Nanotecnología: proyectos y productos

Una sube y otra baja

Existen dos vías de evolución de las nanociencias y las nanotecnologías. Una es la que va de “abajo a arriba” (bottom-up) y la otra es la que va de “arriba a abajo” (top-down). La primera es la senda compleja. La segunda es la “sencilla”. Fabricar cosas a partir de lo nanométrico es la modalidad “hard”. Hacer cosas cada vez más pequeñas hasta llegar a lo nanométrico es la modalidad “light”. Por sus implicaciones una será radical pues transformará de raíz nuestras vidas. La otra tiene ya un impacto moderado aunque poco evidente debido a su tamaño.

Los proyectos de construir nanofábricas, computadoras moleculares y nanocirujanos,  mencionados en la anterior colaboración, son ejemplos de las técnicas que vienen “desde abajo”. Se trata de una vía de evolución que se encuentra aún en los modelos teóricos, en las pipetas y en los nanoscopios de los laboratorios, en la fase experimental de los primeros prototipos rudimentarios. Para decirlo de manera coloquial: esta nanotecnología está dando apenas sus primeros pasos. Tal es el caso de los diversos proyectos de nanomotores moleculares y térmicos que serían los encargados de darle movimiento a nanobots y nanofabs.

Lo mismo se puede decir del proyecto de la NASA para construir con nanotubos de carbono (dada su extraordinaria resistencia) un elevador espacial de cientos de kilómetros de largo para  llevar seres humanos y equipo hasta una estación orbital, y de ahí partir en misiones al espacio exterior. Al materializarse ese proyecto –lo cual se pronostica ocurrirá hacia la década de los años treinta- se podrá decir adiós a los costosos lanzamientos de cohetes desde la Tierra los cuales tienen que enfrentar la tarea titánica de superar la gravedad terrestre.

Cuando el gobierno de los Estados Unidos anunció la Iniciativa Nacional Nanotecnológica a principios del presente siglo, el entonces presidente Bill Clinton se refirió a estas nanotecnologías “de abajo a arriba” al hablar de las posibilidades que abriría para la humanidad el poder construir materiales cien veces más resistentes que el acero pero al mismo tiempo diez veces más ligeros que él, o lo que implicaría poder almacenar toda la información de la Biblioteca del Congreso de los Estados Unidos en un dispositivo electrónico de naturaleza química del tamaño de un terrón de azúcar.

La otra vía de desarrollo nanotecnológico, la que viene “de arriba” y va “hacia abajo”, es en cambio una continuación del proceso de miniaturización de componentes, dispositivos y chips recorrido fundamentalmente por la industria electrónica, así como la farmacéutica y la de materiales. Esta es la nanotecnología actualmente más importante, la que ya ha salido de los laboratorios, se ha comercializado y ha entrado a nuestras vidas cotidianas.

Renglones más arriba la catalogamos como “light” o “sencilla” pero ella constituye uno de los mejores ejemplos de cómo la ciencia y el conocimiento en las últimas décadas han hecho posible acercarse a la precisión atómica de manera gradual, descendiendo en tamaño poco a poco, mediante refinamientos graduales de procesos de fabricación ya existentes. Las nanotecnologías top-down se utilizan desde inicios de siglo en el pulido de las obleas de silicio usadas en circuitos integrados, en el corte de discos de cerámica vítrea que operan  en discos duros de computadora, así como en el pulido de metales a fin de fabricar árboles de leva para motores de autos, barcos y aviones.

La gama de productos que desde hace ya algunos años incorporan componentes y partículas a escala nano  comprende desde ropa especial para heridos a causa de quemaduras, hasta sofisticados palos de golf, pasando por cosméticos, bloqueadores solares, productos de limpieza industrial, farmacéuticos, filtros ópticos, adhesivos dentales, componentes electromagnéticos, materiales avanzados, etcétera.

Pero sobre todos esos productos, uno de los principales campos de aplicación de esta nanotecnología es la industria electrónica de los semiconductores.

Nanoelectrónica e incertidumbre

Al terminar el siglo XX Pentium Intel incorporaba procesadores de 300 nanómetros (nm.) con capacidad para 1.5 millones de transistores, así como chips de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) con capacidad para contener 64 millones de transistores. Los chips de 90 (nm.) se comenzaron a producir en 2004 y en el 2005 se probaron prototipos de chips de 60 nm. y de 45 nm., los cuales aparecieron en el mercado en 2006.  La hoja de ruta de la industria de los semiconductores estima que entre el 2013 y 2019 se producirán circuitos integrados de 6 nm., una dimensión cincuenta veces menor que al comenzar el siglo. Sin embargo, al llegar a este punto los científicos prevén que el proceso de miniaturización topará con un límite infranqueable derivado del extraño comportamiento del universo nanométrico.

¿En qué consiste ese futuro límite?

Los transistores poseen una fuente de energía de la cual parten los electrones, un depósito o punto de llegada y una compuerta por donde la energía pasa de la fuente al depósito. Cuando la energía transita de la fuente al depósito el transistor lee “1”. Cuando no lo hace, lee “0”. Pero con longitudes de 5 nm., la cercanía entre fuente y depósito sería tan corta que el comportamiento de los electrones comenzaría a parecerse al Gato de Schrödinger de la  física cuántica, ya que los electrones podrían viajar “espontáneamente” con un 50% de probabilidades. Podrían estar aquí o podrían estar allá. En otras palabras: a esa nanoescala se rebasan las dimensiones mínimas para funcionar con certidumbre.

La salida a tal callejón, dicen los expertos, la puede ofrecer la nanotecnología “bottom-up”, la que comienza desde los niveles más pequeños de la materia. Aquí es donde se prevé la aparición en el futuro próximo de computadores de funcionamiento químico-molecular. A fines del pasado mes de septiembre, por ejemplo, se dio a conocer que en la Universidad de Stanford, en California, se fabricó la primera computadora con circuitos de nanotubos de carbono y que ella ya es capaz de elaborar –aunque todavía con altos márgenes de error- las “rudimentarias” tareas que ejecutaba un computador de inicios de los años ochenta del siglo pasado.

Aplicaciones actuales

La lista que sigue contiene doce sectores de actividad económica en los que se utilizan  procesos y/o componentes nanos:

1. Automotriz (materiales ligeros, pintura, catalizadores, llantas, sensores);
2. Química (adhesivos, fluidos magnéticos, materiales compuestos, plásticos, hules);
3. Metalmecánica (protectores y lubricantes de maquinaria, herramientas, equipo industrial y agrícola en general);
4. Electrónica (pantallas de TV, monitores, memorias, diodos láser, fibra óptica, filtros, recubiertas conductoras y antiestáticas);
5. Construcción (nuevos materiales, aislantes, impermeabilizantes, barnices anti fuego y para el tratamiento de madera, pisos y recubrimientos);
6. Medicina (sistemas de administración de medicamentos, adhesivos dentales, medios de contraste para imágenes, sistemas de examen y diagnóstico tópicos, prótesis, implantes, agentes antimicrobianos);
7. Textiles (recubrimientos de telas, ropa para quemaduras, ropa  “inteligente” que reacciona ante variaciones de  luz, temperatura y humedad del entorno o que registra y reporta el estado de salud de las personas: ritmo cardíaco, presión, respiración, temperatura);
8. Energía (celdas solares, baterías, pilas);
9. Cosméticos (protectores solares, lápices labiales, cremas, pastas de dientes, maquillaje);
10. Alimentos y bebidas (empaques, sensores, aditivos, conservadores);
11. Domésticos (productos de limpieza y para el mantenimiento de vidrio, cerámica y metales), y;
12. Deportes (lentes, goggles, raquetas, palos de golf).

Como se podrá apreciar la nanotecnología ya está presente entre nosotros, la tenemos en nuestros refrigeradores y carros,  en las teles y celulares, en medicamentos, en procesos industriales, en productos dentales, cuando volamos, practicamos natación o protegemos la piel de los rayos del Sol, del clima o de  la edad. Y esto parece ser tan solo el inicio de lo que los estudiosos de las ciencias y las técnicas en la historia moderna suelen llamar una “tecnología de propósitos generales” dado el amplísimo espectro de actividades que ella puede abarcar.

En la siguiente colaboración se hará un resumen de la “Hoja de Ruta” de la nanotecnología, así como de sus principales campos científicos actualmente en desarrollo.