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Nanotecnología: Es un Mundo Muy, Muy, Muy, Muy Pequeño

Ralph C. Merkle

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La nanotecnología, o el re-arreglo de los átomos para fabricar productos, tiene un potencial increíble. Por ejemplo:

  • computadores con memoria masiva pero con dispositivos de almacenamiento minúsculos
  • aviones y otras formas de transporte hechos con material de poco peso
  • instrumentos médicos que pueden operar células o genes

February 2009

Introducción

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Nanocristales inalámbricos, también conocidos como puntos cuánticos, emiten eficientemente luz visible. Fuente: Laboratorio Nacional Los Alamos.

Los productos manufacturados están hechos de átomos. Las propiedades de estos productos dependen de cómo estén organizados estos átomos. Si re-organizamos los átomos del carbón, obtenemos diamantes. Si re-organizamos los átomos de la arena (y agregamos una pizca de impurezas) obtenemos chips de computador. Si re-organizamos los átomos de la tierra, el agua y el aire, obtenemos pasto.

Desde que empezamos a hacer herramientas de piedra y cuchillos de pedernal, hemos estado organizando los átomos en enormes “manadas estadísticas” por medio de procesos tales como la fundición, el molido, el triturado, el astillado, y otros. En la actualidad hemos mejorado en hacer esto: podemos hacer más cosas, a costos más bajos, y con mayor precisión que nunca. Pero a escala molecular seguimos apenas produciendo grandes pilas desordenadas de átomos.

Esto está cambiando. En casos especiales ya podemos arreglar los átomos y las moléculas exactamente como queremos. Los análisis teóricos muestran claramente que podemos hacer mucho más. Algún día deberíamos ser capaces de arreglar y re-arreglar los átomos y las moléculas tal como arreglaríamos bloques de LEGO. Dentro de no muchas décadas deberíamos tener una tecnología de manufactura capaz de:

  • Fabricar productos con casi todos los átomos en el lugar correcto.
  • Hacerlo en forma barata
  • Hacer la mayoría de los arreglos de los átomos consistentes con las leyes de la física.

A menudo llamada nanotecnología, nanotecnología molecular o fabricación molecular, esta nos 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.

Las ventajas de la nanotecnología

Uno de los principios básicos de la nanotecnología es el control de la posición. A escala macroscópica, la idea de que podemos sostener cosas en nuestras manos y ensamblarlas colocándolas en forma correcta la una con respecto de la otra, data de la prehistoria: nos jactamos de ser la especie que utiliza herramientas. Nuestra sabiduría y nuestros conocimientos no nos habrían servido de mucho si no tuviéramos un pulgar que se opone: todavía estaríamos temblando entre los matorrales, incapaces de encender un fuego.

En la escala molecular, la idea de retener y colocar moléculas en sitios específicos es nueva y casi aterradora. Sin embargo, ya en 1959, Richard Feynman, el físico ganador del premio Nobel, dijo que ninguna ley de la física nos impedía arreglar los átomos en la forma que quisiéramos: “…en principio, es algo que puede ser hecho; pero en la práctica, no ha sido hecho porque somos demasiado grandes.”

¿Qué implicaciones tendría el que pudiéramos fabricar cosas con cada átomo en el lugar correcto, en forma barata?

  • Para comenzar, podríamos continuar la revolución de los equipos de informática incluso hasta las compuertas y cables moleculares -algo que los métodos litográficos de hoy en día (los que se usan para hacer chips de computadores) nunca podrían lograr.
  • Podríamos hacer materiales muy resistentes y muy livianos en forma muy barata: diamantes irrompibles por toneladas, con las formas deseadas exactas, y más de cincuenta veces más livianos que el acero de la misma resistencia.
  • Podríamos fabricar un Cadillac que pesara 50 kilogramos, o un sofá grande que uno pudiera levantar con una sola mano.
  • Podríamos hacer instrumentos quirúrgicos de tal precisión y destreza que podrían operar las células e incluso las moléculas de las cuales estamos hechos -algo mucho más allá de la tecnología médica de hoy en día.

La lista sigue y sigue - casi cualquier producto fabricado podría ser mejorado, a menudo en varios ordenes de magnitud.

¿Qué seremos capaces de hacer?

La nanotecnología debería permitir que casi cualquier producto manufacturado sea más rápido, más ligero, más fuerte, más “inteligente”, más seguro y más limpio. Ya se pueden empezar a ver las posibilidades, tal como lo ilustran estos pocos ejemplos. Es más difícil predecir productos nuevos que resuelvan problemas nuevos, en nuevas formas, aunque es probable que su impacto sea todavía mayor. ¿Habría podido Edison prever el computador, o Newton el satélite de comunicaciones?

1.Mejoras de transporte

  • Hoy en día la mayoría de los aviones están hechos de metal, pese a que el diamante tiene una relación de resistencia con respecto a peso 50 veces mayor que la del aluminio aeronáutico. El diamante es costoso, no lo podemos hacer en las formas que queremos, y se vuelve añicos. La nanotecnología nos permitirá hacer diamantes a prueba de destrozo (con una estructura que puede que se parezca a las fibras del diamante) en las formas exactas deseadas. Ella nos permitiría fabricar un Boeing 747 igual de resistente, pero cuyo peso, antes de ser cargado, seria 50 veces más liviano.
  • Hoy en día, los viajes a través del espacio son muy costosos y están reservados para unos pocos privilegiados. La nanotecnología reducirá los costos en forma dramática y aumentará las posibilidades de las naves espaciales y los vuelos espaciales. La relación de resistencia con respecto a peso y el costo de los componentes son absolutamente críticos para el desempeño y la economía de las naves espaciales: la nanotecnología mejorará estos dos parámetros. Además de suministrar en forma barata materiales notoriamente ligeros y resistentes para las naves espaciales, la nanotecnología también proveerá computadores extremadamente poderosos con los cuales guiar tanto estas naves como un amplio rango de actividades en el espacio.

2.Computadores de átomos

  • Hoy en día los chips de computador son fabricados utilizando litografía - literalmente hablando, “escritura en piedra.” Si la revolución de los equipos de informática continúa al paso actual, en más o menos una década tendremos que ir mas allá de la litografía, hacia una nueva tecnología de fabricación post litográfica. En últimas, cada elemento lógico será hecho de tan solo unos pocos átomos.
  • Ya se han propuesto diseños para portales de computador con menos de 1.000 átomos, pero cada átomo tan pequeño dispositivo tiene que estar exactamente en el lugar correcto. Para interconectar trillones y trillones de tan pequeños y precisos dispositivos en un patrón tridimensional complejo, y fabricarlos en forma económica, necesitaremos una tecnología de manufactura mucho más allá de la litografía de hoy en día: necesitaremos la nanotecnología.
  • Con ella deberíamos poder construir: dispositivos de almacenaje masivo que puedan contener más de 1 X 1020 bytes de computador en un volumen del tamaño de un cubo de azúcar, RAM que pueda almacenar un mero 1 X 1018 bytes en dicho volumen, y computadores del mismo tamaño puestos de forma paralela en cantidades masivas de tal manera que puedan transmitir 1 X 1018 instrucciones por segundo.

3.Usos militares

  • Hoy en día las armas “inteligentes” son bastante grandes -tenemos la “bomba inteligente” pero no la “bala inteligente.” En el futuro, incluso armas tan pequeñas como una bala podrían tener más capacidad informática que el súper computador más grande que existe hoy en día, permitiéndoles así llevar a cabo análisis de imágenes de sus alrededores en tiempo real y comunicarse con sistemas de rastreo de armas para así identificar blancos y navegar hacia ellos con mayor precisión y control.
  • También podremos fabricar armas en forma barata y mucho más rápida, tomando al mismo tiempo ventaja de las extraordinarias propiedades físicas del diamante. La fabricación rápida y barata de grandes cantidades de armas más precisas, guiadas por un poder de computación aumentado en forma masiva, alterará la forma en que peleemos las guerras. Los cambios de esta magnitud podrán desestabilizar las estructuras de poder existentes, de manera impredecible. Los usos militares de la nanotecnología plantean una serie de inquietudes, las cuales es prudente que empecemos a investigar antes, en vez de después, de que desarrollemos esta nueva tecnología.

4.Energía solar

  • La nanotecnología reducirá los costos tanto de las células solares como del equipo necesario para desplegarlas, haciendo así que la energía solar sea económica. Para esta utilización tenemos que hacer células solares nuevas o técnicamente superiores: al fabricar en forma barata aquello que ya sabemos fabricar en forma costosa, la energía solar pasaría a formar parte de la corriente principal.

5.Usos médicos

  • La medicina moderna no es la que cura, lo hacen las células mismas: no somos más que espectadores. Si tuviéramos instrumentos quirúrgicos que fueran moleculares tanto en su tamaño como en su precisión, podríamos desarrollar una tecnología médica que por primera vez nos dejaría sanar las heridas al nivel molecular y celular, lo cual es la causa principal de las enfermedades y la mala salud. Combinando la precisión de las drogas con la guía inteligente del bisturí del cirujano, podemos esperar un avance gigantesco en nuestras capacidades médicas.

¿Cuánto tiempo va a tomar esto?

La pregunta más frecuente que hace la gente acerca de la nanotecnología es: ¿Cuánto tiempo le tomará? ¿Cuándo nos permitirá hacer computadores moleculares? ¿Cuándo será que gracias a las células solares baratas vamos a poder usar energía solar limpia en vez de petróleo, carbón y energía nuclear? ¿Cuándo vamos a poder explorar el espacio a un costo razonable?

La respuesta científicamente correcta es: No lo sé.

Se han visto constantes reducciones en el tamaño y el costo de los elementos lógicos y continuas mejoras en su ejecución, desde los relés hasta los tubos de vacío, los transistores, los circuitos integrados, y los circuitos Integrados de Gran Escala (IGE).

  • La extrapolación de estas tendencias sugiere que tendremos que desarrollar la fabricación molecular en un periodo de tiempo entre el 2010 y el 2020, si es que queremos mantener la revolución de los equipos informáticos según los planes.
  • Por supuesto, la extrapolación de las tendencias pasadas para predecir la tecnología es un método filosóficamente discutible. Pese a que ninguna ley fundamental de la naturaleza nos impide desarrollar la nanotecnología dentro del curso planeado (o aun más rápido), tampoco hay ninguna ley que diga que esta programación no va a fallar.
  • Sin embargo, es aun peor el hecho de que tales tendencias implican que existe algún programa predeterminado que establece que la nanotecnología aparecerá no importando lo que hagamos o dejemos de hacer. Nada podría ser más erróneo. La cantidad de tiempo que tome desarrollar esta tecnología depende muchísimo de lo que hagamos. Si la buscamos en forma sistemática, ocurrirá más rápido. Si la ignoramos o simplemente esperamos que alguien se tropiece con ella, tomará mucho más tiempo. Y a través del uso combinado de enfoques teóricos, de cómputo y experimentales, podemos alcanzar la meta más rápido y en forma más confiable que si simplemente usamos un solo enfoque.
  • Pese a que algunos avances ocurren en forma de accidentes fortuitos o por un destello de lucidez, otros requieren más trabajo. Parece poco probable que una tarde a un científico en su laboratorio se le olvidara apagar el quemador de Bunsen y al volver se encontrara con que había hecho una nave espacial por accidente.
  • Tal como con el primer aterrizaje humano en la luna, el proyecto Manhattan, o el desarrollo del computador moderno, el desarrollo de la fabricación molecular requerirá el esfuerzo coordinado de mucha gente durante muchos años. ¿Cuánto tiempo tomará? Mucho depende de cuando empecemos.

Ralph Merkle, Ph.D., es co-inventor de criptografía de clave pública y Miembro Principal (Principal Fellow) de Zyvex, la primera compañía de nanotecnología molecular. Es director ejecutivo de la revista de Nanotecnología y asesor del Instituto Foresight. El Dr. Merkle ha recibido numerosos premios por su trabajo e ideas, incluyendo el Premio de Nanotecnología Feynman en 1998 (por teoría), y el Galardón RSA en Matemáticas en el 2000. Recibió su doctorado en ingeniería eléctrica de la Universidad de Stanford. http://www.merkle.com/

Nanotecnología: Es un Mundo Muy, Muy, Muy, Muy Pequeño

Estas referencias están en inglés. Las referencias no han sido traducidas al español dado que la mayoría de los artículos citan fuentes en el idioma inglés.

  1. Richard P. Feynman, Transcript of speech: “There’s plenty of room at the bottom” (1959) http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html
  2. Thomas Lawrence McKendree, “Implications of molecular nanotechnology technical performance parameters on previously defined space system architectures.” Paper presented at the Fourth Foresight Conference on Molecular Nanotechnology (1995). http://www.zyvex.com/nanotech/nano4/mckendreePaper.html
  3. National Space Society, “Position paper on space and molecular nanotechnology” http://www.islandone.org/MMSG/NSSNanoPosition.html
  4. Admiral David E. Jeremiah, USN (ret.., “Nanotechnology and global security”) Presentation at the Fourth Foresight Conference on Molecular Nanotechnology (1995) http://www.zyvex.com/nanotech/nano4/jeremiahPaper.html
  5. Ralph C. Merkle, “Nanotechnology and medicine” http://www.zyvex.com/nanotech/nanotechAndMedicine.html
  6. Ralph C. Merkle, “How long will it take to develop nanotechnology?” http://www.zyvex.com/nanotech/howlong.html
  7. “Computers: History and development,” Jones Telecom. & Multimedia Encyclopedia (Jones E-globe Library)

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