jueves, 27 de noviembre de 2014

Nanotecnología avanzada

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Octubre 4 de 2010

La nanotecnología o tecnología de lo pequeño se conoce también como tecnología atómica o tecnología gris. Esta disciplina trabaja a escalas del orden de una milésima de millonésima de metro, y está enfocada a diseñar, controlar y modificar materiales orgánicos e inorgánicos, a través de la miniaturización de componentes a rangos del nivel de un submicrón hasta niveles de átomos individuales o moléculas. Con la nanotecnología se plantea en un futuro no muy lejano crear sistemas nanoscópicos que permitan ensamblar o autoensamblar estructuras moleculares usando como materia prima elementos del entorno, lo que ocasionará que a medida que se vaya reduciendo la escala de trabajo de los dispositivos, los efectos cuánticos serán cada vez más importantes. Esta tecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicados al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas. Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Se tiene una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot sabiendo que un nanobot de unos cincuenta nanómetros tiene el tamaño de cinco capas de moléculas o átomos, dependiendo de qué esté hecho el nanobot.


Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja. La nanotecnología 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 también a nano escala. Cuando se maneja la materia a escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

La nanotecnología avanzada, en ocasiones también llamada fabricación molecular, es un término dado al concepto de ingeniería de nanosistemas, que constituyen máquinas a escala nanométrica, las cuales operan a escala molecular. Se basa en que los productos manufacturados se realizan a partir de átomos. Las propiedades de estos productos dependiendo de cómo estén esos átomos dispuestos. Así por ejemplo, si se reubica los átomos del grafito, compuesto principalmente por carbono, de la mina del lápiz se podrían hacer diamantes, cuya composición básica es carbono puro cristalizado. Si se reubica los átomos de la arena, compuesta básicamente por sílice y se agrega algunos elementos extras se consiguen los chips de una computadora.

A partir de los incontables ejemplos encontrados en la biología se sabe que miles de millones de años de retroalimentación evolucionada pueden producir máquinas biológicas sofisticadas y estocásticamente optimizadas. Se tiene la esperanza que los desarrollos en nanotecnología harán posible su construcción a través de algunos significados más cortos, quizás usando principios biomiméticos. Sin embargo, el investigador K. Eric Drexler y otros investigadores han propuesto que la nanotecnología avanzada, aunque quizá inicialmente implementada a través de principios miméticos, finalmente podría estar basada en los principios de la ingeniería mecánica.

Determinar un conjunto de caminos a seguir para el desarrollo de la nanotecnología molecular es un objetivo para el proyecto sobre el mapa de la tecnología liderado por Instituto Memorial Battelle, el principal de varios laboratorios nacionales de Estados Unidos, y del Instituto Foresigth. La fabricación molecular ofrece esperanza para una capacidad de respuesta mucho mayor por parte de los servicios humanitarios y para aliviar de forma más rápida el sufrimiento de las poblaciones afectadas por desastres naturales. El proyecto ofrece el siguiente escenario hipotético: “Dentro de unos años un pueblo en una región agraria aislado en un país pobre queda destrozado completamente por inundaciones, dejando a cinco mil familias sin casa, sin su medio de vida y sin agua potable. Hoy en día un acontecimiento de este tipo ofrecería todos los ingredientes de un desastre humanitario de gran escala. Pero dentro de unos años, y gracias a la fabricación molecular, una de las especialidades más controvertidas dentro de la investigación y avances del campo de la nanotecnología, solo con unos cuantos vuelos de un helicóptero se podría resolver la situación. Miles de avances tecnológicos ya han desarrollado materiales de ayuda más compactos y eficaces. Pero al avance tecnológico más importante hasta ahora es la nano-fábrica portátil que, con la utilización de materiales locales puede construir una amplia variedad de suministros humanitarios. El entorno es cómodo aunque extraño. Cuando las tierras se secan, se reconstruye poco a poco el pueblo. Casas vacías se desinflan y se queman. Los restos son utilizados por las plantas químicas. Se quema la mayoría de las nano-fábricas, aunque no todas. Algunos de los habitantes siguen cultivando en los invernaderos, y se guardan algunas nano-fábricas por si algún día vuelva a ocurrir un desastre. Este escenario describe el enorme y atractivo potencial humanitario de la nanotecnología. Para ello es necesario, y deseable, una gestión responsable de la nanotecnología y la fabricación molecular.

La fabricación molecular es el uso futuro hipotético de “ensambladores” reprogramables a nanoescala para construir productos átomo por átomo. Un ensamblador molecular es un manipulador robótico a nanoescala capaz de poner los átomos individuales, por ejemplo de carbono, en una superficie con precisión atómica. Un ensamblador molecular, para ser útil a los seres humanos, tendría que ser capaz de hacer copias de sí mismo. De lo contrario, sería demasiado largo para un ensamblador para crear algo de considerable tamaño o valor. Si una gran variedad de ensambladores podrían generarse en un ambiente de cooperación, se podría construir productos macroescala con precisión atómica, utilizando un proceso completamente automatizado con un alto rendimiento. Esto es bastante significativo que, si se superan los obstáculos técnicos, la tecnología podría lanzar otra Revolución Industrial, probablemente más transformadora que las dos primeras juntas.

Por otra parte los ensambladores moleculares y la fabricación molecular no son nada nuevo. Se tiene miles de millones de ellos al interior del organismo humano: orgánulos llamados ribosomas. Trabajando en gran número, los ribosomas sintetizan todas las proteínas en cada organismo en la naturaleza, desde los microbios extremófilos a la ballena azul. Su diseño básico es el mismo, porque todos los seres vivos evolucionaron de un ancestro común que ya tenía la maquinaria de síntesis de proteínas básicas en el lugar. Por supuesto, los ribosomas son también auto-replicantes.

Si un ensamblador molecular inorgánico fue creado con la capacidad de hacer copias de sí mismo, podría crear una nueva forma de “vida”, aunque sea un tipo controlado directamente a través de una aplicación de software. Esta idea ha sido llamada fabricación molecular, y algunos de los detalles técnicos para su funcionamiento ya fueron elaborados. Los teóricos diseñaron objetos a nanoescala físicamente viables, tales como: engranajes, motores, baterías, cables, barras, clasificadores, ejes, y muchos más. Algunos de estos dispositivos a nanoescala ya han sido fabricados, otros están activamente en diseño y desarrollo.

Los productos manufacturados están hechos de átomos. Las propiedades de estos productos dependen de cómo estén organizados estos átomos. Como se comentaba al inicio, si se reorganiza los átomos del carbón, se obtienen diamantes. Si se reorganiza los átomos de la arena, y se agrega una pizca de impurezas, se obtiene chips de computadora. Si se reorganiza los átomos de la tierra, el agua y el aire, se obtiene pasto. Desde que se empezaron a hacer herramientas de piedra y cuchillos de pedernal, se han organizando los átomos en enormes “manadas estadísticas” por medio de procesos tales como la fundición, el molido, el triturado, el astillado, y otros. Alrededor de primera década del siglo veintiuno es posible hacer más cosas, a costos más bajos, y con mayor precisión que nunca. Pero a escala molecular se continúa produciendo grandes pilas desordenadas de átomos.

Esto está cambiando. En casos especiales es posible arreglar los átomos y las moléculas exactamente como desea el diseñador. Los análisis teóricos muestran claramente que se puede hacer mucho más. Algún día el ser humano debería ser capaz de arreglar y re-arreglar los átomos y las moléculas tal como se arreglarían bloques de Lego. Dentro de no muchas décadas debería contarse con una tecnología de manufactura capaz de: (1) Fabricar productos con casi todos los átomos en el lugar correcto. (2) Hacerlo en forma barata. (3) Hacer la mayoría de los arreglos de los átomos consistentes con las leyes de la física. La llamada nanotecnología, nanotecnología molecular o fabricación molecular, permitirá fabricar la mayoría de los productos de tal manera que sean más livianos, más fuertes, más inteligentes, más baratos, más limpios y más precisos.

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