La naturaleza enseña a diseñar estructuras microscópicas Los científicos intentan reproducir los procesos de autoorganización naturales

Áreas como la electrónica, la industria del petróleo o la farmacéutica tienen una necesidad creciente de materiales con una estructura microscópica regular, cuya fabricación presenta grandes dificultades; sin embargo, estas estructuras son comunes en la naturaleza y los investigadores intentan reproducir en los laboratorios los procesos que llevan a la edificación de estas maravillas naturales.

Muchos materiales y estructuras útiles para la tecnología tienen patrones regulares. Por ejemplo, la pantalla del monitor de un ordenador contiene una parrilla regular de diminutos puntos de fósforo que brillan cuando son torpedeados por un haz de electrones. Detrás de los puntos hay una malla que protege a los puntos de los electrones destinados a sus vecinos. Y en las profundidades del circuito del ordenador hay componentes electrónicos organizados regularmente en un microprocesador, como memoria activa de la máquina.Todos los elementos individuales de estas formaciones geométricas han sido concienzudamente colocados uno por uno: todos los agujeros de la malla se han marcado separadamente. Pero, a medida que los aparatos y estructuras tecnológicas se vuelven cada vez más pequeños, hacer modelos de esta manera se vuelve complicado y difícil y, por consiguiente, caro.

También la naturaleza tiene parrillas regulares de agujeros y puntos: por ejemplo, la malla de la concha de una diatomea y las manchas sensibles a la luz del ojo compuesto de un insecto. Algunas de las escamas que cubren las alas de una mariposa están bordeadas de protuberancias microscópicas que dispersan la luz y dan al ala una apariencia coloreada e iridiscente. Estos dibujos no son producto de un trabajo laborioso: se crean a sí mismos. Los expertos en tecnología están deseando aprender algunos de los trucos de la naturaleza para desarrollar métodos baratos y fáciles de diseño microscópico.

Las ventajas de los modelos regulares son bien conocidas en el sector petroquímico. Los minerales naturales llamados ceolitas tienen armazones de tamaño atómico en los que los átomos de aluminio, silicio y oxígeno se organizan en andamios unidos por túneles y salpicados de cavidades.

Estas aberturas forman parrillas regulares con agujeros que son justo del tamaño adecuado para admitir moléculas individuales de hidrocarburos en la madriguera. Una vez dentro, las moléculas reaccionan con las paredes minerales, que rompen las moléculas o reorganizan sus átomos. Así, las ceolitas se utilizan como tamices moleculares: si los hidrocarburos se ajustan a los canales, se transforman, mientras que, si son demasiado grandes, se dejan intactos. Este tipo de transformación selectiva se utiliza para aumentar el octanaje de los combustibles de petróleo.

Desde los años treinta, los ingenieros químicos han encontrado formas de producir ceolitas sintéticas. En los años sesenta descubrieron unas pequeñas moléculas orgánicas llamadas tensoactivas, que actúan como plantillas alrededor de las cuales puede cristalizar el mineral. Una ceolita sintética llamada ZSM-5 es ahora uno de los catalizadores del sector petroquímico.

Luego se consiguió producir ceolitas con poros mayores para filtrar grandes moléculas o incluso bacterias. También se podría encontrar un uso más exótico: como material que captase y encerrase la luz. Durante la pasada década, los físicos se dieron cuenta de que materiales perforados con agujeros separados por un espacio regular pueden actuar como cristales fotónicos a través de los cuales no puede penetrar la luz. Si los agujeros tienen más o menos el mismo tamaño y separación que la longitud de onda de la luz, entonces pueden dispersar la luz. Esta dispersión impide que la luz pase siquiera de la primera fila de agujeros.

Un aislante de luz de este tipo podría ser útil en las telecomunicaciones; por ejemplo, para fabricar fibras ópticas con una capa hermética exterior que hiciera innecesaria la amplificación de la señal a lo largo de la línea. Los cristales fotónicos también se podrían utilizar para permitir hacer circuitos que funcionen con luz en lugar de electricidad. Y podrían dar lugar a nuevos láseres con un consumo eléctrico muy reducido. Pero la trampa es que la malla debe ser microscópica. Es muy difícil hacer agujeros de este tamaño.

En los últimos años, los científicos expertos en materiales han aprendido a explotar el truco de la naturaleza de hacer plantillas para fabricar cristales fotónicos. Una técnica es permitir que diminutas esferas de silicio o poliestireno de una suspensión se depositen como se deposita el barro del agua de un río. Si todas las esferas son del mismo tamaño, se acumularán en una formación ordenada como la fruta de un puesto de verduras. Esto se llama cristal coloidal. Luego, un material sólido se puede cristalizar en los espacios que quedan entre las esferas, y las esferas se pueden disolver químicamente o quemar para que quede la malla regular. Un ejemplo es el que publican en Nature un equipo de investigadores de Canadá y España [ver página siguiente].

Un proceso diferente permite formaciones de diminutos puntos o rayas de material semiconductor, de sólo unos cuantos nanómetros (milmillonésimas de un metro) de tamaño en una superficie. Estos puntos cuánticos son tan pequeños que sus propiedades (como su forma de reaccionar a la luz) se rigen por las leyes de la mecánica cuántica. Los puntos cuánticos podrían proporcionar las neuronas de un aparato de memoria capaz de almacenar datos con una densidad mucho mayor que los ordenadores existentes.

La investigación sobre materiales que se autoorganizan no ha hecho más que empezar, pero quizá algún día estos procesos nos permitan hacer diseños microscópicos tan bonitos como los que la naturaleza crea desde hace millones de años.