¿Como hacer para fabricar cosas tan pequeñas que no se ven? (Parte 2)

Fotolitografía
Alrededor de 200 años atrás, Alois Senefelder inventó la litografía como un método para imprimir en papel. El usaba una sustancia aceitosa para cubrir las áreas en las cuales no deseaba que la tinta se adhiera. La sustancia aceitosa rechazaba la tinta. Pero, ¿qué tiene que ver esto con la fabricación de los chips de computadoras? Los chips de computadoras son fabricados usando fotolitografía. Este proceso en lugar de tinta utiliza luz para dibujar. Lo primero que necesitas es un sustrato, que es aquello donde se dibujará. El sustrato se cubre con una sustancia! química llamada fotoresina. Hay una cantidad de sustancias químicas pueden actuar como fotoresinas, muchas de ellas son polímetros. Las fotoresinas cambian cuando están expuestas a la luz porque sus moléculas se entrelazan, haciendo que no sean fácilmente removidas en el proceso de revelado o lavado (explicado más abajo). Ahora estamos listos para dibujar. Para crear el diseño sobre el sustrato necesitamos una máscara que posea el patrón de tal diseño. Si irradiamos luz a través de esta máscara, la luz solo pasará por aquellas áreas transparentes de la máscara e il! uminará el sustrato. Para entender esto piensa en lo que pasa cuando p royectas sombras en la pared con tus manos. Finalmente, se necesitará el uso de otros productos químicos para revelar el patrón creado sobre la fotoresina, estos productos químicos removerán la fotoresina que fue iluminada con luz y, de esta forma, obtenemos del diseño sobre el substrato. Para hacer un chip de computadora necesitamos crear líneas muy finas, así como Alois uso una punta súper fina para dibujar sus litografías. La clave es entonces dibujar con alta resolución. Resolución es una medida que nos dice cuán cerca podemos colocar dos cosas, una al lado de la otra y aún poder distinguir la separación entre ellas. En los chips se instalaran dispositivos llamados transistores it. Los transistor! es son tan pequeños que miles de ellos cabrían en la pluma de Alois.

¿Como hacer cosas tan pequeñas que no se ven? (Parte 1)

Sabemos que hay cosas pequeñitas llamadas atoms, ellos forman moleculas, que nosotros podemos ver a través de microscopios muy poderosos que ven “palpando”. Pero, ¿cómo fabricamos cosas tan pequeñas que no se pueden ver? Los científicos e ingenieros pueden hacerlo de muchas formas y algunas de ellas no son para nada nuevas. La mayoría de los chips o microprocesadores para computadoras se hacen mediante un proceso llamado fotolitografía. esta palabra larga se parece a fotografía, pero aquí estaríamos hablando de de la forma vieja de fotografía, no de fotografía digital. La fotolitografía, al contrario de la fotografía que es bidimensional, es tridimensional y es un tipo de litografía hecha con luz, de allí viene lo de foto. La litografía es un procedimiento de impresión que consiste en la grabación de la imagen a imprimir en una piedra (lito significa piedra y viene del griego), denominada piedra litográfica. Alois Senefelder (cuyo largo nombre original fue Alois Johann Nepomuk Fraz Senefelder) de Munich inventó la litografía, imprimiendo en piedra alrededor de 1798. Partió de una simple ! idea, como es el hecho de que el agua y el aceite no se mezclan. Se di o cuenta que se podía hacer un diseño sobre una superficie usando una sustancia aceitosa (como un crayón) y, luego, untar la superficie con una tinta soluble en agua, viendo que la tinta solo se adhería a la parte donde no había marcas de crayón. Lo que Alois hizo fue cubrir toda la superficie con la sustancia aceitosa y luego dibujar raspando, de modo de eliminar la sustancia aceitosa de las líneas del diseño. Cuando el diseño estaba completo cubría toda la superficie con tinta, que se adhería solamente en las partes raspadas o sea a lo que había diseñado. Pero, ¿qué tiene que ver esto con fabricar chips para computadoras?

"La alarma del magic nano"

En mayo de 2006, un Eurobarómetro reveló que el 40% de los europeos cree que la nanotecnología mejorará su vida en los próximos 20 años; para el 13% no tendrá efectos; el 5% cree que empeorará las cosas; y el 42% no se define. "¿A qué grupo se unirán los que ahora no saben?", se preguntaba en un congreso sobre nanoseguridad en Helsinki el director general de Salud de la Comisión Europea. "Hay mucho en juego. Corremos el riesgo de que haya más peticiones de moratoria o incluso de que se repita lo ocurrido con los transgénicos".La asociación canadiense ETC ya ha pedido una moratoria para los productos nano. Greenpeace pide más estudios sobre los efectos de las nanopartículas. La alerta desatada hace un año en Alemania y Suiza con dos productos domésticos -Magic Nano y Finy- que usaban el término nano en su promoción reafirmó los temores de los ecologistas. Más de 100 usuarios de ambos productos, que se aplicaban como aerosol, se quejaron de náuseas, dolores de cabeza y en el pecho y problemas respiratorios. Los productos se retiraron del mercado pero no contenían ningún tipo de nanopartícula.

¿Es segura la nanotecnologia?

La nanotecnología está llegando al mercado por frentes de lo más variado, desde en pastas de dientes y cremas con filtro solar hasta en lavadoras, neveras, pinturas o limpiacristales. Es una irrupción largamente vaticinada y, por tanto, no debería causar sorpresa. Pero muchos se preguntan si no se debería, antes que nada, aclarar qué efectos tienen las nanoestructuras sobre la salud humana y el medio ambiente. Informes de las Naciones Unidas, de la Royal Society británica o de la UE coinciden con grupos ecologistas en admitir que el conocimiento sobre estos efectos es aún escaso. Además, planea el fantasma de la vieja polémica en torno a la biotecnología y los transgénicos. Nadie quiere tropezar con un rechazo del público a la nanociencia.

La nanotecnología es el control de la materia a escalas de entre 1 y 100 nanómetros -millonésimas de milímetro- e implica la fabricación de estructuras tan pequeñas como moléculas, invisibles al ojo humano. El interés de lo nano está sobre todo en que las propiedades de un material a esas escalas son muy distintas que a dimensiones macro, y el mercado ha empezado a aprovecharlo.

Por ejemplo, las nanopartículas de dióxido de titanio bloquean la radiación ultravioleta pero son invisibles, lo que las hace idóneas para cremas solares. También hay nanocristales de hidroxiapatita, el componente principal de la dentina de los dientes, que ya se añaden a dentífricos -presumiblemente refuerzan la dentina-. Hay una lavadora que utiliza nanopartículas para esterilizar la ropa y una nevera en la que se combaten así las bacterias. Y hay nanotubos de carbono, irrompibles pero ligerísimos, para reforzar raquetas de tenis; y más dióxido de titanio para ventanas que se limpian solas...

La lista es larga, pero según las previsiones no es más que el tímido principio de la invasión de lo nano en el día a día. Se espera que las futuras aplicaciones multipliquen la eficiencia de las fuentes de energía renovable, impulsen la medicina regenerativa o aceleren el desarrollo de ordenadores más potentes. Un informe de octubre de 2006 del consorcio europeo Nanoforum señalaba: "El principal potencial [de la nanotecnología] provendrá de las fuertes inversiones en investigación en un tipo de nanociencia que aún no ha alcanzado al consumidor".

Sobre estas expectativas hay pocas dudas. La pregunta es otra: ¿se está investigando todo lo que se tendría que investigar en nanotecnología? El informe anual de las Naciones Unidas de 2006 sobre el medioambiente califica a la nanotecnología de "desafío emergente": "Tiene un enorme potencial para generar beneficios sociales, económicos y medioambientales (...). Sin embargo, su impacto ambiental es en gran medida desconocido (...). Hace falta una investigación más sistemática, y políticas (de control público) específicas para el sector". Estados Unidos y Europa dedican 7.700 millones de euros a investigar beneficios potenciales de la nanotecnología, pero sólo 30 millones de euros a evaluar sus riesgos.

También la Real Sociedad y la Real Academia de Ingeniería británicas han declarado que es un motivo de "seria preocupación" la lentitud de su Gobierno a la hora de "reducir la incertidumbre en torno a los impactos ambientales y sobre la salud de los nanomateriales".

La UE hace autocrítica. Las conclusiones de un congreso sobre nanoseguridad organizado en Helsinki en octubre de 2006 por la Comisión decían: "Los nanomateriales son pequeños comparados con las barreras naturales del organismo a los objetos extraños. Además, pueden tener propiedades nuevas comparadas con las de la misma sustancia en su forma macro. Los científicos son aún incapaces de predecir estas nuevas propiedades. Debemos acelerar la caracterización [de los nanoma-teriales] y buscar diseños seguros para evitar que los riesgos desconocidos obstaculicen el desarrollo de las nanotecnologías".

Se sabe que las nanopartículas, una vez en el organismo -tras haber sido inhaladas, ingeridas, inyectadas o absorbidas por la piel- pueden atravesar la barrera hematoencefálica, que evita que sustancias potencialmente tóxicas en el torrente sanguíneo entren en el cerebro. Pero ¿hay realmente motivo de preocupación? ¿Se ha detectado ya algún tipo de efectos de la nanotecnología sobre la salud? La nanotoxicología y la nanoecotoxicología se ocupan de averiguarlo. Sin embargo, para Robert Madelin, director general de Salud y Protección al Consumidor de la Comisión Europa en Helsinki, son disciplinas aún en pañales.

Günter Oberdorster, de la Universidad de Rochester (EE UU) y ponente en el congreso de Helsinki, asegura que ya se han medido efectos de nanopartículas sobre la salud. Un ejemplo es su estudio, con ratas, sobre el efecto en el sistema nervioso central de nanopartículas de óxido de manganeso inhaladas. Hallaron que las nanopartículas viajaban rápidamente de la nariz a diversas regiones cerebrales.

Según este experto, la mayoría de las nanopartículas serán probablemente inocuas, pero hay que estudiar "caso por caso". No descarta "efectos agudos adversos y consecuencias a largo plazo", y subraya que el que un material sea seguro a dimensiones normales no implica que también lo sea su versión nano.

Otro estudio interpretable como advertencia, aunque tímida, es el realizado por expertos de la Agencia de Protección Medioambiental de EE UU con nanopartículas de óxido de titanio de los protectores solares. Los investigadores comprobaron que si añadían estas nanopartículas a células cerebrales de ratas en cultivo, éstas liberaban compuestos tóxicos a largo plazo. Pero nadie sabe aún si el efecto sería el mismo en animales vivos o si las nanopartículas de titanio en las cremas realmente pueden viajar hasta el cerebro.

En España, la Plataforma Española de Nanomedicina (Nanomed) ha creado un grupo de trabajo sobre toxicidad y regulación coordinado por Joan Albert Vericat. Pero se refiere sólo a nanomedicina. Es el ámbito, por ejemplo, de los publicitados nanorrobots que patrullarían el torrente sanguíneo en busca de invasores o toxinas. "Estamos aún muy, muy lejos de eso", dice Vericat; en cambio sí se ha "discutido bastante" en Nanomed sobre las nuevas técnicas nano de administración de fármacos. Un ejemplo son los dispositivos que una vez en el cuerpo liberan la medicina poco a poco, de forma que ésta se queda más tiempo en el organismo. Para Vericat, evaluar los efectos de esta novedad exige más estudios clínicos.

Sucesos importantes en la nanotecnologia

Un suceso en el campo de la nanociencia que emocionó a mucha gente fue la demostración, por parte de Don Eigler y su equipo de IBM, de la "manipulación atómica", esto es, se comprobó que se podía utilizar la punta de un microscopio de efecto túnel (una aguja ultra-afilada, básicamente) para deslizar átomos individuales hacia posiciones predeterminadas en una superficie sólida; en otras palabras, para montar una nanoestructura artificial átomo por átomo. Sus fotografías de los electrones atrapados en el "corral de quantum" (un anillo circular de átomos) son preciosas. Otro suceso que en mi opinión fue todo un hito, fue la creación de la "lanzadera" molecular por parte de Fraser Stoddart y sus compañeros de Birmingham (Reino Unido); la "lanzadera" tiene una molécula con forma de anillo con un eje molecular enhebrado a través de ella, y el anillo puede ser movido entre dos "estaciones" en el eje añadiendo o restando un electrón. Se trata de una "máquina molecular" prototípica.

El logro de poner a un hombre en la luna fue más allá de cualquier suceso individual específico. Requirió una voluntad y un compromiso con un objetivo ambicioso así como una comprensión compartida de cómo alcanzar esa meta. De igual modo, los fines de la nanotecnología van más allá de cualquier suceso concreto o del trabajo de cualquier laboratorio (aunque el trabajo en cuestión sea esencial). Debemos desarrollar y compartir el conocimiento y la comprensión del objetivo, y coordinar nuestros esfuerzos para alcanzarlo.

Basándose en aspectos naturales, un grupo de científicos-biomédicos de la Universidad de NorthWestern, han diseñado logrando desarrollar una especie de nuevo nanopegamento inspirándose en los geckos.

Los geckos, son pequeños lagartos con capacidades como la adherencia a superficies verticales e incluso techos literalmente planos, soportando centenares de veces su propio peso.

Esto es debido a los pelos que presentan en sus extremidades, pelos de 5 micras cada uno, los cuales están recubiertos por una especie de película de centenares de nanopelos con una dimensión aproximada a los 200 nm.

Han sido realizados experimentos, donde los mismos arrojan resultados muy positivos, incluso han logrado superar las incapacidades que presentaba el gecko, el cual en superficies húmedas o mojadas perdía su adhesión. Lograron esto, fijándose en otro molusco el cual no presenta este tipo de dificultadas, el geckel.

Aun no han sido publicado detalles relevantes sobre esta investigación, pero donde se estima que las aplicaciones serán varias, desde la fabricación de parches para cisternas, aviones o submarinos hasta robots trepadores, etc.

Para saber

La palabra "nanotecnología" es usada extensivamente para definir las ciencias y técnicas que se aplican al un nivel de nanoescala, esto es unas medidas extremadamente pequeñas "nanos" que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. El desarrollo de esta disciplina se produce a partir de las propuestas de Richard Feynman (Breve cronología - historia de la nanotecnología).

La mejor definición de Nanotecnología que hemos encontrado es esta: La nanotecnologia es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.

Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas


Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina (nanomedicina), etc..

Esta nuevas estructuras con precisión atómica, tales como nanotubos de carbón, o pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano pueden introducirnos en una nueva era, tal como señala Charles Vest (ex-presidente del MIT). Los avances nanotecnológicos protagonizarían de esta forma la sociedad del conocimiento con multitud de desarrollos con una gran repercusión en su instrumentación empresarial y social.

La nanociencia está unida en gran medida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la"nanotecnología molecular", esto es, la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y que son capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares. Desde entonces Eric Drexler (personal webpage), se le considera uno de los mayores visionarios sobre este tema. Ya en 1986, en su libro "Engines of creation" introdujo las promesas y peligros de la manipulación molecular. Actualmente preside el Foresight Institute.

El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas.

Existe un gran consenso en que la nanotecnología nos llevará a una segunda revolución industrial en el siglo XXI tal como anunció hace unos años, Charles Vest (ex-presidente del MIT).

Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con propiedades extraordinarias (desarrollar materiales más fuertes que el acero pero con solamente diez por ciento el peso), nuevas aplicaciones informáticas con componentes increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir células cancerígenas en las partes más dedlicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas aplicaciones.

Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los grandes avances tecnológicos que cambiarán el mundo.

La revolución nanotecnológica, se asocia, por una parte, a la "fabricación molecular" cuya viabilidad tendría un impacto enorme en nuestras vidas, en las economías, los países y en la sociedad en general en un futuro no lejano. Entre los efectos, destacan sus potenciales impactos en la medicina, la biología, el medioambiente, la informática, la construcción... En la actualidad los principales avances prácticos ya se dan en algunos campos: nanopartículas, nanotubos... Los progresos -más cuestionados- en materia de nanorobots y autoreproducción son objeto de polémica entre los expertos... Lo que no cabe duda es que la revolución ha comenzado.