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Ana Lilia Careaga

Nanotecnología: el diamante de la tecnología del futuro

Abstract

Nanotechnology is related with design and construction of materials and devices with atomic and molecular precision, at dimensions ranging from micrometres to nanometres. Nanotechonology applied to electronics, also known as Nanoelectronics will increase the capabilities of electronics devices reducing their weight and power consumption. As nanotechnology is researched, more materials and applications become available. Computing has been greatly affected by nanotechonoogy development. Thus far, nanotechnology has had huge success with carbon nanotubes, which are a chain of carbon that act as semiconductors, graphene, another crystalline allotrope of carbon promises to be the ideal candidate that could replace silicon technology.

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Aunque no provengo de un ambiente rigurosamente científico, sí recuerdo que habitualmente en la sobremesa se conversaba sobre temas relacionados a la química y a la física . Quizá ésta sea la razón por la cual la mayor parte de mi tiempo de juego e imaginación estaba relacionado a una actividad motivada por la ciencia. Recuerdo el placer de unir dos vasos de cartón con un hilo para construir un teléfono o el de hacer experimentos químicos con el juego “Mi Alegría” y armar un impresionante robot con el “Mecano”, a escondidas de mi hermano porque ese juego sólo era para niños. Sin embargo, en ese entonces, la tecnología no era vista aún como una aplicación o extensión de la ciencia sino más bien como el gran anhelo de crear algo. Sin duda alguna, la imaginación creativa es una especie de poder mágico que facilita comprender la realidad ya que solo de esta manera se tiene la posibilidad de percibir otros estados de nuestra conciencia . Steve Jobs decía que “la creatividad consiste simplemente en conectar las cosas y sintetizar una nueva”. Este punto de vista tiene todo sentido con lo que se vivía antes del siglo XX , cuando todas las disciplinas estaban conectadas unas con otras, hecho que constituyó una fuente enorme de imaginación. Todavía en el siglo XIX, los filósofos creían en la conexión de las disciplinas; nadie se llamaba científico, simplemente se consideraban transmisores de la cultura, por lo que escribían tanto poesía como ciencia. Goethe [1] afirmaba que “no bastaba saber, sino que también se debía aplicar” mientras que unos años después, el físico danés Niels Bohr [2], exponía su idea de complementariedad en mecánica cuántica inspirado en las artes. Es por ello que mientras más conexión se logre entre las disciplinas de la ciencia y las artes, mayor será la fuente de imaginación y, mientras más imaginación se tenga, mayor será la capacidad creativa. Lo más maravilloso es que no se tiene que ser Goethe ni Bohr ni Einstein para gozar de una imaginación creativa ; porque nacemos con ella pero el problema es que la ignoramos.

La imagen más remota que tengo de mi imaginación creativa tiene que ver con la experimentación química. Quizá como resultado directa de aquéllas conversaciones de sobremesa pero también por su estrecha relación con la magia, pero no con la magia espiritista que tiene que ver con barajas o cuestiones de brujas, sino más bien la relacionada con la Alquimia. Aunque estrictamente la Alquimia es una doctrina filosófica que se dedicó al estudio experimental de fenómenos químicos desde la Antigüedad y durante la Edad Media que pretendió descubrir los elementos que constituyen el universo, principalmente está vinculada con la búsqueda del elixir de la vida y de la piedra filosofal que sería capaz de transformar los metales en oro. Es por ello que solemos relacionar la Alquimia con una especie de misticismo espiritual o de magia, pero en realidad ésta constituyó la base de la ciencia moderna y en particular en las ramas de la Química y la Medicina. Quizá a muchos pudiera sorprenderles el hecho de afirmar que la Alquimia fue la base de la ciencia, y esto es lógico porque la Alquimia que se desarrolló en el mundo Occidental tuvo un vínculo con el Hermetismo [3], que fue una doctrina filosófica que mezcló ideas religiosas y místicas de Egipto con ideas de filósofos griegos, principalmente de Platón. Fue así como , de acuerdo con este punto de vista, la piedra filosofal que buscaba convertir el plomo u otro metal en oro se usó de manera metafórica con el proceso de purificación del alma al mismo tiempo que se comenzó a asociar a una búsqueda de la “panacea”, un remedio capaz de curar toda enfermedad. Sin embargo, estas ideas místicas y esotéricas no demeritan la aportación de la Alquimia en términos de procedimientos científicos y aplicaciones. Más allá de la charlatanería, los alquimistas se valieron de muchas herramientas que todavía empleamos en la actualidad para experimentar con cualquier tipo de material y aunque carecían de un método científico propiamente , su búsqueda respondía a una necesidad espiritual de obtener conocimiento que al fin y al cabo los llevaría a lo que hoy conocemos como ciencia.

Robert Boyle [4] fue un alquimista del siglo XVII que fue reconocido como el primer químico y padre de la Química Moderna .Curiosamente, uno de los científicos más relevantes de la historia, Isaac Newton [5], también practicó la alquimia y ésta influyó en algunas de sus teorías ya que durante el siglo XVII la alquimia se consideraba algo serio al mismo tiempo que, poco a poco, con la Revolución Científica, se fue separando lo esotérico del racionalismo.

Hoy en día, la ciencia y la Química en particular carecen de cualquier rastro de espiritismo o misticismo pero continúan evolucionando a través de la imaginación, la cual, aparentemente parece no conocer límites. Es por ello que pienso que una manera de dotar una curiosidad científica en los niños puede ser a través de los principios alquimistas porque a través de esta especie de magia , el niño puede desarrollar su capacidad de observación ligada con los eventos cotidianos de manera que podamos despertar un interés práctico de la ciencia. Porque el misticismo y magia de la alquimia estimula la curiosidad natural del niño para comprender el mundo que le rodea, desde el minúsculo mundo del átomo y la molécula hasta la concepción del universo. Y fue de esta manera que, en mi caso, la experimentación química me llevó a la Electrónica, misma que se basa en los fenómenos físicos y químicos que ocurren en los átomos de silicio (Si), el segundo elemento químico más abundante en la corteza terrestre, después del oxígeno y que está ubicado en el grupo 14 de la tabla periódica, conocida como la familia de los carbonoideos. Su nombre deriva del latín “sílex”, que significa pedernal. El pedernal es un tipo de dióxido de silicio con el cual fueron hechas las armas y herramientas en el Paleolítico, pero por tener una propiedad intermedia entre el carbono y el germanio, en cuanto a su dureza y por ser un excelente material semiconductor, actualmente es empleado en la electrónica para la fabricación de los microprocesadores y los chips electrónicos en general.

Fuente: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Capa_electr%C3%B3nica_014_Silicio.svg

Gracias al silicio, la industria electrónica se ha desarrollado de una manera vertiginosa, de acuerdo a lo que los ingenieros en electrónica conocemos como “ley de Moore”, cuyo responsable de su enunciado es Gordon Moore (cofundador de Intel) cuando publicó en 1965 , seis años antes de la existencia del primer microprocesador, su postulado basado en la observación que lo llevó a una extrapolación no solo interesante sino todavía vigente: “cada año, el número de transistores en un circuito integrado duplicaría su capacidad”. La ley de Moore, formulada empíricamente ha constituido un modelo validado por la industria porque año tras año se fue comprobando que el número de transistores por unidad de superficie en una oblea de silicio se iba duplicando, dejando obsoleta a la anterior. Sin embargo, en 1975, el mismo Moore tuvo que ajustar su ley a 18 meses porque la industria dejó de avanzar a ese ritmo y desde este ajuste en el factor de tiempo es que hemos seguido observando este patrón. Sin embargo, evidentemente, el aumento en la escala de integración y, por lo tanto en la reducción del tamaño de los transistores, constituye un enorme reto para los fabricantes y aunque la familia de los nuevos chips Intel Haswell [6] (la familia de microprocesadores de varios cores como i3, i5 e i7) han logrado integrar en una superficie de silicio de 177 mm cuadrados 1,400 millones de transistores que miden apenas 22 nanómetros, estamos cercanos a lo que llamamos “la barrera del silicio”. Si se continúa aumentando la integración, el silicio presentará inestabilidades por lo que por el momento para aumentar la capacidad y velocidad de procesamiento se ha optado por tener procesadores en paralelo llamados procesadores “en núcleos” o en “cores”; lo cual, a su vez, también llegará a su límite. Afortunadamente, la solución ya está dada por la “nanotecnología” que trabaja, ya no con el silicio, sino con nanaotubos de carbono y el grafeno, un alótropo [7] del carbono puro, similar al diamante, cuyos átomos poseen un patrón hexagonal, parecido a los de un panal de abejas.

Los físicos rusos-británicos Andréy Gueim y Konstantín Novosiólov recibieron el Premio Nobel de la Física de 2010 por las revolucionarias aplicaciones y descubrimientos de este material de teselado hexagonal que no solo tienen importantes aplicaciones en la Electrónica sino en la Biología y Medicina.

¿Quieres saber más sobre el grafeno y sus aplicaciones en la nanotecnología?

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Comenzando con lo básico: la importancia del carbono

La vida en la Tierra se hace posible a partir de un grupo reducido de elementos químicos, entre los cuales podemos citar al Oxígeno, Hidrógeno, Nitrógeno, Azufre, Fósforo y sobre todo, el Carbono. Se dice que el carbono es el elemento esencial para la vida porque es el que posee mayor facilidad para enlazarse con múltiples átomos, inclusive consigo mismo y actúa como una especie de pegamento que une las piezas de la vida. Pero, ¿a qué se debe esta versatilidad del carbono?

Hay muchas explicaciones pero uno de los hechos más importantes es la posibilidad de que cada átomo de carbono pueda establecer 4 uniones con otros átomos o bien, unirse átomos de carbono entre sí para formar cadenas (de manera similar a un collar) que podrían llegar a ser muy largas y estables ( ya que la cadena no se rompe fácilmente). Esta característica de formar cadenas o inclusive anillos , hace que el carbono sea el elemento más importante para la vida , al menos en nuestro planeta. En efecto, toda la química de los organismos vivos está mayoritariamente basada en moléculas que poseen una cadena de carbono como eje principal, llamado esqueleto conocida como CHONPS: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre.

El carbono es un elemento químico inigualable en su funcionalidad y versatilidad por diferentes razones; entre ellas, porque en sus diferentes formas alotrópicas se tienen las sustancias más blandas como el grafito y las más duras, como el diamante. Por otra parte, viéndolo desde el punto de vista económico el carbono en su forma alotrópica de diamante, constituye uno de los elementos más costosos, al mismo tiempo que puede ser el más barato en su forma de carbón. [8]

El carbono, designado con la letra C y ubicado en la tabla periódica en el mismo grupo 14 donde se encuentra el silicio, posee un número atómico [9] 6. En temperatura ambiente se encuentra en estado sólido y presenta distintas formas alotrópicas como el diamante, grafito y grafeno. Aunque en la tierra es más abundante el silicio, en el universo existe diez veces más carbono que silicio, y un millón de veces más carbono que boro.

¿Por qué el carbono es tan importante?

Bueno, hay muchas explicaciones, pero basta decir que una cadena de carbono es capaz de unirse a una gran cantidad de elementos químicos y moléculas. Por ejemplo, el carbono y el hidrogeno pueden formar una gran variedad de diferentes combinaciones de cadenas, unas con menos o más eslabones formando lo que se denomina genéricamente como hidrocarburos o de igual forma, si el carbono se une al oxígeno, se forma el dióxido de carbono, esencial para el crecimiento de las plantas y el Ciclo de Carbono. Por otra parte, combinándose con oxígeno, nitrógeno e hidrógeno se convierten en moléculas básicas de la vida porque en esta combinación se realiza la síntesis de las moléculas orgánicas, también llamadas biomoléculas (glucosa, aminoácidos, proteínas, etc). Si además, a esta diversidad de estructuras se les añade otras combinaciones con elementos como el oxígeno, el nitrógeno, el calcio, fósforo y azufre, las combinaciones de cadenas y de estructuras se elevan a varios millones de posibles combinaciones.

Pero, para la electrónica, lo más importante del carbono es su característica de presentar una propiedad alotrópica [10] en forma de grafeno, que tiene la capacidad de conducir electricidad de una manera excepcional , conservando la dureza de 100 veces más resistente que lo que podría tener una lámina de acero.

Alótropos de carbono

Los elementos pueden existir en diversas formas, o alótropos, dependiendo de las condiciones y modos en que se han formado. Así se conocen más de 40 formas de carbono muchas de las cuales son cristalinas pero otras son amorfas y no cristalinas.

Los alótropos más importantes del carbono son el carbono amorfo, el diamante, grafito (de donde se deriva el grafeno) y los fulerenos (de donde se derivan los nanotubos o buckytubos). Entre los diferentes alótropos del carbono, existen muchas diferencias en términos de dureza, conductibilidad eléctrica , solubilidad, etc, lo cual hace que tengan aplicaciones diversas. Por ejemplo, en el diamante la red de carbonos es cristalina y presenta una forma tetraédrica, la cual le proporciona dureza; en esta caso, los enlaces covalentes son tan fuertes que se requiere mucha energía para romperlos. Por otra parte, en el grafito, se observa una estructura laminar y en este caso, aunque posee 3 enlaces covalentes fuertes, los enlaces entre las diferentes capas son débiles porque están dadas por las llamadas fuerzas “van der Waals”. Las cadenas de carbonos están dadas no en 3 dimensiones, como en diamante, sino en sólo en dos. Una aplicación inmediata del grafito es la punta de un lápiz, en donde podemos observar, en el momento de deslizarlo, la formación de varias capas de grafito a través de las cuales, justamente , nos permiten marcar y dibujar. El grafito, a diferencia del diamante, es un buen conductor eléctrico, por lo que se emplea comúnmente en el arco soldador.

Cuando se tiene una sola capa de grafito, se obtiene otro alótropo del carbono, llamado grafeno, cuyas características físicas, eléctricas y térmicas lo hacen ver como el gran sustituto del silicio, y, sin duda alguna, revolucionará la industria electrónica.

Por último, tenemos a los fullerenos, cuya estructura tiene la forma de una jaula en tubo, formando un patrón hexagonal. De este tipo de alótropo de carbono, se derivan los nanotubos de carbonos que son moléculas cilíndricas de carbono empleadas actualmente en óptica y nanotecnología. [11]

¿Qué es la nanotecnología?

La “nanotecnología” es el conjunto de técnicas que se emplean para manipular la materia en la escala del orden de la millonésima parte de un milímetro ( o bien, de la mil millonésima parte de un metro; 1 nm = 10-9 m); “nano” es el prefijo que indica esta medida y no se refiere a algo en particular.

Por ejemplo, una dimensión de 100 nanómetros es significativa para la Nanotecnología porque bajo este límite es posible observar nuevas y diferentes propiedades en la materia, principalmente regidas por las leyes de la Física Cuántica. A pesar de que la nanotecnología presenta beneficios de todo tipo, desde aplicaciones médicas nuevas o más eficientes a soluciones de problemas ambientales y muchos otros; aún no se sabe si pudiera tener alguna implicación para la salud.

Para comprender el potencial de la nanotecnología es indispensable saber que las propiedades físicas y químicas de la materia cambian en la escala de los nanómetros, lo cual se denomina “efecto cuántico”. El color, la elasticidad, la resistencia la reactividad, pero sobre todo , la conductividad eléctrica, se comportan de manera diferente que a escalas mayores. Resumiendo, la nanotecnología nos llevará a la posibilidad de fabricar nuevos materiales y máquinas (como la computación cuántica) a partir del reordenamiento de moléculas y átomos. Pero no hay que confundir la Nanotecnología con la “Nanociencia”, ya que en ésta última no se tiene una aplicación práctica pero sí el estudio de las propiedades de la materia en el mundo “nanométrico”.

La nanotecnología del carbono: el futuro de la electrónica

Las nanoestructuras basadas en las moléculas de carbono ofrecen propiedades nanoelectrónicas y nanomecánicas únicas en cualquiera de sus formas, tales como nanotubos, nanocintas y láminas de grafeno. Estos materiales ordenados en la dimensión de una millonésima parte de un milímetro, es decir, en la nanoescala, son firmes candidatos para formar la base de muchos nanodispositivos, y su aplicación se viene anunciando tanto en el campo de la computación cuántica como en la conversión de energía. Para el buen funcionamiento de estos nanodispositivos, se requiere una buena conexión con el cableado eléctrico por lo que los investigadores se han dedicado a estudiar el contacto de estos nanodispositivos de carbono con átomos de diferente tipo.

Para la construcción de circuitos integrados, las propiedades del grafeno resultan ideales , por lo que se prevé que pronto sustituyan al silicio. La razón principal es que el grafeno está dotado de una alta movilidad de portadores (que puede utilizarse como canal para transistores FET) y además se tiene un bajo nivel de ruido. A pesar de ciertas complicaciones para producir el sustrato del mismo material, en el año 2008, IBM anunció los transistores de grafeno que operan a 26 GHz y para 2010 alcanzó los 300 GHz. Es por ello que las publicaciones científicas referentes a estas estructuras del carbono aplicadas a la electrónica les han atribuido la cualidad de “panacea universal”… sin embargo, como en todo, hay quienes no piensan lo mismo y afirman que el grafeno nunca sustituirá al silicio, simplemente, lo complementará.

Aplicaciones del grafeno en la electrónica:

Además de la computación cuántica, investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado cables ópticos de super alta velocidad hechos con grafeno; lo que implicaría aumentar considerablemente la velocidad de la trasmisión de la información.

Otras áreas de investigación de las universidades de Texas , Corea del Sur y otras más se han enfocado en estudiar la aplicación del grafeno en las pantallas táctiles flexibles, paneles solares, audífonos de alta calidad y cámaras fotográficas.

Conclusiones

De acuerdo a la Ley de Moore, cada 18 meses, los procesadores seguirán duplicando su velocidad, lo que ocasiona que constantemente tengamos que tirar a la basura las computadoras que compramos con gran orgullo en el corto plazo. ¿ pero …qué se espera en el futuro?

Lo que se espera en el futuro es la sustitución de la computación clásica por un nuevo paradigma de cómputo, denominada computación cuántica debido a que se basa en los principios de la mecánica cuántica. En este tipo de computación no se emplean los bits, sino los “qubits” ( del inglés, quantum bit), lo que implica el empleo de diferentes componentes lógicos y el uso de diferentes algoritmos. Para ello, es necesario el uso de una nueva tecnología denominada “nanotecnología”, la cual aspira a convertirse en el avance más importante del siglo XXI.

Comunicaciones ultra seguras.. sensores de muy alta precisión.. computadoras increíblemente potentes…diseños de nuevos materiales y descubrimiento de nuevos medicamente basados en el estudio del DNA…son algunas de los avances esperados en los próximos 15 años, empleando diferentes alótropos del carbono, principalmente el grafeno.

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[1] Johann Wolfgang von Goethe ( 1749-1832) fue un poeta ,novelista, dramaturgo y científico alemán que ayudó a fundar el romanticismo, movimiento al que influenció profundamente. En palabras de George Eliot fue “el más grande hombre de letras alemán… y el último verdadero hombre universal que caminó sobre la tierra”.

[2] Niels Henrik David Bohr (1885-1962) fue un físico danés que realizó contribuciones fundamentales para la comprensión de la estructura del átomo y la mecánica cuántica ; ganó el Premio Nobel de Física en 1922.

[3] El hermetismo filosófico se erige sobre la base de un conjunto de escritos supuestamente aparecidos en Egipto bajo el período de dominación romana (entre los siglos I y IV d. C.), y puestos bajo la advocación de Hermes Trismegisto. Probablemente, el hermetismo sea el “intento helénico” de sistematizar filosóficamente parte de las doctrinas religiosas y místicas de la cultura tardo-egipcia.

[4] Robert Boyle , (1627-1691) fue un alquimista, filósofo, químico, físico e inventor irlandés.. También fue un prominente teólogo cristiano.

[5] Isaac Newton ( 1642-1727) fue un físico, teólogo, inventor, qlquimista y matemático inglés autor de los Philosophiae naturalis principia matemática , más conocidos como los Principia, donde describió la ley de gravitación universal y estableció las bases de la mecánica clásica . Entre sus otros descubrimientos científicos destacan los trabajos sobre la naturaleza de la luz y óptica (Opticks) y el desarrollo del cálculo matemático.

[6] Haswell es el nombre en clave de la microarquitectura de procesadores desarrollada por Intel como sucesora de la arquitectura Ivy Bridge.

[7] Alótropo se refiere a las diversas formas de estructuras de un elemento químico

[8] Citado en http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono

[9] Número atómico se refiere al número total de protones que tiene un átomo

[10] Citado en E.L. Wolf “Graphene: A New Paradigm in Condensed Matter and Device Physics”.Oxford University Press. 2013

[11] Ibid

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Una respuesta para “Nanotecnología: el diamante de la tecnología del futuro”

  1. Tarisya dice:

    Me parece muy iptnrtaome la utilizacif3n de la nanotecnologeda en la creacif3n de nuevos materiales como los que has puesto tfa: procesadores me1s re1pidos y pantallas transparentes me1s finas que el papel, lo que necesario es lo que nos cuenta la noticia; que se pueden enrollar y son flexibles, lo que interesa es que sean me1s baratos y que estos materiales no contaminen el medio ambiente. Creo que en el futuro sed sere1n utilizados estos materiales, pienso que lo hare1n en un futuro muy prf3ximo si las investigaciones en ellos siguen llendo tan re1pidas.

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