La tecnología de lo muy pequeño da grandes pasos

Quinientos átomos de oro no son amarillos, sino rojos como cerezas

El premio Nobel de Física Richard Feynman propuso durante una conferencia una competición estudiantil: "El instituto de Los Angeles mandaría al instituto de Venecia un alfiler en cuya cabeza estuviera escrita la frase 'How' s this?', y lo recibiría de vuelta con las palabras 'Not so hot' escritas en el punto de la 'i"". Feyniman hablaba de construir cosas a base de manipular uno a uno los átomos, como en un lego microscópico con piezas unas 10 millones de veces más pequeñas que un milímetro; pero entonces, en 1959, la idea era pura ficción.Hoy, en cambio, el físico estadounidense es venerado como genial visionario, casi profeta, por científicos que hacen exactamente lo que él dijo, estudiar la materia a escala de nanometros -millonésimas de milímetro- y manipularla para aprovechar las peculiares propiedades que se observan.

Así, han aprendido a crear moléculas que se ensamblan solas formando las estructuras deseadas; dispositivos para cazar y controlar el movimiento de un único electrón; sistemas para estirar proteínas y medir cuánto aguantan hasta que se rompen; cables de pocos nanometros de grosor que conducen -sin calentarse- 10.000 veces más corriente que un cable normal... Son o serán en un futuro objetos útiles para crear nuevos materiales, fabricar sensores muy sensibles, diseñar fármacos... pero sobre todo para hacer microprocesadores muchísimo más potentes y pequeños de los actuales.

Interés tecnológico

Un grupo selecto de expertos se reunió recientemente en Toledo para repasar los principales avances mundiales en la nanociencia durante los últimos cinco años, en un foro de los varios que patrocina la OTAN "para promocionar áreas de investigación consideradas de gran interés tecnológico", según Nicolás García, director del Laboratorio de Física de Sistemas Pequeños y Nanotecnología del CSIC y uno de los organizadores:"La base de esta ciencia es entender cómo varían las propiedades de un material en función de su tamaño. Por ejemplo: ¿cuántos átomos hacen falta para que un metal sea como el que tú puedes coger en tu mano, el que conoces? Una agrupación de 500 átomos de oro no son de color amarillo, sino rojos como una cereza. Tienes que juntar miles de átomos antes de que el oro se haga amarillo. Las propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas, mecánicas... de un material dependen del número de átomos que tengas", explica Uzy Landmann, del Instituto Tecnológico de Georgia (EE UU).

El trabajo de Landmarin es simular con los ordenadores lo que las técnicas experimentales aún no permiten observar en realidad, como el comportamiento de las moléculas; partiendo de las leyes físicas que describen los enlaces atómicos, y resolviendo miles de ecuaciones, es posible simular las interacciones entre los miles de átomos del sistema. "Así puedes simular cambios en tu sistema y ver cómo se alteran sus propiedades; te conviertes en arquitecto del material macroscópico, porque puedes sugerirle al experimentalista qué cambios hacer en la molécula para lograr que se comporte como él quiere. La teoría ha llegado a un punto que nos permite predecir el comportamiento de las moléculas", dice Landmann.

En 1990 él y su grupo predijeron que si se toca un metal con una punta muy afilada y se tira lentamente, el metal se comporta como el queso de una pizza, o como un chicle: se desarrolla una especie de cable microscópico, un nanocable, que va creciendo con sus átomos colocados ordenadamente, como en un cristal. Es un efecto cuántico que sólo se ve cuando se estudia la materia a escala de unos 10 nanometros. "En el mundo cotidiano un metal no se comporta como un plástico, pero en la nanoescala la materia es especial", explica Landman. "Lo más bonito fue que tres años después se demostró que nuestra predicción era correcta en un experimento hecho en Madrid por Nicolás García y Arturo Baró, de la Universidad Autónoma", explica Landmarin.

Los nanocables miden unos 50 nanometros. En ellos los electrones no chocan con nada, y, por tanto, no pierden energía: el resultado es que se puede transportar gran cantidad de corriente sin que el nanocable se caliente, cualidad muy útil a la hora de fabricar microprocesadores potentes y pequeños. "Los nanocables son los elementos de conexión de los componentes de los microprocesadores del futuro; no puedes pensar en construir componentes de nanometros y unirlos con cables normales", dice García.

Pero, ¿cómo serán los componentes que tal vez conecten los nanocables? "La cuestión es si estarán basados en los dispositivos actuales de semiconductores, que se harán más pequeños, o si triunfarán líneas totalmente nuevas. Es aún una pregunta abierta, y espero que se resuelva antes de que me retire", afirma Konstantin Likharev, de la Universidad de Nueva York. Él cree haber dado con la técnica "mejor candidata -y probablemente la única conocida- a servir de base a la construcción de chips ultradensos a una escala menor de 10 nanometros": los dispositivos capaces de controlar el movimiento de un único electrón.

"El electrón es la partícula estable más pequeña de la materia; cuando hace dos años descubrimos que podíamos controlarlo, estábamos fascinados. Lo maravilloso es que podemos coger un electrón de entre miles de millones, llevarlo a otra parte y saber exactamente dónde está. No hemos resuelto todos los problemas teóricos, pero hemos demostrado que es posible construir transistores, los componentes esenciales de un chip, basados en el control de un único electrón".

Otra línea es la que ensaya Hans Biebuyck, de los laboratorios de IBM en Zurich, y que consiste literalmente en grabar con moléculas, sobre las placas de semiconductores, los circuitos de que están hechos los chips. Y son moléculas diseñadas específicamente para que las distintas capas del circuito se vayan ensamblando por sí solas.

"Estas moléculas tienen en un extremo un azufre que se pega a la placa base, por ejemplo silicio, y en el otro extremo un grupo funcional con que capturar otras moléculas", explica el premio Nobel Heinrich Rohrer, también de IBM. "Puedes usarlas para hacer circuitos minúsculos: recubres con ellas el plano del circuito y después lo apoyas sobre el sustrato adecuado: las moléculas se pegarán, y reproducirán en el sustrato la forma del plano; al extremo que quede suelto se Irán ensamblando ordenadamente las demás capas del circuito".

Y se barajan, además, otras muchas formas de fabricar nanochips: controlar el campo magnético de moléculas que funcionan como imanes, fabricar nanodiapasones y hacer que vibren al mismo tiempo... "De momento hay muchas tentativas y es difícil saber cuál de las ideas se traducirá antes en una aplicación práctica", opina Manuel Nieto-Vesperinas, del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid. Y Likharev sentencia: "Manejar las nanoestruturas pertenece en gran medida al futuro. Además, desafortunadamente la experiencia nos dice que el 90% del esfuerzo que hacemos será en vano y no acabará en nada práctico..., pero así es la ciencia".