EL AUGE DE LOS NANORROBOTS

Publicado en revista Investigación y Ciencia - Nº 443

 

Dentro de poco dispondremos de una nueva generación de dispositivos diseñados íntegramente a escala atómica.

Durante décadas, la fabricación industrial ha sido sinónimo de enormes cadenas de montaje. En ellas, una multitud de operarios –humanos o robots- puede llegar a construir desde un avión hasta objetos más pequeños y delicados, como fármacos, ordenadores o teléfonos inteligentes.

Imagine un futuro en el que el ensamblaje de procesadores y memorias digitales, generadores de energía, tejidos artificiales y aparatos clínicos tenga lugar a escalas imperceptibles a simple vista. Esa nueva era comenzará dentro de pocos años. Una vez llegue, pasaremos de disponer de productos que simplemente contienen nanotecnología (como las lociones de protección solar con partículas de dióxido de titanio para bloquear la radiación ultravioleta o las nanopartículas que aumentan la calidad de las imágenes clínicas, por mencionar dos ejemplos) a otros fabricados íntegramente a escala nanométrica.

Para ello no sólo deberemos mejorar nuestra comprensión de la materia a nivel atómico, sino que habremos de concebir nuevas herramientas y procesos de ensamblaje. Una manera de enfocar el problema procede de abajo arriba: las unidades menores, como átomos o nanotubos, por ejemplo, se unen para formar componentes de mayor tamaño. También pueden emplearse cadenas de ADN, así como otras moléculas naturales o de síntesis, a modo de materiales programables para construir motores y otros dispositivos a escala molecular. Otro método lo hallamos en el ensamblaje por rollos, consistente en imprimir dispositivos en miniatura sobre bobinas continuas de láminas de polímero.

La nanofabricación requerirá herramientas de una precisión extraordinaria, desde catalizadores químicos hasta otras de tipo biológico, óptico, mecánico o electromagnético. A más largo plazo, cabe esperar que entre esas herramientas se incluyan nuevas moléculas y metamateriales, sustancias elaboradas ex profeso para que posean propiedades que no se observan en la naturaleza.

A continuación presentamos algunos de los avances más prometedores de la nanotecnología y sus aplicaciones futuras.

TEJIDOS CIBERNÉTICOS

Puede que en un futuro logremos incorporar a nuestro organismo tejidos artificiales entrelazados con nanocircuitos electrónicos. En vez de implantar dispositivos electrónicos en un órgano, el nuevo tejido crecería sobre un andamiaje formado por nanosensores. El tejido sintético podría diseñarse para detectar y controlar patologías muy diversas, mientras que el andamiaje permitiría conectar una parte del sistema nervioso a un ordenador, una máquina u otro tejido vivo.

Un grupo de científicos de Harvard y del Instituto de Tecnología de Massachusetts ha construido un andamiaje de nanohilos elásticos que puede conectarse a células individuales. Explican que su objetivo consiste en fusionar el tejido con los componentes electrónicos de tal moso que resulte difícil decir dónde acaba el primero y dónde empiezan los segundos.

MEMORIAS DIMINUTAS

La nanotecnología se presta muy bien a fabricar memorias electrónicas más eficientes, económicas y con mayor capacidad. El objetivo no es baladí, ya que antes o después llegará el momento en que los microcircuitos no podrán seguir reduciéndose mediante la técnica de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS) usada durante décadas para fabricar circuitos integrados. El problema puede sortearse empleando el espín del electrón como elemento portador de información, tanto en memorias como en circuitos lógicos. IBM, Intel y otras compañías ya han comenzado a desarrollar memorias espintrónicas y otros dispositivos de bajo consumo que prometen operar con fiabilidad y rapidez.

Otro método consiste en escribir y almacenar datos con ayuda de nanoimanes. Un equipo de la Universidad Cornell ha diseñado un procedimiento eficiente para cambiar la polarización de un imán, lo que podría suponer un primer paso para fabricar una memoria RAM magnética (MRAM) que almacene datos aunque se suprima la alimentación. Al aplicar corriente a una capa de tantalio con un patrón litografiado, se produce una desviación de los espines lo bastante intensa como para invertir la magnetización de un imán cercano. Para restituir el sistema a su estado original, basta con invertir la corriente. Cuando esta no se aplica, el imán permanece estable, por lo que puede retener datos. La técnica tal vez permita fabricar teléfonos o tabletas que podrían encenderse y apagarse instantáneamente sin perder datos y sin gastar energía en el modo de espera (standby).

MÚSCULOS DE PLÁSTICO

Los músculos artificiales pueden hacer que un ojo parpadee, que un pez robótico nade o que una boya extraiga energía del océano. Dentro de poco se utilizarán nanopolímeros con forma de dendrita y con capacidad para contraerse y dilatarse ante los cambios de temperatura, los cuales podrán actuar a modo de membranas celulares, dispensadores de fármacos o fibras cardíacas artificiales.

Un equipo de la Universidad de Pensilvania dirigido por Virgil Persec, ha demostrado que, a pesar de su delgadez, dichos polímeros pueden levantar una moneda con un peso 250 veces superior al suyo. El principal reto para su fabricación consiste en encontrar polímeros capaces de autoensamblarse en estructuras que se comporten como músculos en miniatura (por ejemplo, como tejido cardíaco).

MICROCIRCUITOS DE LUZ

Los circuitos fotónicos integrados, cuyo vehículo de información es la luz, deberían contribuir a la miniaturización de los dispositivos electrónicos. Sin embargo, persiste aún un problema fundamental: las leyes de la difracción no permiten confinar la luz en un espacio inferior a la mitad de su longitud de onda. Sin embargo, la luz láser ordinaria presenta una longitud de onda entre 10 y 100 veces mayor que la escala típica de los dispositivos nanoelectrónicos.

A fin de superar esas limitaciones se está investigando la posibilidad de emplear láseres “plasmónicos” de estado sólido para transportar los datos. Estos constan de una rejilla de hilos semiconductores nanométricos e hilos metálicos de dimensiones similares. Las intersecciones de esa malla forman cavidades cuadradas en las que se confina la luz y cuyo tamaño puede reducirse hasta el 1 por ciento del límite de difracción: las dimensiones de un transmisor en un circuito integrado. Si se consiguiese que dichas cavidades emitiesen ráfagas minúsculas de luz láser, estos dispositivos podrían servir de base a sistemas ópticos tan diminutos que podrían alojarse entre los transistores.

Se trata de una línea de investigación liderada por Xiang Zhang y otros expertos de la Universidad de California en Berkeley.

CENTRALES ELÉCTRICAS DE VIRUS

Los virus pueden usarse para construir generadores de energía a escala nanométrica. A tal fin sirve el bacteriófago M13 manipulado genéticamente: con forma de varilla de unos siete nanómetros de diámetro y unos 900 nanómetros de longitud, este virus convierte energía mecánica en energía eléctrica y viceversa.

Seung-Wuk Lee, de la Universidad de California en Berkeley, lo ha empleado para construir un material piezoeléctrico capaz de alimentar una pantalla LCD de 10 centímetros cuadrados. Este método aprovecha la capacidad única de la naturaleza para sintetizar biomateriales en los virus, los cuales pueden replicarse, evolucionar y ensamblarse con precisión atómica. Los materiales piezoeléctricos de base vírica podrían alimentar futuros sensores nanométricos y otros dispositivos clínicos dentro o fuera del cuerpo humano a partir de la energía vibratoria de, por ejemplo, un latido del corazón.