno y hacerle un agujero del tamaño de las moléculas de CO2, así las moléculas de otros tamaños no pueden a pasar. El problema es hacer los agujeros del tamaño adecuado, crear esos nanoporos”, comentó el investigador. 
  • En cuanto a energías limpias, actualmente se busca emplear el grafeno para convertir a las celdas solares en algo muy parecido a una planta, es decir, que haga fotosíntesis. Es posible aplicar una placa de grafeno a un celda solar y sobre ella colocar una molécula orgánica, informó el Dr. Cota sobre este y otros procesos de biomimética.
  • En el área de la biomedicina hay muchísimas aplicaciones relacionadas a la detección de enfermedades terminales a una escala muy temprana, y también utilizar los nanotubos como vehículos de medicamentos más eficientes.
  • Computación molecular: lo que busca el desarrollo tecnológico en la computación son componentes más pequeños, ya que consumen menos energía, son más veloces y por lo tanto, más eficientes. “El caso es que con la tecnología actual prácticamente ya se llegó al límite, ya no pueden hacerse más chicos. Si se hacen más pequeños, empiezan a tener problemas de eficiencia. Entonces, el siguiente paso es irse a los átomos. Hay quienes piensan que podría usarse un solo átomo como elemento de computación”, dijo.  

Tal como asegura el investigador: aún hay mucho por hacer. Se cree que las nanociencias y la nanotecnología están en la misma situación que se encontraba la computación cuando se creó la ENIAC (una de las primeras computadoras) en 1946. Lo que ha evolucionado la computación desde entonces hasta ahora, es lo que falta por recorrer en la nanotecnología. Todo un mundo.

 

CICESE-UNAM y el posgrado

Y aunque en las potencias mundiales como Japón, Estados Unidos y la Unión Europea inviertan grandes cantidades en ciencia básica, “la inversión de México en nanotecnología está en escala nanométrica: no se puede ver”, comentó el investigador Dr. Leonel Cota.

Durante el seminario, el investigador hizo énfasis en la importancia de invertir en investigación básica, la cual se lleva la mayor parte de la inversión (42%) en las potencias mundiales. Mencionó este aspecto debido a que las autoridades cuestionan cuando la investigación no está totalmente ligada y vinculada con un proceso industrial y, por ello, la investigación básica recibe menos apoyo.

El CNyN y el CICESE mantienen una estrecha relación a través del programa de posgrado en Nanociencias, el cual coordinan de manera conjunta desde 1986. Este vínculo se fortalece por la investigación actual entre el CNyN y el área biomédica del CICESE y el posgrado en Ciencias de la Vida, así como con el grupo de nanofotónica del CICESE.

Por la diversidad de aplicaciones de las nanociencias, el Dr. Cota mencionó que se necesita una colaboración mayor entre estas instituciones para explorar otras áreas de investigación del CICESE desde las nanociencias.

 

 

Palabras clave: nano, nanociencias, nanotecnología, carbono

anterior