Ciencia y Tecnología
22 de abril de 2013

El megamundo de la nanotecnología

Dr. Marcelo F. LESTER

El desarrollo del conocimiento y la implementación de nuevas tecnologías han modificado indudablemente de manera profunda e irreversible a las sociedades a lo largo de la historia de la humanidad. El descubrimiento del fuego, la tecnología agrícola y la revolución industrial son claros ejemplos de estas improntas, y la más cercana de todas las revoluciones es la que se podría denominar la revolución digital y biotecnológica.

En este sentido, vale la pena recordar un hecho premonitorio ocurrido el 29 de diciembre de 1959 en el Instituto de Tecnología de California, cuando el Premio Nobel Richard P. Feynman pronunció un discurso en la reunión anual de la Sociedad Americana de Física. La conferencia científica  ofrecida en esa ocasión fue “There’s Plenty of Room at the Bottom” [1] (algo así como “Hay mucho espacio allá abajo"), la cual se convirtió en uno de pilares del siglo XX para la tecnología que vendría. Feynman presentó en ese entonces una visión tecnológica de miniaturización extrema varios años antes de que la palabra "chip" se convirtiera en parte de nuestro léxico habitual. Habló sobre el problema de manipular y controlar cosas a pequeña escala. Extrapolando a partir de leyes físicas conocidas, Feynman anticipó una tecnología que utilizaría las mismas herramientas que la naturaleza: la creación de objetos de tamaños nanométricos (nano-objetos), átomo por átomo o molécula por molécula. Desde la década de 1980, muchos esfuerzos científicos y tecnológicos se han puesto en movimiento tras esta idea de controlar la fabricación de nano-objetos.

Pero, ¿qué es algo de tamaño nanométrico? El nanómetro (nm) es una escala de longitud, un submúltiplo del metro. Un nanómetro corresponde a 0.000000001 m. Un cabello humano es del orden de los 100.000 nm y en un cubo de 1 nm de lado caben algunos centenares de átomos. Estas son las escalas en la que se mueve la nanotecnología. En estas dimensiones, muchas de las propiedades de los sólidos, tal como las conocemos, cambian dramáticamente. Por ejemplo,  metales como el oro y la plata (conductores eléctricos por excelencia) se comportan como malos conductores de la electricidad. Estos dramáticos cambios en las propiedades de la materia son las que limitan la miniaturización de los circuitos electrónicos, por ejemplo. En la actualidad, la distancia promedio entre transistores de los microchips más avanzados es de unos 35 nm. Una posible solución a este límite de escalas es la nanotecnología, que propone un cambio conceptual en el diseño de dispositivos con capacidad de transmitir información y poder de cálculo.

La transferencia directa del desarrollo de herramientas para la manipulación de materiales a pequeña escala y el control en los procesos químicos han dado lugar a un crecimiento exponencial tanto de la tecnología digital como de la tecnología relacionada con procesos biológicos a nivel macro-celular. La miniaturización de circuitos electrónicos o el diseño de drogas específicas han transformado nuestra sociedad. Un claro ejemplo de esta transformación son las comunicaciones (teléfonos celulares, computadoras –redes sociales-, dispositivos de almacenamiento y dispositivos de generación de imágenes digitales). El rápido desarrollo y producción masiva de dispositivos digitales (y el grado de personalización que se puede lograr) produce en nuestros días significativos cambios en los aspectos cognitivos, culturales y socio-económicos. Mientras que la biotecnología ha producido, por un lado, modificaciones sustanciales de nuestros hábitos alimenticios, usos de fármacos y producción textil, por otro lado ha permitido dar inicio al desarrollo de nuevas áreas del conocimiento como la neurociencia. En esta última se están produciendo actualmente enormes avances en la comprensión de enfermedades como el Alzheimer, disfunciones neuronales relacionados con el autismo, mal de Parkinson, rehabilitación de accidentes cerebro-vasculares, por mencionar algunas.

Sin embargo estas tecnologías ya muestran sus límites y estos nuevos límites empujan a la tecnología a su siguiente generación. Sin lugar a dudas, estamos transitando los inicios de una nueva revolución tecnológica. Un estadío híbrido entre la tecnología “bio-digital” y lo que se ha denominado la nanotecnología, la siguiente generación. En los inicios del siglo XXI se están realizando los cimientos para esta nueva revolución.

Los primeros pasos ya se están dando en este sentido. Algunas de las potenciales aplicaciones que podemos mencionar son:

a) Los diseños de materiales con propiedades antes inimaginables, como los nanotubos de carbón, el grafeno [2] o los metamateriales [3] (dentro de las innumerables aplicaciones se encuentran las megapantallas de alta definición o las pantallas enrollables [4]).

b) La emisión, recepción y amplificación de señales ópticas [5] (nanoantenas ópticas, futuros wifi fotónicos).

c) Los rudimentarios circuitos con capacidad de procesar señales a velocidad de la luz, donde los electrones son reemplazados por fotones [6].

d) Los distribuidores de drogas a nivel celular, es decir nanopartículas que penetran dentro del núcleo celular depositando drogas moleculares en su interior.

e) La destrucción de tejidos mediante nanopatrtículas metálicas asociadas en forma simpática a tumores. Esta tecnología permitiría disminuir los tumores sin consecuencias colaterales con sólo iluminarlos adecuadamente.

Hoy en día las investigaciones están transitando un nuevo camino, estudiando los aspectos básicos para comprender la física involucrada en estos sistemas altamente complejos. Poder modelar sistemas nanométricos con carácter predictivo (es decir, modelos que permitan prever la respuesta del sistema para lograr tal o cual efecto) es parte de la estructura esencial de esta nueva revolución “nanotecnológica”. En el Instituto de Física Arroyo Seco (IFAS) desarrollamos modelos físicos y matemáticos para investigar la factibilidad de algunas metodologías propuestas para la obtención de estructuras geométricas con detalles nanométricos [7], su interacción con ondas electromagnéticas [8] y la capacidad de respuesta óptica (quantum dots) [9]. Estos estudios teóricos se realizan en forma  conjunta con grupos expertos (extranjeros y de otras laboratorios nacionales) asociados a nuestro Instituto que tienen capacidades tecnológicas para hacer los experimentos. Nosotros hacemos el aporte teórico, el análisis y el desarrollo de los modelos que tratan de explicar los resultados experimentales.

Parte de nuestros intereses están centrados en una nueva generación de nano chips. Con estos modelos que se trabajan en el IFAS podría desarrollarse una nueva generación de procesadores “tridimensionales”, los cuales serían una solución a las limitaciones de los diseños tradicionales. Por otro lado, en esta misma línea, estamos investigando la posibilidad de diseñar una nueva generación de circuitos y nano-antenas fotónicos. Cientos de dispositivos completos, con estas características, podrían ensamblarse en el diámetro de un cabello humano, procesando información a velocidades próximas a la de la luz.

La nanotecnología es un campo interdisciplinario y de alta complejidad teórica y experimental, por lo que los pricipios que la rigen no son familiares para la mayoría de la población. No obsante, sus aplicaciones se incorporan “naturalmente” a la vida cotidiana, afectándonos a todos por igual. Y como en todos los órdenes del conocimiento, esta nueva tecnología involucrará nuevos desafíos que incluyen remover pre-conceptos bien establecidos así como el surgimiento de nuevos paradigmas científico-tecnológicos, que influirán en nuestros estilos de vida.

Referencias:

[1] Una nueva versión de aquella disertación se puede ver en “http://www.youtube.com/watch?v=4eRCygdW--c”, dictada en el año 1989.

[2] El Premio Nobel de Física de 2010 se le otorgó a Andre Geim y a Konstantin Novselov por sus revolucionarios descubrimientos acerca del material bidimensional grafeno.

[3] No existe una definición universalmente aceptada de metamaterial; en el sentido más amplio, se trataría de un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, es decir, son distintas a las de sus constituyentes.

[4] La empresa Samsung ya ha sacado al mercado la primera pantalla de grafeno flexible: http://es.engadget.com/2011/01/06/samsung-nos-muestra-sus-impresionantes-pantallas-flexibles-amole/.

[5] Lukas Novotny, From near-field optics to optical antennas. Physics Today 64,  p.31-39 (July 2011). Diana C. Skigin, Marcelo Lester,  Optical nanoantennas: from communications to super-resolution. Journal of Nanophotonics 5, 050303-1 (2011)

[6] Nader Engheta, et al., Circuits with Light at Nanoscales: Optical Nanocircuits Inspired by Metamaterials  Science 317, 1698 (2007).

[7] Grupo de Flujos de Superficie y Fenómenos de Interfaz

[8] Optica de Sólidos – Electromagnetismo y Fotónica  (Elfo)

[9] Durante el mes de Mayo de 2013  la División de Optica de la Asociación de Física Argentina (AFA) realizará su IX  Taller de Optica y Fotofísica y el IV encuentro de Óptica y Fotofísica dedicado a "Fotónica y Óptica Aplicadas a la Nanotecnología".

Dr. Marcelo F. LESTER:
Profesor Asociado, Fac. Cs. Exactas (UNICEN), Investigador Adjunto CONICET, Miembro del IFAS.
Contacto: mlester [at] exa [dot] unicen [dot] edu [dot] ar