Nanociencia y Nanotecnología - FECYT - 1ed

NANOCIENCIA Y NANOTECNOLOGA

Entre la ciencia ficcin del presente y la tecnologa del futuro

FUNDACIN ESPAOLA PARA LA CIENCIA Y LA TECNOLOGA

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NANOCIENCIA YNANOTECNOLOGA

Entre la ciencia ccin del presentey la tecnologa del futuro


EEddiittaa yy ccoooorrddiinnaa Fundacin Espaola para la Ciencia y la Tecnologa

CCoooorrddiinnaacciinn ddee ccoonntteenniiddooss Jos ngel Martn Gago

RReeddaacccciinn ddee tteexxttooss Carlos Briones LlorenteElena Casero JunqueraJos ngel Martn GagoPedro Amelio Serena Domingo

RReevviissiinn ddiiddccttiiccaa:: Jos Mara Gmez OlletaPilar Molt Molt

FFoottoo ppoorrttaaddaa:: Nanotubos de un composite compuesto de poliestireno y nanopartculas magnticas de LaXSr(1-X)MnO3. Imagen cortesa de Jaime Martn y Carmen Mijangos del Departamento de Qumica Macromolecular y David Gmez del Servicio de Caracterizacin (ICTP, CSIC).

DDiisseeoo yy mmaaqquueettaacciinn:: Madridcolor I.D., S.L.

DDeeppssiittoo LLeeggaall::

IISSBBNN:: 978-84-691-7266-7

Esta publicacin est disponible gratuitamente, en formato pdf, en el apartado de publicacionesde la pgina web: http://www.fecyt.es, con el n de facilitar su acceso a la comunidad educativa.

La FECYT expresa su ms sincero agradecimiento a todas las personas e instituciones que han colaborado desinteresadamente con la cesin de textos e imgenes.


NNaannoocciieenncciiaa yy NNaannootteeccnnoollooggaa.. Entre la ciencia ccin del presente y la tecnologa del futuro

La Fundacin Espaola para la Ciencia y la Tecnologa (FECYT) ha escogido como tema para una nuevaunidad didctica la nanociencia y la nanotecnologa, dos disciplinas emergentes, con un elevado ca-rcter multidisciplinar y con especial relevancia cientca y social. No es casualidad que FECYT haya escogido estas disciplinas para una unidad didctica que se publicaen 2009, el Ao Europeo de la Creatividad y la Innovacin. Hablar de nanociencia y nanotecnologa eshablar de innovacin. Los desarrollos y aplicaciones industriales que realiza la nanotecnologa a par-tir de la investigacin bsica que realiza la nanociencia son absolutamente innovadores, desde nuevosmateriales con aplicaciones en medicina (fabricacin de ligamentos o tendones articiales) o en cons-truccin (edicios que se puedan autoabastecer energticamente), hasta dispositivos electrnicoscada vez ms diminutos y potentes.Es ese carcter innovador lo que ha llevado a incorporar la nanociencia y la nanotecnologa como unade las Acciones Estratgicas del Plan Nacional de I+D+I 2008-2011. Las acciones estratgicas son laapuesta del Gobierno en materia de I+D+I y responden a un concepto integral en el que se ponen envalor las investigaciones realizadas, as como su transformacin en procesos, productos y servicios parala sociedad. Dicho de otra manera, el gobierno reconoce el papel de estas disciplinas para mejorar lacompetitividad de la industria espaola. La presente unidad didctica, elaborada con la inestimable colaboracin de un grupo de cientcos ex-pertos, explica con rigor y al mismo tiempo de forma amena el tremendo potencial de la nanocienciay la nanotecnologa, disciplinas que, como el ttulo de la unidad indica, se encuentran entre la cienciaccin del presente y la tecnologa del futuro. Este texto, pensado como apoyo a los estudiantes de Se-cundaria, incluye un captulo sobre las implicaciones sociales de estas disciplinas, sin rehuir aspectospolmicos como el impacto que pueden tener algunas aplicaciones de la nanotecnologa o si real-mente estn justicadas las enormes expectativas que suscitan estas disciplinas. Esperemos que esta unidad didctica sirva para despertar el inters de la sociedad en general y enconcreto de profesores y estudiantes sobre estas disciplinas, as como transmitir la importancia y ne-cesidad de la implicacin de los ciudadanos en los debates cientcos y tecnolgicos.

JJuuaann TToommss HHeerrnnaanniiDirector General

Fundacin Espaola para la Ciencia y la Tecnologa



NDICEPRLOGO 1111

INTRODUCCIN (Gua de uso de este libro) 1133

1. NANO-INTRO: El nano-mundo a vista de pjaro 1177El mundo invisible 19

EEE 1.1 El nmero de Avogadro 20Nanotecnologa... Qu signica esta palabra? 20

EEE 1.2 La visin de Feynman sobre la ciencia 21EEE 1.3 La Qumica 24

La tecnologa actual o hasta dnde es posible reducir el tamao de un objeto? 24 EEE 1.4 Supercie y volumen 27EEE 1.5 Un no experimento 27EEE 1.6 La Fsica 28CE La teora cuntica 29

La tecnologa actual frente a la del futuro: Top-down frente a Bottom-up 34EEE 1.7 Qu es un interruptor? 36

Los orgenes de la nanotecnologa 36CE El discurso de Feynman There is plenty of room at the bottom 37CE Cmo llegar a ser nanotecnlog@? 41

2. NANO-HERRAMIENTAS: El arte de ver, tocar, mover y escribir 4477Microscopios para ver 49Microscopios de campo cercano: no slo los ojos, sino tambin las manos 51

CE La magia de la fsica cuntica para construir microscopios 54EEE 2.1 Microscopios: caractersticas generales 60

Manipulacin de la materia mediante el uso de microscopios 60Otras tcnicas litogrcas 64

EEE 2.2 Sistemas nanoelectromecnicos (NEMS) 65CE ALBA, el sincrotrn espaol: una herramienta kilomtrica para estudiar objetos nanomtricos 66

3. NANO-MATERIALES: Nuevos materiales para un nuevo siglo 7711En un mundo de carbono 73

EEE 3.1 Conseguir diamante en un laboratorio 77El baln de ftbol ms pequeo del universo: los fullerenos 78

EEE 3.2 Diez fullerenos o la calculadora ms pequea del mundo 79EEE 3.3 Cmo sera el fullereno cerrado ms pequeo? 80

Nanotubos de carbono: el hilo mgico 81CE Construyendo macro-tubos de carbono 82CE Los nanotubos como un nuevo acero 85CE La tela de araa y la cabra Spiderman 89EEE 3.4 Las zeolitas 90


NDICE

4. NANO-QUMICA: La danza de las molculas 9933Construccin de dispositivos moleculares mediante la aproximacin bottom-up 95

EEE 4.1 El azul maya: un ejemplo de material hbrido 96La qumica supramolecular y el diseo de molculas a la carta 97

EEE 4.2 Respiramos gracias a molculas 99CE La nanotecnologa mueve montaas: Mquinas moleculares 100EEE 4.3 Motores biomoleculares 102

Las monocapas autoensambladas 103EEE 4.4 Diseo de supercies con propiedades especcas: Una gotita de agua muy voluble 106

Nanopartculas 108EEE 4.5 Nanopartculas de oro: Un material nuevo?Una copa mgica? 109EEE 4.6 Materiales fotocrmicos 111EEE 4.7 Sintetizando nanopartculas 112

5. NANO-BIOTECNOLOGA: En busca de los secretos de la vida 111155Primera estacin: el micromundo 118

EEE 5.1 Construye un microscopio 120CE Los virus: nanomquinas que evolucionan 122

Pero estamos hechos de nanocosas! 125CE Origen de la vida, biologa sinttica y nanotecnologa 126EEE 5.2 La biologa 129CE Un zoom sobre un ser vivo: de lo macro a lo nano sin salir de la charca 130EEE 5.3 Dibuja el nanomundo 132

Manipulando nano-bio-objetos 132CE El ADN como nanobiopolmero 133EEE 5.4 Jugando al soga-tira con un virus 138

Hacia la nanomedicina 140Nanosubmarinos y nanorobots en nuestro cuerpo 141

EEE 5.5 El nanosubmarino amarillo 143El fabuloso mundo de los nanobiosensores 145

6. NANO-ELECTRNICA: Del silicio a las molculas 114499El siglo XX: la era de la Electrnica 151

EEE 6.1 Transistor, chip, circuito impreso, circuito integrado. Qu lo! 153Algn da dejarn de usarse los semiconductores para fabricar chips? 155

EEE 6.2 Densidades crticas de dopantes en el silicio 157EEE 6.3 Almacenamiento masivo 157

Cuando la ley de Ohm da problemas: transporte balstico 158Y adems...ms efectos cunticos! 160

CE Mecnica Cuntica encima de una mesa 161La nueva electrnica: molculas, nanotubos, nanohilos, puntos cunticos,... 163

EEE 6.4 Reduciendo la dimensin 164CE Los ordenadores cunticos y la nanotecnologa 168

Ms all de la electrnica: nanofotnica, espintrnica, biocomputadores y ciempis 170



7. NANO-SIMULACIN: El laboratorio en un ordenador 117755El mtodo cientco y las matemticas 177Calcular para predecir 178

EEE 7.1 Cunto tardar en caer un objeto desde el piso 20? 178De las reglas de clculo a los superordenadores 179

EEE 7.2 Un supercomputador frente a toda la humanidad 181EEE 7.3 Velocidad de los procesadores de videoconsolas 181

Simulacin: una forma de ahorrar recursos y tiempo 182Clculos en la nanoescala: de los clculos ab-initio a los mtodos semi-clsico 182

EEE 7.4 Es difcil programar en un super-computador? 186

8. NANO-APLICACIONES: Del laboratorio al escaparate 118899Nanomateriales 191Nanoelectrnica 193Nanobiotecnologa y nanomedicina 194

EEE 8.1 Liberadores de frmacos, espermatozoides y virus 196Instrumentacin, sensores, actuadores, ensambladores... 197La llegada de la nanotecnologa: un proceso de varias etapas 198De compras por el nano-mercado 199

9. NANO Y SOCIEDAD: implicaciones sociales de la nanotecnologa 220033Algo ms que la nueva revolucin industrial 205Nano+Bio+Info+Cogno: La convergencia NBIC 206

EEE 9.1 Debate: La inmortalidad 209Nanotecnologa, sostenibilidad y responsabilidad 209

EEE 9.2 La nanotecnologa como impulsora del desarrollo sostenible 210CE Nano-eco-toxicologa: Hombre prevenido vale por dos 211

El impacto meditico de la nanotecnologa 213EEE 9.3 Bsqueda de informacin en la red 214CE WEBOTECA Nanociencia y Nanotecnologa en la Red 214

El impacto cultural de la Nanotecnologa: arte, literatura, cine, moda, gastronoma... 218EEE. 9.4. Debate: El hombre de los seis millones de dlares 220EEE. 9.5 La nanotecnologa es premiada con el Premio Prncipe de Asturias 2008 222EEE. 9.6 La era del camalen 223

ANEXOS 222255ANEXO 0: Contenidos curriculares 227ANEXO I: Soluciones a ejercicios 233ANEXO II: Lecturas complementarias 239ANEXO III: Autores 245ANEXO IV: Leyenda iconos 247



PRLOGOMuchas veces, amigos e incluso compaeros investigadores de otras especialidades me preguntanpara cuando los nanorobots? Imaginan el futuro lleno de aparatejos microscpicos que nos curan,nos cuidan, nos divierten...Esperan que esta nueva ciencia de lo pequeo revolucione nuestra socie-dad y nos transporte al futuro de las pelculas de ciencia ccin. De alguna manera, el futuro que muchagente espera es el que recreaba la pelcula Un viaje alucinante, en el que un submarino con sutripulacin es reducido al tamao de un glbulo rojo y viaja por la sangre para reparar un daopreciso en el cerebro. Parece claro que los cientcos, en muchas ocasiones para sentirnos importantes yen otras para revalorizar nuestro trabajo, proclamamos que un pequeo hallazgo es la base de unfuturo medicamento contra el cncer, o de un nuevo y revolucionario dispositivo electrnico. Esta in-formacin es traducida por los periodistas y asimilada por el lector de la prensa como que hemosacabado con el cncer, o que un nuevo superordenador estar disponible en las tiendas este ao. Estasexpectativas crean una desilusin en la sociedad, que ve como despus de tantos anuncios triunfalistas, elcncer sigue sin curarse y nuestros ordenadores colgndose cuando ms los necesitamos.Las expectativas que se han puesto en el nanofuturo son muy elevadas y muchas veces no guardanrelacin con la base cientca que las sustenta. Tanto es as que hoy da la gente no sabe distinguirentre lo que ser real y la ciencia ficcin. Lo que llegar a nuestras casas formando parte de nuestracotidianidad y lo que se quedar en el laboratorio como meros experimentos acadmicos. Lo primeroser tecnologa, lo segundo, la ciencia bsica necesaria. Estos dos conceptos se mezclarn a lo largo deeste libro como se mezclan en nuestras mentes. En cualquier caso, la nanotecnologa se nos muestra hoy como una potentsima herramienta capaz devolver a transformar la sociedad cmo ya lo hiciese la microelectrnica en la primera mitad del siglo XX.La potencialidad de estas nuevas tecnologas parece verdaderamente ilimitada. A medida que latecnologa que se derive de esta nueva ciencia vaya transformando la sociedad, aparecern efectossecundarios o riesgos asociados a su uso extensivo. Sera pecar de un optimismo infantil no recapacitarsobre estos aspectos. Esta es una invitacin para el lector: que intente imaginar y evaluar las consecuenciassociales, ticas e incluso morales de la tecnologa del futuro que se presenta en este libro. Estospeligros son especialmente importantes en esta sociedad globalizada y muchas veces manipulada. Elpaso del laboratorio al mercado de consumo puede ser tan rpido como el dinero que una empresapueda ganar con ese desarrollo. La ciencia y tecnologa no escapan de la globalizacin y muchasconclusiones cientficas se deforman o distorsionan al servicio de objetivos polticos, ideolgicos yeconmicos. Por eso es tan importante tener ideas claras y formarnos nuestra propia opinin tambin entemas cientcos.Julio Verne, en el siglo XIX, imagin que el hombre llegara a la Luna, y ste nalmente lleg, al igual queen algunos aos llegar a Marte. Tambin se imagin al hombre paseando por el centro de la Tierra, yhoy sabemos que esto nunca podr ocurrir. Aunque es difcil discernir qu invencin ser realidady que otra no, intentaremos plasmar en este libro la base de la tecnologa que nos espera y que,


PRLOGO

sin duda, cambiar nuestras vidas. Intentaremos huir de las aseveraciones y buscaremos sugerir ypresentar elementos de juicio de manera tal que podamos distinguir entre la ciencia del presentey la tecnologa del futuro.Para cuando nanorobots? Seguramente nunca, pero s existirn otras soluciones mucho ms baratas,sencillas, imaginativas e igualmente potentes. stas son las que desarrollaremos en este libro.

Jos ngel Martn Gago



INTRODUCCIN(Guadeusodeestelibro)Ha supuesto para nosotros un gran reto, pero tambin un inmenso placer, desarrollar esta UnidadDidctica. La escritura de este libro ha sido una excusa perfecta para dar forma a una serie de charlas,conferencias de divulgacin, cursos de doctorado y de especializacin que hemos ido impartiendo endiferentes mbitos (como universidades, centros escolares y de formacin de profesorado) en unintento de plasmar esta informacin sobre un medio que perdure ms all de las palabras. En estesentido, los autores queremos agradecer a la Fundacin Espaola de Ciencia y Tecnologa (FECYT) laoportunidad que nos ha brindado al encargarnos confeccionar esta Unidad Didctica.ste no pretende ser slo un libro de consulta, sino una fuente de recursos e ideas para acercar lananotecnologa al profesor, al alumno y a cualquier otro lector con curiosidad por los avances cientcos.En el aula siempre se necesitan nuevos materiales y recursos, y los relacionados con las cienciasemergentes son a veces difciles de obtener. Pretendemos que este libro sea uno de ellos. Somos conscientes de las dificultades que entraa hacer divulgacin cientfica sobre un tema tancomplejo e interdisciplinar. Complejo, porque conceptos abstractos como la teora cuntica sonnecesarios para conocer las propiedades de los elementos que conforman nuestro entorno, y msan para entender el comportamiento de la materia en la nanoescala. Interdisciplinar, porque parallegar a comprender, por ejemplo, cmo se incorporar la electrnica molecular en los procesadoreso dispositivos biomdicos del futuro, debemos saber qu son las molculas, qu propiedades tienen,cmo funcionan en un ser vivo, qu tipo de tecnologa necesitamos para manipularlas y en qu estbasada la electrnica actual. Intentaremos evitar la complejidad, huyendo en lo posible de las frmulasy las palabras tcnicas, y no dando por sabido ningn concepto importante. Con ello buscamos unavisin clara y completa de los temas tratados, aunque sin perder el rigor inherente al mtodocientfico.Es difcil, a priori, identificar cul es el nivel mnimo de conocimientos para poder sumergirse en lalectura, esperemos que apasionante, de las pginas de este libro. Pensamos que cualquier personaque haya nalizado el 4 curso de la Educacin Secundaria Obligatoria (ESO) tiene ya los fundamentosque le permitirn seguir los contenidos del texto, aunque en algunos puntos la ayuda del profesor sernecesaria para facilitar su lectura. Creemos, adems, que el libro contiene temticas que conciernen ypueden interesar a todos los estudiantes, sin importar su especializacin. Aunque puede usarse comolectura complementaria o de apoyo en la mayor parte de las asignaturas de ciencias tanto de 4 de ESOcomo de Bachillerato, la nueva asignatura de Ciencias para el mundo contemporneo es tal vez unode los entornos ms adecuados para esta obra. Hemos intentado buscar el difcil equilibrio que existe entre una divulgacin tan fcil que no aportanuevos conocimientos y un texto demasiado acadmico y slo til para el lector especializado. Paraello, durante la escritura de este libro hemos realizado una serie de presentaciones en distintoscentros educativos situados a lo largo y ancho de la geografa espaola, en los que hemos tenido


INTRODUCCIN

la inmensa suerte de palpar la realidad del da a da acadmico y mantener un intercambio de ideascon la comunidad educativa (profesores y alumnos) de ESO y Bachillerato. En estos centros hemosrealizado tambin sencillas encuestas en las que mediante una serie de preguntas podamos constatar,antes y despus de nuestras charlas, los conocimientos actuales sobre nanociencia y nanotecnologa.As, pudimos conrmar que los jvenes con edades entre 14 y 17 aos son unos grandes devoradoresde tecnologa, y que ms del 90% posee telfonos mviles y reproductores de msica. Adems, casiel 70% de los alumnos encuestados (cerca de medio millar) conoce el trmino nanotecnologa y loasocia a la capacidad de construir cosas pequeas. Esto es debido, probablemente, al impactomeditico de este rea cientca, que ya forma parte de novelas, videojuegos y pelculas antes inclusode entrar en nuestras vidas mediante productos tangibles. Por el contrario, el concepto de nanmetronicamente era conocido por un 25% de los alumnos. Ya que se suele armar que el nivel culturalmedio de los habitantes de un pas es el correspondiente al de los alumnos en el ltimo curso de laenseanza obligatoria, los datos recogidos nos permiten intuir cul es la realidad social espaola enrelacin con su conocimiento de la nanociencia y la nanotecnologa. La contribucin de los Centros visitados no se ha limitado a ser un espacio muestral del que extraer datosestadsticos. Al contrario, los alumnos han tenido la oportunidad de expresarse de diversas formas sobrela nanotecnologa y sus aplicaciones. Gracias a ello, en cada captulo de este libro hemos incluido un pre-captulo que recoge algunas de sus ideas: correctas unas veces, imaginativas otras, interesantes siempre.Los centros que han participado en esta experiencia y a los que queremos expresar nuestro agra-decimiento son los I.E.S.: Barcelona-Congrs (Barcelona), Marco Fabio Quintiliano (Calahorra, La Rioja),Rosa Chacel (Colmenar Viejo, Madrid), Ciudad de Dalas (Dalas, Almera), Alfonso IX (Zamora), DaminForment (Alcorisa, Teruel), Sorolla (Valencia) y Duque de Rivas (Rivas Vaciamadrid, Madrid); as comolos centros escolares: Corazn de Mara (Zamora) y Amanecer (Alcorcn, Madrid).El libro est dividido en nueve captulos, de los que el primero y el ltimo son especiales. El primeroconsiste en una visin rpida y general de lo que son la nanociencia y la nanotecnologa, de maneraque el lector con prisa, o con ganas de echar un vistazo a estos temas de moda, pueda encontraren l las ideas fundamentales. A su vez, el captulo 9 habla de las connotaciones sociales de unarevolucin tecnolgica como la que la nanotecnologa est propiciando. El resto de los captulos,an siendo ms especializados, fueron pensados originalmente para que fuesen completamenteindependientes, de forma que cada lector pudiese seleccionar su lectura a la carta. Sin embargo,durante la realizacin del libro nos dimos cuenta de que esa idea contradeca una de las caractersticasesenciales de la nanotecnologa: su interdisciplinaridad, su carcter transversal. As, los captulos estnengarzados entre s mediante referencias y llamadas de uno a otro, de manera que quede patente larelacin existente entre matemticas, fsica, qumica, biologa y tecnologa. Esta inter-relacin esespecialmente evidente entre los captulos de nanomateriales (3) y de qumica (4), entre ste y el debiologa (5), o entre el de electrnica (6) y el dedicado a la computacin (7). Adems, en todos ellos seutilizan las herramientas tecnolgicas descritas en el captulo 2. Por ltimo, no queramos dejar pasaresta oportunidad sin incluir un captulo (8) dedicado a los productos que se venden y vendern en el



nanomercado, lo que se relaciona con los aspectos sociales expuestos en el captulo 9.El texto est ilustrado con numerosos dibujos y guras, obtenidas gracias a la colaboracin de decenasde instituciones, empresas e investigadores a las que queremos agradecer su contribucin a esta obra.Adems, insertados en los diferentes captulos aparecen cuadros especficos sobre temas concretos(y, generalmente, algo ms especializados). Pero el libro tambin busca la complicidad y la interaccincon el lector, por lo que se han incluido pequeos cuadros de otro tipo, que hemos denominado EEE-Ejemplo, Ejercicio, Experimento-, para mostrar curiosidades, temas de debate, fuentes de informacin,o sencillos problemas que permiten reflexionar sobre la grandeza de lo diminutamente pequeo.Esperamos que el lector disfrute de este paseo por el nanomundo, y que ello le sirva para aumentarno slo sus conocimientos sino tambin sus ganas de querer saber ms sobre el tema. Con lograrloestaramos sobradamente recompensados.

Jos ngel Martn Gago (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC)Elena Casero Junquera (Facultad de Ciencias, Universidad Autnoma de Madrid)

Carlos Briones Llorente (Centro de Astrobiologa, CSIC-INTA)Pedro A. Serena Domingo (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, CSIC)


NANO-INTRO: EL NANO-muNdO A vIsTA dE pjARO

1

Imagen tomada con un microscopio de efecto tnel (STM) en la que seaprecia un paisaje molecular. Molculas de cistena depositadas sobre una

supercie se reconocen y se ordenan entre ellas formando las.

Imagen cortesa de Celia Rogero, Centro de Astrobiologa.


Un nanmetro es una unidad de medida muy pequea, con la que se pueden medir objetos ocualquier otra cosa que sea pequea. (Mercedes, 3 E.S.O., I.E.S. Ciudad de Dalas).

La nanotecnologa es la ciencia que trata de conseguir tecnologas muy reducidas, seanmicrochips o robots. (lvaro, 1 Bachillerato, I.E.S. Barcelona-Congrs).

Nanotecnologa = Futuro. (Katherine, 1 Bachillerato, I.E.S. Barcelona-Congrs).

Las cosas por pequeas que sean pueden esconder un mundo en su interior. (Jennifer,1 Bachillerato, I.E.S. Marco Fabio Quintiliano).

Yo creara un mundo nanomtrico para que ese mundo fuese perfecto.(Jos, 2 Bachillerato, I.E.S. Sorolla).

Yo propongo llevar a cabo la pequea escala a la gran escala. La NASA estara muy interesada:tanto los transbordadores como los trajes estaran confeccionados con estos nuevos materiales

y se aprovechara la potencia en los motores para llegar ms lejos (Marte?) En las naves sepodran elaborar alimentos y medicamentos a partir de las molculas para asegurar la supervivenciade los astronautas. Nanotecnologa= gran escala. (Julin, 2 Bachillerato, I.E.S. Duque de Rivas)Si la nanotecnologa sigue avanzando es posible que colocando molculas de la manera

adecuada se pueda crear vida. (Alba, 2 Bachillerato, Centro Escolar Corazn de Mara).

En un futuro todo ser posible. (Laura, 2 Bachillerato, Centro Escolar Corazn de Mara).

Autora: Inma, I.E.S. Alfonso IX (Zamora).



SSii eenn llaa aaccttuuaalliiddaadd eell ddooccttoorr FFrraannkkeennsstteeiinn qquuiissiieessee ccoonnssttrruuiirruunn hhoommbbrree,, nnoo lloo hhaarraa ccoossiieennddoo ddiiffeerreenntteess ttrroozzooss ddee ddiiffuunnttoossrreessccaattaaddooss ddee tteenneebbrroossooss cceemmeenntteerriiooss.. EEll nnuueevvoo FFrraannkkeennss--tteeiinn vveessttiirraa uunnaa rreelluucciieennttee bbaattaa bbllaannccaa yy uuttiilliizzaarraa uunnaa cciieenn--cciiaa rraaddiiccaallmmeennttee nnuueevvaa.. UUnn ccuueerrppoo hhuummaannoo nnoo eess,, eennddeeffiinniittiivvaa,, mmss qquuee 6600 kkgg ddee aagguuaa,, 2200 kkgg ddee aammiinnoocciiddooss,,aazzccaarreess,, cciiddooss nnuucclleeiiccooss yy ggrraassaass yy uunnooss 330000 ggrraammooss ddeeiioonneess ccoommoo KK++ oo NNaa++.. EEnn ttoottaall,, ppooddrraammooss ccoommpprraarr ttooddoossllooss ccoonnssttiittuuyyeenntteess mmoolleeccuullaarreess ddee uunn sseerr hhuummaannoo ppoorr uunnooss880000 ,, iinncclluuyyeennddoo llooss ggaassttooss ddee eennvvoo.. UUnnaa vveezz ccoonnsseegguuiiddoossttooddooss llooss mmaatteerriiaalleess ddee ppaarrttiiddaa,, ee iimmpprroovviissaannddoo uunn llaabboo--rraattoorriioo eenn eell ggaarraajjee ddee nnuueessttrraa ccaassaa,, eess sslloo ccuueessttiinn ddee eennssaamm--bbllaarr ccaaddaa uunnoo ddee llooss ttoommooss yy mmoollccuullaass,, ccoollooccnnddoollooss ddeellaa ffoorrmmaa aaddeeccuuaaddaa,, ccoommoo ssii ssee ttrraattaassee ddee uunn eennoorrmmeeppuuzzzzllee eenn eell qquuee ccaaddaa ppiieezzaa eess uunnaa mmoollccuullaa.. AAhhoorraa bbiieenn,,eenn eell mmoommeennttoo eenn qquuee nnooss ppuussiisseemmooss eenn mmaarrcchhaa nnoo ttaarr--ddaarraammooss mmuucchhoo eenn ttooppaarrnnooss ccoonn,, ppoorr lloo mmeennooss,, ddooss ddii--ffiiccuullttaaddeess ppaarraa lllleevvaarr aa bbuueenn ttrrmmiinnoo nnuueessttrraa aammbbiicciioossaaeemmpprreessaa.. LLaa pprriimmeerraa,, qquuee ssoonn mmuucchhaass llaass ppiieezzaass qquuee ddeebbee--mmooss eennssaammbbllaarr yy,, llaa sseegguunnddaa,, qquuee nnoo tteenneemmooss hheerrrraammiieennttaassqquuee nnooss ppeerrmmiittaann mmaanniippuullaarrllaass eenn ttiieemmppooss rraazzoonnaabblleess..

NNeecceessiittaarraammooss llaa vvaarriittaa mmggiiccaa ccoonn llaa qquuee eell mmaaggoo MMeerrllnn hhaaccee ddee llaass ssuuyyaass eenn llaass ppeellccuullaass ddeeDDiissnneeyy ppaarraa ccoonnsseegguuiirr qquuee ffuueesseenn llaass mmiissmmaass mmoollccuullaass llaass qquuee ssee ppuussiieesseenn eenn ddaannzzaa yy ffoorrmmaasseennaallggoo ttaann ccoommpplleejjoo ccoommoo uunn oorrggaanniissmmoo.. DDee eessttoo ttrraattaa pprriinncciippaallmmeennttee llaa nnaannootteeccnnoollooggaa.. DDee ccmmooccoonnsseegguuiirr eessaa vvaarriittaa mmggiiccaa.. YY eess ddee eessttoo ddee lloo qquuee vvaammooss aa hhaabbllaarr eenn eessttee lliibbrroo..

ElmundoinvisibleEl asombro y el vrtigo que siente el ser humano ante lo ms grande y lo ms pequeo genera en l unacuriosidad atvica que le lleva a preguntarse por aquello que sobrepasa los lmites del mundo que co-noce a travs de los sentidos. Hoy, hemos construido telescopios que nos han mostrado cmo son lasestrellas, galaxias, nebulosas... Sabemos que las distancias y tamaos en el universo son tan grandesque superan nuestra capacidad de comprenderlos. As, una noche estrellada nos empequeece. Cu-riosamente, en el extremo opuesto, pensar en lo ms pequeo no nos hace sentirnos grandes. El mundode los objetos diminutos parece que no existe porque no lo vemos, y slo cuando se construyeron losmicroscopios se pudo descubrir un mundo fascinante, poblado de clulas, bacterias, virus, molculas eincluso tomos... El mundo invisible es tan innito y fascinante como el universo y aunque, por el hechode no poder verlo, nos cueste imaginar y comprender el pequeo tamao, el enorme nmero o la na-turaleza de los objetos diminutos, es un reto acercarnos a la grandeza de lo pequeo .

FIGuRA 1.1 Ensamblando pieza a piezaLa construccin de entidades superiores apartir de sus piezas constituyentes es el ob-jetivo principal de la nanotecnologa.Imagen de Wikipedia


1-NANO-INTRO:ElNano-mundoavistadepjaro

EEE1.1ElnmerodeAvogadroEl nmero de Avogadro nos permite establecer la relacin entre la masa de una sustancia omaterial y el nmero de tomos que contiene. Este nmero es enorme y corresponde a 6,022x 1023 partculas, de manera que un mol de una sustancia contiene esta cantidad tan elevadade partculas. As, por ejemplo, 1 mol de tomos de carbono (12 gramos) contiene el nmerode Avogadro de tomos. Imagina que estuvisemos constituidos nicamente por tomos decarbono, cuntas piezas tendra que ensamblar el doctor Frankenstein para construir nuestrocuerpo? Calcula adems cuntos aos tardara en lograrlo si consideramos que es capaz decolocar una pieza (un tomo) por segundo y compara el resultado que obtengas con la edaddel Universo (13.700 millones de aos, segn la NASA).Si has hecho bien este ejercicio te habrs dado cuenta de que el Dr. Frankenstein tardara mstiempo en ensamblar tomo a tomo un ser humano que el que lleva existiendo el Universo.

Nanotecnologa...Qusignicaesapalabra?Muchas definiciones circulan por la web para nanociencia y nanotecnologa y, como todo lo queaparece en Internet, deben de ser interpretadas con cautela. Hay quien dice que nanociencia es laciencia de lo innitamente pequeo. Esto no es estrictamente cierto, ya que esta denicin respondemejor, por ejemplo, al tipo de estudios de los que se ocupa la fsica de altas energas, que trabaja conprotones, neutrones o incluso los constituyentes de stos: los quarks. Otras personas piensan que lananotecnologa trata de reducir el tamao de los objetos hasta lmites insospechados. Veremos queesto tampoco es completamente acertado, ya que la nanotecnologa necesita tcnicas de fabricacindiferentes, basadas en otros conceptos. Por otra parte, a veces se asocia la palabra nanotecnologacon la construccin de dispositivos y robots como los que tenemos en nuestro mundo pero dedimensiones muy pequeas. Esto, como veremos a lo largo del libro, tambin es un error. Los problemasque presenta la denicin de estos trminos estn relacionados con el hecho de que ni la nanocienciani la nanotecnologa nacieron como disciplinas cerradas, sino que ambas son campos del cono-cimiento que se han ido construyendo paralelamente a la aparicin de nuevos descubrimientos y que,de hecho, no sabemos hacia donde derivarn. De manera general, se podra denir nanotecnologacomo la fabricacin de materiales, estructuras, dispositivos y sistemas funcionales a travs del controly ensamblado de la materia a la escala del nanmetro (de 0.1 a 100 nanmetros, del tomo hasta pordebajo de la clula), as como la aplicacin de nuevos conceptos y propiedades (fsicas, qumicas,biolgicas, mecnicas, elctricas...) que surgen como consecuencia de esa escala tan reducida. Noobstante, puesto que esta denicin puede resultar un poco confusa y la escala de tamaos un pocoarbitraria, vamos a profundizar ms en ambos trminos, acercndonos a estos conceptos a travs desus caractersticas y propiedades generales.



Para lograr una denicin clara de nanociencia y nanotecnologa, primero vamos a establecer culesson las principales diferencias entre ciencia y tecnologa. Para ello tendremos que responder a unaserie de preguntas: de qu se encarga cada una?, cul es el producto nal que originan?, en qu tipode instituciones se desarrollan? De una manera general, podemos decir que ciencia es el trabajorealizado en un laboratorio de investigacin, en el que se busca o prueba una capacidad o una ley dela naturaleza. La ciencia es necesidad de saber, un reejo de la curiosidad del ser humano, planteadade forma objetiva y utilizando el mtodo cientco. La sntesis de una nueva molcula, la manipulacinde una protena o el establecimiento de una ley relacionada con el transporte electrnico pueden seralgunos ejemplos del trabajo cientco que se lleva a cabo en un laboratorio. Los resultados obtenidosde cada una de estas investigaciones se redactan en forma de artculo y, despus de superar un examencrtico por parte de otros cientcos, se publican en revistas cientcas internacionales. As todo elmundo puede tener acceso al conocimiento generado y comprobar o refutar las ideas publicadas.

EEE1.2LavisindeFeynmansobrelacienciaEn la Edad Media circulaban todo tipo de ideas desca-belladas, como la de que el cuerno de rinoceronte au-mentaba la potencia sexual. Posteriormente, sedescubri un mtodo que permita discriminar entreideas vlidas y las que no lo eran: consista en probarlas unaa una para ver si funcionaban y en el caso de no funcio-nar se descartaban. Este mtodo se fue organizando y convir-tindose, por supuesto, en la ciencia. Y funcion tan bien,que ahora nos encontramos en una poca cientfica, y dehecho, no entendemos como pudieron existir los brujos,pues nada de lo que propusieron funcion realmente.Pero incluso hoy me encuentro con gente que tarde o tem-prano acaba por llevar la conversacin hacia los OVNIs, la as-trologa, alguna forma de misticismo, la expansin de laconciencia, nuevos tipos de conocimiento o de percepcinextra-sensorial, y cosas parecidas. Y yo he llegado a la con-clusin de que ste no es un mundo cientco.Extraido del libro Surely, you re joking, Mr. Feynman. Leccin inaugural del curso 1974,en Caltech (California Technology Institute).

Imagen tomada de Wikipedia



La tecnologa, sin embargo, parte de los conocimientos bsicos establecidos por la ciencia para construirun dispositivo o aparato que tenga una utilidad determinada. El conocimiento necesario paragenerar este dispositivo o aparato se traduce habitualmente en una patente, una forma de protegeresa invencin y que da ciertos derechos a los inventores. La ciencia suele desarrollarse en universidadesy centros pblicos de investigacin (en Espaa llamados OPIs: organismos pblicos de investigacin)ya que no tiene una repercusin econmica inmediata. Por el contrario, la tecnologa se desarrollaprincipalmente en empresas o centros tecnolgicos, ya que se busca un producto o proceso que sepueda vender, destinado directamente al usuario: t y yo. As, primero es la ciencia y algunos aosdespus (o a veces nunca) la tecnologa derivada de esa ciencia. Curiosamente, la creacin detecnologa proporciona herramientas nuevas a los cientcos con las que estudiar nuevos conceptosy avanzar en la ciencia, que a su vez generar nueva tecnologa. De esta manera ciencia y tecnologason las dos caras de una misma moneda, y se convierten en una rueda imparable que hace avanzar ala humanidad. A esto tambin se le llama crculo virtuoso.Pongamos como ejemplo un aparato cualquiera de uso comn: la televisin de pantalla plana. Estenuevo tipo de tele existe gracias a los experimentos de emisin de campo realizados en 1897 porR. W. Wood utilizando un simple tubo de descarga. Seguro que el profesor Wood nunca pens quese podra construir una televisin a partir de los conceptos bsicos que se derivaron de un experimentocientfico tan sencillo. Sin embargo, a principios de 1980, menos de un siglo despus, muchasmultinacionales electrnicas vislumbraron sus posibilidades tecnolgicas y comenzaron a trabajaren diferentes prototipos que, a principios del ao 2000, se comenzaron a comercializar. De algunade estas aplicaciones en el campo de la microelectrnica hablaremos en detalle en el captulo 6 deeste libro.Una vez establecida la diferencia entre ciencia y tecnologa, pasemos al significado de la palabranano. Nano es un prefijo proveniente del vocablo griego que significa diminuto, enano,pequeo. Este prefijo se utiliza en el sistema internacional (S.I.) de unidades para indicar un factor de10-9 (es decir, multiplicar algo por 0.000000001, o la mil millonsima parte de algo). As podramosdecir que nanociencia es la ciencia que puede realizarse con objetos de tamao mil-millonesimo-mtrico (o mejor nanomtrico). Por tanto, un nanmetro es la millonsima parte de un milmetro,una longitud 80000 veces ms pequea que el dimetro de un cabello humano. A su vez, nanotecnologaser la tecnologa generada con objetos cuyo tamao oscila desde una dcima de nanmetro a unacentena de nanmetro. Esta escala de tamaos es un tanto arbitraria. El lmite inferior (una dcimade nanmetro) parece claro, ya que por debajo del tomo no hay objetos manipulables. Sinembargo, el lmite superior (una centena de nanmetro) es una referencia para indicar que los objetosdeben de estar por debajo de la micra. Hoy en da tenemos el conocimiento necesario para mover,manipular y construir objetos de estos tamaos (nanociencia), que sern utilizados en un futurocercano para realizar una funcin especfica dentro de un determinado dispositivo (nanotecnologa).Dicho de otra manera: actualmente hemos avanzado bastante en lo que a nanociencia se refiere yestamos desarrollando las primeras aplicaciones nanotecnolgicas.



Del gran impacto que est teniendo actualmente la nanotecnologa y de las enormes aplicacionesque de ella se derivan, proviene la gran proliferacin del prejo nano. As, omos hablar de disciplinascomo nanoqumica, nanoelectrnica, nanomedicina o nanobiotecnologa; o de objetos tales comonanopartculas, nanotubos, nanoimanes o nanomotores. En definitiva, el colocar el prefijo nanodelante de una palabra determinada nos indica que ese campo se va estudiar desde sus componentesms pequeos. Estos pueden considerarse que son los actores del nanomundo, objetos con tamaoscomprendidos entre 0.1 nm y 100 nm. En la gura 1.2 se detallan algunos de ellos que aparecern envarias ocasiones a lo largo de este libro. A la figura podramos aadir cualquier otro objeto queseamos capaces de construir, inventar o, por qu no, soar en estos mrgenes de tamao.

FIGuRA 1.2 Los actores del nanomundoDiferentes objetos con su tamao caracterstico. Los objetos cuyo tamao est comprendido entre 0.1 y 100 nm son con losque trabaja habitualmente la nanotecnologa.

Sin embargo, uno podra preguntarse cul es entonces la verdadera diferencia que existe entre lananotecnologa y la qumica? No han intentado los qumicos trabajar con tomos desde que Daltonen 1808 postulase su existencia? La diferencia reside precisamente en la forma en la que se manejan



los objetos. Mientras que la qumica ha trabajado tradicionalmente desde un punto de vista macroscpicoy global (por ejemplo, siguiendo las reacciones que ocurren en un tubo de ensayo mediante cambiosen el color, temperatura o pH), la nanociencia sigue estos procesos a una escala atmica o molecular,pero de manera individual: entendiendo, manipulando y actuando sobre una molcula en particular(o un tomo, o una nanopartcula, o una protena...).

EEE1.3LaQumicaSabas que la palabra qumica viene de la palabra latina chimista, que es una abreviacin dealchimista? A su vez, chimista proviene de la palabra egipcia kme, que significa tierra. Losalquimistas, a travs de sus recetas secretas, pretendan transformar cualquier metal en oro. Sinembargo, el concepto actual de Qumica no se estableci hasta principios del siglo XIX cuandoLavoisier estableci la ley de conservacin de la masa y Dalton postul la existencia de lostomos.Busca en la red los cientcos que recibieron el Premio Nobel de Qumica desde 1901, fecha enla que se instaur el galardn. Cuntos conoces? (busca en http://www.nobelprizes.com/).

Latecnologaactualohastadondeesposiblereducireltamaodeunobjeto?La invencin del transistor en 1947 ha sido, sin duda, uno de los hechos ms importantes para lasociedad del siglo XX. Hizo posible la aparicin del circuito integrado y del microprocesador, que sonlas bases de la microelectrnica actual. Estos dispositivos han generado una revolucin en la sociedad,de manera que hoy no nos imaginamos la vida cotidiana sin ordenadores, televisiones, telfonosmviles o aparatos reproductores de msica o pelculas. El reto que tiene marcado la tecnologa esclaro: ofrecer ms informacin, en menos espacio, de forma ms rpida y por menos dinero. As, porejemplo, en el campo de la reproduccin musical, en los aos 50 se populariz el uso de los discos devinilo o LPs (long play) como soportes musicales que necesitaban equipos electrnicos del tamao deun pequeo mueble para poder sonar. stos ocupaban algo menos de 1 m3. Despus vino la cintamagntica dentro de una cassete, que posibilit reducir el volumen del reproductor hasta 1 dm3. Luegolleg el CD, que se convirti en DVD, y se escucha en un walkman que ocupa 0.1 dm3. Y ya por ltimo,los reproductores de MP4, cuyo elemento de almacenamiento de informacin junto con toda laelectrnica ocupan del orden de 1 cm3 En tan slo 50 aos el volumen de los equipos de msica seha reducido un milln de veces!



Los primeros aparatos electr-nicos que se desarrollaron erananalgicos, es decir, operabancon pequeos voltajes aplica-dos en distintos puntos de uncircuito electrnico impreso.Estos voltajes podan tener cual-quier valor entre 0 y 10 voltios.Posteriormente, se introdujo laelectrnica digital, que operabacon dos dgitos: 1 0, es decir,o se aplica un voltaje (mayor de5 voltios) o no se aplica. Loscircuitos integrados puedenrealizar fcilmente operacionesutilizando el sistema binario deceros y unos. Para poder alma-cenar la informacin en esteformato binario se idearonsoportes rgidos (como los discos

duros o CDs). En estos soportes, un 1 o un 0 signica que existe o no existe una determinada propiedado estructura. Pongamos como ejemplo el funcionamiento de un CD o DVD. Este tipo de soporte (gura1.4A) est constituido por una serie de surcos y a su vez cada surco est formado por pozos de unasdeterminadas dimensiones separados entre s a distancias regulares. Si al incidir el lser del lectorptico sobre el CD lo hace sobre un pozo, la luz no se reeja y esto se interpreta como un 0. Si por elcontrario, incide sobre una zona donde no hay pozo, se reeja y esto se interpreta como un 1. A cadauno de estos pozos se les llama bit o unidad de informacin. El bit puede tomar por tanto dosvalores: 0 y 1. En un soporte magntico (como el de los discos duros de los ordenadores que utilizamos),la informacin se almacena en un grano de material magntico y el lector debe entonces interpretar siel campo magntico que dicho grano genera apunta hacia arriba (1) o hacia abajo (0). Cada granomagntico es un bit. El tamao tpico de los bit magnticos en el disco duro de tu ordenador esaproximadamente 360 nm (este es un valor actual, en el disco duro de un ordenador de hace unosaos, como el que se muestra en la gura 1.4 C, es de unos 800 nm) y el de los DVD tradicionales de650 nm (gura 1.4 A). Cuanto ms pequeo sea el tamao del bit, ms informacin podemos almacenar enel mismo espacio. Imaginemos que reducimos el tamao del bit al de una nanopartcula o por qu no,al de una molcula, o un tomo. Si construysemos un DVD con pozos no de las dimensiones de lagura 1.4A (unos 50.000 nm2 cada bit ), sino del tamao de un tomo (0.01 nm2), nuestro dispositivo dealmacenamiento sera capaz de contener los 17 millones de documentos de la Biblioteca Nacional deEspaa. Veremos en el captulo 6 si esta reduccin de tamaos es posible y si tiene sentido.

FIGuRA 1.3 soportes musicalesEvolucin de los soportes musicales en los ltimos 50 aos. Imagen cortesa de Elena Casero



Si tenemos en cuenta que en el curso de muy pocos aos se han logrado construir aparatos electrnicosque cada vez tienen ms capacidad y ocupan menos espacio, parecera que, en principio, esta carrerahacia la minituarizacin no tiene n. En 1965, un ingeniero llamado G. Moore estableci que la densidadde transistores en un dispositivo de estado slido se doblara cada 18 meses. Es lo que se conoce comola ley de Moore. Esta previsin se ha venido cumpliendo contra todo pronstico, a pesar de que fuepostulada con muy pocos datos experimentales. As, un procesador Pentium IV tiene en su interioraproximadamente 6 millones de transistores/cm2, valor que cuadruplica a los del Pentium I, creadoslo 4 aos antes. Para la construccin de estos transistores se utilizan tcnicas de fabricacin litogrcas(ver captulo 2), mediante las cuales es posible grabar diversas estructuras en un chip. La separacinentre lneas en el ao 2000 era de 180 nm y en el ao 2008 es de 45 nm, como anunci IBM. Extrapolandoestos nmeros, en el ao 2016 la separacin entre lneas debera ser de 10 nm, es decir inferior a 100tomos. De seguir cumplindose esta ley y al mismo ritmo, podramos aventurar que a mediados delsiglo XXI llegaramos a un lmite absoluto: un bit = un tomo. Sin embargo, antes de alcanzar estelmite nos encontraramos con varios problemas. El primero de ellos tiene que ver con el hecho de quea medida que se reduce el tamao de un objeto, su supercie crece respecto a su volumen. Si hicisemosunas cuentas sencillas, como las que nos propone el ejercicio 1.4, nos daramos cuenta de que en unmaterial cualquiera, el nmero de tomos que se encuentran en su superficie es notablementeinferior a aqullos que componen su volumen.

FIGuRA 1.4 El bitImgenes de microscopa de fuerzas atmicas de 10 x 10 m2 de un DVD tradicional (A) y de un DVD de alta densidad (Blu-Ray) recientementecomercializado (B). Ambas imgenes estn tomadas a la misma escala. La barra horizontal blanca marcada en las imgenes representa ladistancia tpica entre dos bits consecutivos y es del orden de 650 nm en el caso del DVD tradicional (A) y de 320 nm en el DVD Blu-Ray (B).Esta distancia corresponde a la longitud de onda del lser de lectura. En el caso del DVD tradicional el lser es rojo (= 650 nm) y en elcaso del Blu-Ray el lser de lectura es azul (=405 nm). Aunque el tamao de ambos soportes es idntico, la capacidad de almacenamientode informacin de cada uno es muy distinta. Como se aprecia en las imgenes, el formato Blu-Ray ofrece hasta 5 veces ms capacidad dealmacenamiento que el DVD tradicional. En la gura C se puede ver la supercie de un disco duro de un PC. Esta imagen muestra los distintosdominios magnticos (bits) donde se almacena la informacin. Para saber cmo se pueden realizar estas imgenes tendrs que leer elcaptulo 2.

Las imgenes 1.4A y 1.4B son cortesa de Luis Vzquez y la imagen 1.4.C de Miriam Jaafar y Agustina Asenjo, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC).



EEE1.4SupercieyvolumenImaginemos que tenemos un cubo de oro de 1 x 1 x 1 cm3. Cuntos tomos habr en susupercie y cuntos en el volumen? Y si en lugar de un cubo tuvisemos una nanopartcula de1 x 1 x 1 nm3? Determina en cada caso el porcentaje de tomos de supercie respecto del total.Considera que el dimetro de un tomo es 0.1 nm.

Una consecuencia importante de este aumento en la relacin superficie/volumen es que, puestoque las propiedades fsicas de una superficie son muy distintas a las del volumen, las propiedadesdel material cambiarn al reducir el tamao del objeto. A medida que los objetos se hacen mspequeos, se van convirtiendo ms en supercies, donde los tomos tienen menos vecinos, tienenla posibilidad de escapar antes del material, pueden sentir mejor la presencia de otros tomosexternos y reaccionar con ellos. Estas modificaciones en las propiedades se conocen como efectosde tamao finito.

EEE1.5UnnoexperimentoEn 1774, B. Franklin observ que, en las islas Bermudas, los pescadores echaban aceite en lasaguas del mar para apaciguar las olas y poder ver ms fcilmente los peces bajo el agua. Araz de esta observacin, a Franklin se le ocurri verter una cucharada de aceite en un puertopara ver que ocurra. Sorprendentemente, observ como casi inmediatamente se calmabanlas olas en un rea de varios metros cuadrados, y como este efecto se iba expandiendo despaciohasta afectar a aproximadamente medio acre, convirtiendo la superficie del agua en un suaveespejo. Franklin no hizo la cuenta, pero si hubiese sabido algo ms acerca de la molcula deaceite (cido oleico), se habra dado cuenta de que una cucharada de unos 2 ml distribuidasobre medio acre (0.2 hectreas) corresponde a un espesor de la capa de aceite de aproxima-damente 2 nm. Unos 100 aos ms tarde, Lord Rayleigh se dio cuenta de que el espesor delaceite en agua es de una sola capa molecular. Bastaba una sola capa de molculas para cambiarradicalmente las propiedades del agua del puerto!No obstante, no te recomendamos que hagas este experimento, ya que el agua y el aceiteson inmiscibles y por tanto las molculas de ste permanecern sobre el agua ensucindoladurante muchos aos. Sera un crimen ecolgico!



El segundo problema con que nos encontramos en esta carrera sin n hacia la miniaturizacin resideen que para tamaos del orden o inferiores al nm aparecen efectos que son diferentes a los quegobiernan la materia a escala macroscpica, los llamados efectos cunticos (ver captulo 7). La fsicacuntica requiere una nueva forma de pensar. En nuestro mundo las ecuaciones de Newton denenel movimiento de los cuerpos, las de Maxwell la radiacin electromagntica y la ley de Ohm la electricidad.stas y otras leyes simples dejan de ser vlidas cuando tratamos con objetos muy pequeos. La fsicacuntica, con sus paradojas, nos demuestra nuestra incapacidad para conocer de manera absoluta elmundo que nos rodea, ya que slo seremos capaces de describir la probabilidad de que un objetoest en un determinado lugar o de que un suceso ocurra. As, con el desarrollo de la fsica cuntica enla primera mitad del siglo XX, el concepto de tomo pas de ser una certeza que nos permita explicarla naturaleza y hacer predicciones ables, a ser un concepto etreo y de difcil comprensin dentro denuestra lgica cartesiana. Estas nuevas leyes y frmulas descritas por la teora cuntica son verdaderamentesorprendentes ya que contradicen nuestra lgica basada en la experiencia en el mundo cotidiano. Losprincipales conceptos de la teora cuntica estn resumidos en el cuadro especco la teora cuntica,aunque te recomendamos que la consumas con moderacin: podras difractarte o tunelear yaparecer en la habitacin contigua!

EEE1.6LaFsicaSabas que la palabra fsica viene del trmino griego que signica naturaleza? De hecho,fue en la antigua Grecia donde se desarroll esta disciplina de forma cercana a la losofa, comouna forma de explicar el mundo que nos rodea de una manera global. Busca en la red los cientcos que recibieron el Premio Nobel de Fsica desde 1901, fecha en elque se instaur el galardn. Cuntos conoces? (busca en http://www.nobelprizes.com/).

Por ltimo, y como veremos con detalle en el captulo 2, otro problema fundamental que aparece alintentar seguir disminuyendo el tamao de un objeto es que cada vez resulta ms difcil mejorar lasherramientas que permiten su manipulacin. Por tanto, aunque la ley de Moore se ha cumplido inexorablemente durante ms de 30 aos, vemosque llegado un momento aparecen una serie de limitaciones intrnsecas que son irresolubles con eltipo de planteamiento en el que se basa la tecnologa actual. As se impone la necesidad de desarrollaruna nueva tecnologa que nos permita asumir los desafos planteados en nuestra carrera hacia laminiaturizacin. Ese es el papel de la nanotecnologa.



FIGuRA 1.5 Nuevos conceptos para nuevas tecnologas Basados en la mecnica cuntica han surgido nuevos tipos de mi-croscopios, llamados de campo cercano, que nos permiten ver ymanipular la materia a escala atmica. Estos microscopios han sidouna verdadera revolucin cientca. Desde que se descubri la difraccinde rayos X hace ms de cien aos, muchos cientcos han estudiado,con mucho esfuerzo matemtico, cules eran las posiciones de lostomos en los materiales. Ahora, estas tcnicas nos permiten verlos y,por suerte para todos, estn donde ellos predijeron. En la imagenpodemos ver la punta de uno de estos microscopios pasendosesobre los tomos de una supercie.Imagen cortesa de Flix Zamora y Julio Gmez, Universidad Autnoma de Madrid.

FIGuRA 1.6 Electrnica molecularNuevos circuitos electrnicos formados por molculas y pequeosgrupos de tomos sobre supercies pueden dar lugar a los dispositivoselectrnicos del futuro.Imagen cortesa de Enrique Sahagn, Universidad Autnoma de Madrid.

LateoracunticaEn el mundo cotidiano en el que nos desenvolvemos, las distancias tpicas entre objetos son lasque separan este libro de tus ojos: se pueden medir con una cinta mtrica. Todo lo que midamilmetros o diste kilmetros de nosotros forma parte de nuestro mundo, porque lo abarcamoscon la vista y tenemos una imagen de estos objetos. Cuando algo sobrepasa estos tamaos noscuesta imaginarlo o entenderlo. Nos resulta difcil comprender cmo de pequeo es un virus, ola distancia entre la Tierra y la Luna. Sin embargo, esto es una apreciacin puramente sensorial,porque objetos y distancias ms grandes y ms pequeas siguen obedeciendo las mismas leyes,las llamadas leyes de Newton.



Newton, a finales del siglo XVII, con sus famosas leyes recogidas en el libro PhilosophiaeNaturalis Principia Mathematica, estableci una serie de principios universales que afectan tantoal movimiento de un grano de polen como a un cometa en su viaje interplanetario. Ms tarde,en el siglo XIX, fue R. Maxwell quien escribi las ecuaciones referentes a la radiacin electro-magntica. Sin embargo, estas leyes, que suelen denominarse clsicas, dejan de ser vlidas endos casos: cuando las velocidades de los objetos son elevadas (cercanas a la de la luz) y cuandolas dimensiones de los objetos son muy pequeas (por debajo del nanmetro). La primera delas excepciones la solvent A. Einstein con su teora de la relatividad (ver la unidad didctica Lahuella de Einstein, editada por la FECYT en 2005). La segunda se complementa dentro delo que se ha llamado teora cuntica, de la que vamos a hablar aqu. A diferencia de la relatividad,enunciada por Einstein, la teora cuntica se ha ido construyendo poco a poco con las con-tribuciones de muchos cientcos que, desde principios del siglo XX, se dieron cuenta de queel mundo atmico no es tan simple como el nuestro, y que en l aparecen comportamientosque contradicen nuestra experiencia y nuestra lgica newtoniana. Estas nuevas observaciones,que no se entendan, requeran de una nueva fsica para explicarlas. La nueva teora debaexplicar por qu los tomos son estables, el color de los materiales, la estructura de la tablaperidica, por qu se producen los enlaces qumicos... Dos son los motivos por los que la teoracuntica se hace tan difcil: primero no existe una formulacin nica ya que son conclusionesque diversos cientcos fueron estableciendo a lo largo de dcadas y, segundo, contradice nuestraexperiencia e intuicin, lo que ha generado sinfn de debates loscos sobre la naturaleza dela materia.El nombre de Teora Cuntica o Mecnica Cuntica proviene del descubrimiento, realizadopor M. Planck alrededor de 1900, de que la energa no es continua, sino que slo existe y sepuede intercambiar en paquetes o grupos llamados cuantos. As, la energa se parece ms apartculas de materia que a una propiedad de la materia. La energa del paquete ms pequeoes una propiedad fundamental de la naturaleza relacionada con una constante, la constante dePlanck, llamada h, y cuyo valor es de 6,63x10-34 Js. Como se puede apreciar, su valor es muypequeo en las unidades de nuestro mundo y, por tanto, podemos despreciarla en nuestra vidacotidiana. Pero no en el nanomundo (el de los tomos, molculas, partculas...) ni mucho msal fondo (en el mundo de las partculas subatmicas), donde se convierte en una magnitudmuy respetable.La teora cuntica nos permite entender el tomo. N. Bohr fue quien estableci la primeraimagen moderna del tomo utilizando la constante de Planck, y desencadenando con sus ar-maciones el comienzo de la era cuntica, en 1905. Los electrones se organizan alrededor delncleo atmico, pero no lo hacen tomando cualquier valor, como pasara si fueran planetas queorbitan en torno a una estrella (modelo atmico de Rutherford). Los electrones slo pueden



tener unos valores fijos de energa y, por tanto, slo unas ciertas rbitas son permitidas.Cualquier energa que no est permitida dar lugar a rbitas inestables en las que no podrmantenerse el electrn. Es como si los electrones se ordenasen alrededor del ncleo como yoordeno los libros en mi estantera: slo pueden estar en una balda o en la siguiente, nunca entredos niveles. La forma de pasar de un nivel bajo a otro alto es aportando una energa precisa. Enla estantera sera la necesaria para que mi brazo venza la gravedad durante unos centmetros,y en un tomo, por ejemplo, la aportada por un fotn (onda electromagntica con una energadenida). Esta descripcin no tiene sentido dentro de las leyes clsicas ya que, en stas, el electrn,como un satlite artificial alrededor de la tierra, puede tener rbitas estables para cualquierenerga. Estas ideas fueron completadas por W. Heisenberg y E. Schrdinger en la dcada de1920, quienes denieron al electrn no como una partcula (es decir un objeto dotado de masay un momento cuando se mueve), sino como una funcin matemtica llamada funcin de onda,que denotaron con la letra griega , y cuya amplitud elevada al cuadrado nos da la probabilidadde encontrar al electrn dentro de un tomo en una posicin determinada en un momentodado. Es decir, un electrn en un tomo deja de ser una partcula puntual, situada en un lugardel espacio y movindose a una velocidad bien denida, para convertirse en algo similar a unanube cargada deslocalizada, que est en todas partes, y la probabilidad de encontrarlo en unpunto determinado depende de la densidad que tenga la nube en dicho punto. Esta visualizacinde un electrn en un tomo como una nube de carga fue propuesta por R. Feynman, del quehablamos en otro cuadro especco de este captulo. Hemos hecho hincapi en que se trata de un electrn en un tomo, ya que si se tratase de unelectrn libre, que se ha escapado del entorno del ncleo, ste se podra visualizar de otra forma:como una onda. Este es otro de los puntos importantes de la teora cuntica: ondas y partculasse mezclan como un todo. Ya Einstein se dio cuenta de que la luz poda comportarse como unapartcula, introduciendo el concepto de fotn (de hecho, Einstein gan el premio Nobel poreste trabajo y no por la teora de la relatividad, como mucha gente piensa). Un poco ms tardeL. de Broglie descubri que, sorprendentemente, tambin las partculas pequeas, como elelectrn, pueden comportarse como ondas. Esto es asombroso, ya que contradice toda nuestraexperiencia del concepto de partcula: objeto pequeo, que tiene una masa, una velocidad yuna posicin determinada en el espacio. Esta naturaleza ondulatoria de la materia se maniestacon ms nfasis cuando el objeto se mueve a bajas velocidades o tiene una masa pequea. Asen el mundo atmico y subatmico todo parece mezclarse: materia, ondas y energa se comportanunas como otras. Esta mezcla de propiedades llev a Heisenberg a postular que existen magnitudes comple-mentarias, como posicin y velocidad, energa y tiempo, de manera que si denimos bien unade ellas, la otra queda completamente indeterminada. As y, contrariamente a los principios de



la fsica clsica, nunca se pueden determinar o medir simultneamente ambas magnitudes. Estose conoce como el principio de incertidumbre de Heisenberg. Hemos dicho que la presencia de una partcula en un punto se calcula a partir de una funcinmatemtica, que se conoce como la funcin de onda de Schrdinger, . Esta funcin se obtieneal resolver una ecuacin, la llamada ecuacin de onda, que junto con la ecuacin de Einstein(E=mc2) es una de las ecuaciones ms importantes de la fsica y que reproducimos para que leperdis el miedo. De forma abreviada en matemticas se escribe como:

A esta ecuacin, importantes cientcos de la poca le sacaron cantares...Erwin with his psi can do

Calculations quite a fewBut one thing has not been seenJust what does psi really mean.Erwin (Schrdinger) con su psiPuede hacer muchos clculosPero una cosa faltaSaber que signica psi

F.Bloch (fsico alemn que en 1928 explic el movimiento de los electrones en los cristales).

Esta teora cuntica permita entender procesos de la naturaleza que eran imposibles de com-prender utilizando las leyes clsicas. Sin embargo, no daba una explicacin satisfactoria, sinoque propona un conjunto de normas matemticas y conceptos estadsticos que llegaban afuncionar haciendo predicciones que se vericaban una y otra vez. Pareca que la naturalezaobedeca leyes estadsticas ms que deterministas. Esto hizo que Einstein no apoyase la teoracuntica diciendo su famosa frase: God does not play dice (Dios no juega a los dados). Paraevaluar las consecuencias de todos estos nuevos descubrimientos y teoras en la concepcin delmundo, se juntaron los cientficos ms relevantes en Copenhague . All Bohr propuso que lanaturaleza no es ms que lo que t determinas cuando haces una medida u observacin. Hastaentonces nada existe. La realidad no sera ms que un estado mezcla de todos sus estadosposibles, y nicamente despus de realizar una medida u observacin puedes denirla. Schrdingerilustr estos conceptos con su famosa paradoja del gato encerrado en una caja con una ampollade veneno, tal que la ampolla puede estar rota con una probabilidad del 50% (con lo que el



gato estara muerto) o entera con otro 50% (gato vivo). Como la caja est cerrada no sabemossi el gato est vivo o muerto. Eso sera la interpretacin clsica. La interpretacin cuntica esque mientras t no abras la caja el gato no estara ni vivo ni muerto, sino vivo y muerto a la vez,en un estado mezcla denido por una funcin matemtica que nos da la probabilidad de queest en uno de los dos estados posibles. El mundo cuntico es denitivamente paradjico.Sin embargo, esta teora e interpretacin de la naturaleza no tuvo una aceptacin total: paramuchos cientcos como Einstein, el problema resida en nuestra incapacidad para determinartodos los factores que inuyen en un proceso, y por tanto, si tuvisemos la informacin completadel estado inicial podramos determinar posicin y momento a la vez. As Einstein escribi: LaLuna tiene una posicin definida la miremos o no la miremos, lo mismo debe ser vlido paraobjetos de tamao atmico, ya que no debe de haber distincin entre stos y el mundomacroscpico. La observacin no puede crear un elemento de realidad como una posicin...A lo que Bohr le replic: Si Dios cre en el mundo un mecanismo perfecto, no necesitamosresolver innitas ecuaciones diferenciales para entenderlo, sino que podemos usar los dadospara explicarlo bien.En la foto, una de las ms famosas de la historia de la fsica, podemos ver a los participantes enla quinta conferencia Solvay en Bruselas. Eran 29, los principales creadores de la fsica modernay la teora cuntica, juntos para hablar de electrones, tomos, fotones... 19 de ellos obtuvieronel premio Nobel.

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Fila superior: A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, Ed. Herzen, Th. De Donder, E. Schrdinger, J.E. Verschaelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin.

Fila intermedia: P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg,H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr.

Fila inferior: I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, Ch. E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson.

Imagen tomada de Wikipedia



Latecnologaactualfrentealadelfuturo:Top-down frenteaBottom-upBuscando un smil sencillo, el fundamento de la tecnologa actual se asemeja al trabajo realizadopor un escultor, el cual a partir de un bloque de material, y a base de cincelar, pulir y modelar, acabaobteniendo un objeto ms pequeo con la forma deseada. Puesto que cada vez son necesarias tecnologasde fabricacin ms precisas, es importante disponer de tamaos de cincel progresivamente mspequeos. Este planteamiento es conocido como tecnologa de fabricacin descendente o top-down(de arriba hacia abajo), y es la base de la tecnologa actual. La ley de Moore, que citbamos previamente,nos habla de este proceso. La aproximacin nano es, por tanto, muy diferente de la top-down, puesel planteamiento est basado exactamente en lo contrario: ir de lo pequeo a lo grande, construyendodispositivos a partir de sus componentes ltimos. En este caso, se trata de trabajar no como un escultor,sino como un albail, que construye una pared partiendo de una serie de elementos bsicos, losladrillos. Esta aproximacin, que se conoce como bottom-up (de abajo hacia arriba), utiliza para construirlos diferentes dispositivos, componentes bsicos muy variados tales como tomos, cidos nuclicos,protenas, nanopartculas o nanotubos. Otra actividad de tipo bottom-up que nos ha mantenidoentretenidos largas horas en la infancia son los juegos de construccin con cientos de piezas de diferentestamaos y colores con las que construamos casas, aviones, robots, o monstruos. Cambiemos un pocode filosofa e imaginemos que las fichas rojas son oxgeno, las azules son tomos de hidrgeno, lasnegras carbono, etctera. Y ahora comencemos a ensamblar una molcula de agua, otra de amoniaco,otra de glucosa. Podramos hacer algo igual pero en el nanomundo?

FIGuRA 1.7 Top-down y Bottom-up La microelectrnica trabaja como un escultor: haciendo las cosas ms y ms pequeas, ms y ms perfectas (top-down). La nanotecnologatrabaja como un albail: utilizando pequeos ladrillos para crear objetos superiores con distintas aplicaciones (bottom-up).Imgenes cortesa de Jos ngel Martn Gago.



El trabajo con objetos tan pequeos entraa una gran dicultad, y de hecho fue algo prcticamenteimposible hasta que se desarrollaron los microscopios de campo cercano (SPMs). Estas novedosasherramientas permiten no slo la visualizacin, sino tambin la manipulacin de objetos de dimensionesnanomtricas de muy distinta naturaleza (ver captulo 2). Estos microscopios son tan potentes quecon ellos es posible llegar a ver tomos sobre una supercie y moverlos a nuestro antojo.

La necesidad de esta compleja instrumentacin implicaotra de las caractersticas fundamentales que acompaan ala nanociencia y nanotecnologa: su interdisciplinariedad.Pero no slo es la necesidad de combinar expertos en distintastcnicas y reas del conocimiento lo que origina la inter-disciplinaridad de la nanociencia. Se trata tambin de que alreducir el tamao de los objetos para estudiarlos, llega unmomento en que todos estn constituidos por tomos ymolculas. Y as, por ejemplo, para construir un dispositivobiosensor, el bilogo deber saber de fsica cuntica, y elfsico de biologa si quieren que ese nuevo dispositivo funcione.As pues, el desarrollo de esta nueva ciencia requiere no slola utilizacin de tcnicas de fabricacin, visualizacin ycaracterizacin muy precisas, sino tambin una aproximacinmultidisciplinar que rena a fsicos, qumicos, bilogos,tecnlogos y tericos trabajando juntos y utilizando elmismo lenguaje. De hecho, para todos ellos los tomos ymolculas son los ladrillos constituyentes de los objetos queestudian. La nanoescala es su punto de encuentro.En una primera impresin, pensar que podemos ser capaces

de desarrollar toda la tecnologa que nos rodea ensamblando molcula a molcula, partcula a partcula,parece un sueo o una pelcula de ciencia ccin. Pero, si lo meditamos un poco veremos que paracomprender cmo se pueden construir dispositivos de orden superior partiendo de sus constituyen-tes slo tenemos que mirar a nuestro alrededor. La biologa lo viene haciendo desde hace casi 4000millones de aos sobre la Tierra (ver captulo 5). As, las molculas que se sintetizaron sobre la superciede la Tierra se fueron reconociendo, enlazando y auto-ensamblando (ver captulo 4) para ir formandoestructuras de mayor complejidad que les proporcionaban ciertas ventajas para captar energa, evitarsu degradacin, hacer copias de s mismas, etctera... Por ejemplo, los aminocidos, que son molculasrelativamente simples, se fueron agrupando entre s de manera precisa hasta construir las protenas. Portanto, otro de los objetivos de la nanociencia y la nanotecnologa es aprender de los mecanismosfundamentales que la vida ha desarrollado durante su evolucin para intentar reproducirlos e inclusoadaptarlos para la resolucin de otros problemas que poco tienen que ver, en principio, con labiologa.

FIGuRA 1.8 viendo tomostomos de una supercie de siliciuro de itrio.Imagen obtenida con un microscopio STM delos tomos de una supercie de siliciuro deitrio, un material con aplicaciones en microelec-trnica. Cada una de las bolas es un tomo desilicio.

Imagen cortesa de Celia Rogero y Jos ngel MartnGago (grupo ESISNA), Instituto de Ciencia de Mate-riales de Madrid (CSIC).



EEE1.7Quesuninterruptor?Es curioso como la ciencia puede denir objetos de uso comn de manera abstracta. As, por ejem-plo, a que objeto de uso comn diras que corresponde la siguiente denicin: sistema biestabili-zado, activado mecnicamente para funciones elctricas? Pues bien, detrs de esta denicin que,en principio, parece compleja no se esconde ms que ese pedazo de plstico que est sobre lapared y que al presionarlo hace que se encienda una bombilla. Es decir, un interruptor. Realmente,un interruptor no es ms que un sistema que tiene dos posiciones complementarias, reversibles, yque nunca pueden mezclarse: on y o. Es decir, lo que se conoce como un sistema biestable. Estossistemas pueden dar (on) o no dar (o) lugar a propiedades elctricas, magnticas o mecnicas; y elestmulo que controla la posicin del interruptor puede ser qumico, elctrico, magntico, ptico...Una lnea muy importante de investigacin en nanociencia es la de fabricar estos dispositivos a escalamolecular o atmica, como veremos en los captulos 4 y 6. Veremos que gracias a estos sistemas se pue-den construir motores que hacen que una gota de agua pueda subir una montaa cuando se ilumina,una bio-molcula transporte protenas de un lugar a otro como una hormiga carga comida, o tambinse pueden construir dispositivos de tamao molecular para fabricar los ordenadores del futuro.En la gura vemos una cadena de molculas que unen dos electrodos. Una accin sobre ellas haceque se separen, abriendo el circuito o que se junten, y el circuito se cierre.

LosorgenesdelananotecnologaEl comienzo de la andadura nanotecnolgica tuvo lugar en 1959 en el Instituto de Tecnologa deCalifornia, donde el fsico R. Feynman, especialista en mecnica cuntica, pronunci un famoso discurso.Feynman trat en su conferencia del problema de manipular objetos a pequea escala, vislumbrandoque podra haber muchas oportunidades tecnolgicas jugando con tomos y molculas. En aquel

Interruptor molecularImagen cortesa de Javier Mndez, Renaud Caillard, Gonzalo Otero y Jos ngel Martn Gago (grupo ESISNA), Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC).



momento su discurso no tuvo una gran repercusin. De hecho la palabra nanotecnologa no aparece endicho discurso. En realidad el trmino nanotecnologa fue acuado en 1974 por el profesor N. Taniguchide la Universidad de Ciencia de Tokio en un artculo titulado "On the Basic Concept of Nanotechnology",que se present en una conferencia de la Sociedad Japonesa de Ingeniera de Precisin. En dichoartculo se hablaba de la nanotecnologa como la tecnologa que nos permitir separar, consolidar ydeformar materiales tomo a tomo o molcula a molcula.

EldiscursodeFeynmanThereisplentyofroomatthebottomA pesar de que, como se ha comentado a lo largo del captulo, el concepto de nanotecnologano es algo jo y cerrado sino que se va construyendo poco a poco, a medida que se realizannuevos experimentos, su origen s parece estar claro para todos. Miremos donde miremos yleamos lo que leamos, la palabra nanotecnologa resulta indisolublemente ligada a un mismonombre, el de Richard Feynman.

Richard Feynman naci en Nueva York en el ao 1918. En 1939se licenci en el Instituto de Tecnologa de Massachusetts (MIT),obteniendo posteriormente un doctorado por la Universidadde Princeton. En estos aos de juventud es invitado a participaren el proyecto Manhattan que concluy con la construccin dela primera bomba atmica. La mayor parte de su carreracientca la desarroll en el Instituto de Tecnologa de Californiaen Pasadena, California (conocido internacionalmente comoCaltech), donde trabaj en muy diversos temas, destacandolos relacionados con la electrodinmica cuntica por los quefue galardonado con el Premio Nobel de Fsica en 1965. "Porsu trabajo fundamental en electrodinmica cuntica, consus profundas consecuencias para la fsica de las partculaselementales" (compartido con Julian Schwinger y Shin-IchiroTomonaga).

Adems de su trabajo como cientco fue un importante divulgador a travs de libros (Est Vd.de broma, Sr. Feynman? Qu te importa lo que otras personas piensen?) y lecciones dedicadasa sus estudiantes (Conferencias de Fsica de Feynman). Precisamente fue un grupo de ellos quienquiz le dedic el homenaje ms sincero, al escalar la pared de la biblioteca de la Universidady colgar un cartel con las palabras: We love you, Dick! poco despus de su muerte en 1988.



En el ao 1959, varios aos antes de recibir el Premio Nobel, Richard Feynman pronunci en elInstituto de Tecnologa de California en Pasadena una conferencia con el sugerente ttulo Haymucho espacio al fondo (There is plenty of room at the bottom) donde puso los pilares de loque ms tarde se conocera como nanotecnologa. En esta ya mtica conferencia, Feynman tratsobre cmo manipular, controlar y fabricar objetos de muy pequeas dimensiones, abordandoel problema desde una perspectiva absolutamente distinta a como se haba hecho hastael momento y abriendo todo un nuevo mundo de posibilidades. Lo que en aquel momentopareci slo un sueo surgido de la mente de un cientco, el paso del tiempo ha demostradoque era posible convertirlo en una realidad. Me gustara describir un campo, comenzaba Feynmanen su discurso, en el cual muy poco ha sido hecho hasta el momento, pero en el que, enprincipio, una gran cantidad de cosas pueden hacerse. Ms an, lo ms importante es quepodra tener un gran nmero de aplicaciones tcnicas. De lo que quiero hablar es del problemade manipular y controlar objetos a muy pequea escala. Los orgenes de la nanotecnologa se remontan, pues, a hace aproximadamente medio siglo, yya al comienzo de su conferencia, Feynman se haca la siguiente reexin: En el ao 2000,cuando se mire hacia atrs, todo el mundo se preguntar por qu hasta el ao 1960 nadie empeza moverse seriamente en esta direccin. Esa direccin de la que hablaba Feynman se refera a laposibilidad de crear tecnologa desde una nueva perspectiva basada en la manipulacin y elcontrol de objetos tan pequeos como los propios tomos. No me asusta considerar la preguntanal de si, prximamente, en el futuro, podremos colocar los tomos como queramos: los ver-daderos tomos, aquellos que estn al fondo! Y cules seran las propiedades de los materia-les si pudiramos verdaderamente colocarlos como quisiramos? No puedo saber exactamentequ pasara, pero no tengo la menor duda de que si controlsemos la colocacin de objetos auna pequea escala, tendramos acceso a un amplio rango de propiedades que los materialespueden presentar y podramos hacer una gran cantidad de cosas. Esta idea que, en principio,podra parecer ciencia-ficcin, vena avalada por el hecho de que, segn Feynman, estamanipulacin de los tomos no contradeca ninguna ley fsica, y por tanto, no haba ningnmotivo para que no pudiese llevarse a cabo. Los principios de la fsica, tal y como yo los veo,no niegan la posibilidad de manipular las cosas tomo por tomo. Al no violar ninguna ley, nohay motivo para que no pueda hacerse, y si en la prctica no se ha llevado a cabo todava es porquesomos demasiado grandes, dijo Feynman. En el mundo de lo muy, muy pequeo, muchascosas nuevas podrn suceder, porque los tomos se comportan de manera distinta a como lohacen los objetos a mayor escala, pues deben satisfacer las leyes de la mecnica cuntica. Sinos reducimos y comenzamos a juguetear con los tomos all abajo, estaremos sometidos aunas leyes diferentes, y podremos hacer cosas diferentes. A nivel atmico, aparecen nuevostipos de fuerzas, nuevas posibilidades, nuevos efectos. Y todo esto, segn Feynman, abriranuevas posibilidades, por ejemplo, en el campo de la sntesis de molculas por parte de los



qumicos, aspecto que desarrollaremos a lo largo del captulo 4. Resulta interesante que, enprincipio, es posible (a mi entender) que un fsico sintetizase cualquier molcula que un qumicole dibujase. Se le dan las rdenes y el fsico sintetiza la molcula. Pero cmo? Colocando los tomosall donde el qumico le ha indicado previamente. Y as creamos la sustancia. Si desarrollamos lacapacidad de ver lo que estamos haciendo y de realizar cosas a nivel atmico, ayudaremos aresolver muchos problemas planteados por la qumica y la biologa. Aparece aqu, por tanto, unade las ideas bsicas de la nanotecnologa y que consiste en un cambio de estrategia a la horade fabricar estructuras: el paso de una tradicin top-down a un futuro bottom-up. A pesar de lo obvio que le resultaba a Feynman que la direccin a seguir fuese la planteada ensu discurso, hizo falta que pasarn al menos 30 aos para que sus ideas empezasen a concretarse.Y el principal motivo, como veremos en el captulo 2, fue la falta de herramientas adecuadas quepermitiesen la manipulacin de tomos y molculas. Durante su discurso, Feynman ya propusoalgunas soluciones para ciertos problemas que l mismo planteaba, como por ejemplo: Porqu no podemos escribir los 24 volmenes de la Enciclopedia Britnica en la cabeza de un aller?o cmo disminuir el tamao de las computadoras? Sin embargo, sus respuestas involucrabanalgo tcnicamente imposible para la poca. Fue en 1981 cuando dos investigadores, G. Binningy H. Rohrer, mientras trabajaban en los laboratorios de IBM en Zrich, inventaron el microscopiode efecto tnel. Estos investigadores ganaron el Premio Nobel en 1986, abriendo un mundonuevo: la posibilidad de ver y manipular tomos y molculas y permitiendo, por tanto, quemuchas de las ideas de Feynman pudiesen ponerse en prctica.Otra idea bsica que aparece siempre que se habla de nanotecnologa, tambin mencionadapor Feynman a lo largo de su discurso, es la necesidad de tomar la Naturaleza como modelo parafabricar objetos que funcionen de manera parecida: Un sistema biolgico puede llegar a serextremadamente pequeo. La mayor parte de las clulas son diminutas, pero a la vez muyactivas: producen numerosas sustancias, se mueven, se contonean, realizan todo tipo de cosasmaravillosas y todo en una escala muy pequea. Tambin son capaces de almacenar informacin.Consideremos la posibilidad de que nosotros tambin pudisemos construir un objeto extre-madamente pequeo capaz de realizar las funciones que nosotros deseemos. En este pos-tulado est la base de lo que medio siglo despus llamamos biologa sinttica, como semuestra en el captulo 5.Por ltimo, y con un cierto toque de humor, al nalizar el discurso, Feynman se pregunta: Quindebe llevar a cabo las ideas propuestas y por qu debera hacerse? Y puesto que su respuestaes que debera ser (aparte de por motivos econmicos) por pura diversin, acaba proponiendoun pequeo concurso entre universidades para ver quien puede reducir ms el tamao de,por ejemplo, las letras escritas en un objeto. Te proponemos hacer algo parecido: envale a un



compaero de clase un objeto, por ejemplo de papel o cartn, fabricado por ti y haz que estete lo devuelva con algo introducido en su interior. Y as sucesivamente. A ver hasta dndesois capaces de llegar...*La transcripcin completa del discurso de Feynman la podemos encontrar en la siguientedireccin: http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html.

Aunque Feynman, en 1959, fue el primero en sugerir de manera clara esta posibilidad, hubo queesperar hasta 1986 para que sus ideas se concretaran. En ese ao, E. Drexler public su libro Enginesof Creation en el que describe cmo las nanomquinas sern capaces de construir desde ordenadoreshasta maquinaria pesada, ensamblando molcula a molcula, ladrillo a ladrillo. Los encargados de realizarese ensamblaje sern nanorobots ensambladores, con un funcionamiento parecido al que, desde siempre,han realizado los ribosomas y otros agregadosmoleculares en las clulas de nuestro cuerpo. Estosrobots haran su trabajo auto- reparndose y cons-tituyndose a s mismos. La descripcin realizadapor Drexler se corresponde con el funcionamientode los motores moleculares, desarrollados pos-teriormente, en los que se crea un engranaje demolculas donde unas hacen moverse a otras,logrndose un verdadero efecto mecnico. Drexlertambin vislumbr la posibilidad de desarrollarnano-submarinos que podran desplazarse por lasvenas buscando antgenos, como lo hacen losleucocitos (ver captulo 5). En denitiva, a travs delas pginas de Engines of Creation, Drexler noshace soar con objetos imaginados, de la mismamanera que Julio Verne hizo soar a nuestrosabuelos con viajes a la Luna o al centro de la Tierra.Pero, al igual que el hombre nalmente pis laLuna, aunque nunca llegar al centro de la Tierra,es posible que algunos de los objetos descritos ypatentados por Drexler entren a formar parte denuestras vidas mientras que otros muchos pasen ala historia como mera imaginacin o especulacin.De esto hablaremos en el captulo 8.

FIGuRA 1.9 Los motores de drexlertomos y molculas ensamblados de la manera adecuadapara formar un motor molecular. Estos motores podranutilizarse para construir diferentes tipos de engranajes molecu-lares u otros dispositivos. Cada esfera del dibujo representaun tomo o molcula. En la gura puede verse un motor deeste tipo diseado por E. Drexler.

Imagen Institute for molecular manufacturing (www.imm.org)



Desde que Feynman y Drexler asentaron los pilares de la nanotecnologa ha habido un fuerte desarrolloexperimental en los laboratorios. Muchos centros de investigacin han partido de estas ideas paradisear no tanto dispositivos concretos, sino experimentos que demuestren las posibilidades de desarrollaresa nueva tecnologa. Esto ha desembocado en la puesta a punto de diferentes programas deinvestigacin, as como de diversas iniciativas para fomentar que los conocimientos generados por laciencia tuviesen una traduccin en la tecnologa, generando aplicaciones reales, tangibles.As, poco a poco, vamos descubriendo cules son los lmites entre lo posible y lo imposible en estanueva ciencia, que va denindose da a da con nuevos y sorprendentes hallazgos. Este es el trabajocontinuo, callado y largo que se realiza en diferentes laboratorios y grupos de investigacin en todoel mundo. Gracias a ellos, la ciencia pasar a ser tecnologa, los experimentos y prototipos del laboratorioentrarn en nuestros hogares, y lo que hoy parece ciencia ficcin se ir haciendo realidad en estefuturo que viene.

Cmollegarasernanotecnlog@?LaapasionantecarreracientcaLa nanotecnologa es una disciplina interdisciplinar porqueen ella convergen conocimientos de la qumica, la fsica, labiologa, la ciencia de materiales y las ingenieras. Estadiversidad dificulta que se puedan adquirir tan variadosconocimientos con una nica licenciatura, por lo que noexiste, como tal, la carrera universitaria de nanotecnologa.En realidad se puede llegar a trabajar en nanociencia ynanotecnologa tras haber cursado estudios de qumica,fsica, biologa o ingeniera, por lo que hay muchos caminospor los que llegar a ser [email protected] cursar una licenciatura (o grado, como se denomina enlos nuevos planes de estudio) cientco-tcnica se debeproseguir con estudios de maestra (master) y doctorado queorienten (ensanchen) la formacin adquirida hacia lananotecnologa. En la actualidad, varias universidades espaolas ofrecen interesantes programasde maestra y doctorado directamente relacionados con las nanociencias y nanotecnologas,algunos de ellos con ttulos tan sugerentes como nanociencia, nanociencia y nanotecnologa,fsica de la materia condensada y nanotecnologa, materiales avanzados y nanotecnologas,nanociencia y nanotecnologa molecular, ingeniera micro y nanoelectrnica, etctera.

Imagen de Eva Morn Fernndez, I.E.S. Marco FabioQuintiliano (Calahorra, La Rioja)



En muchos casos, estos programas se desarrollan de forma coordinada entre varias universidadesespaolas, por lo que es fcil acceder a los mismos estudios en diferentes comunidades au-tnomas.El doctorado es un plan de estudios muy especial, ya que se cursa a la vez que el estudiantecomienza a dar sus primeros pasos en el fascinante mundo de la investigacin. En realidad, elestudiante se convierte as en un investigador en formacin. Dicha etapa suele culminar a los27-28 aos. No cabe duda alguna: los doctores son personas que poseen muchsima formacin...Ms de 23 aos adquiriendo conocimientos desde que se pone el pie por primera vez en unaescuela de Educacin Infantil!Tras el doctorado, el joven investigador suele adquirir conocimientos adicionales en estanciasposdoctorales en centros de investigacin extranjeros. Cuando este largo proceso termina, elinvestigador puede ser contratado en organismos pblicos de investigacin, universidades,centros tecnolgicos, fundaciones o empresas (dentro o fuera de Espaa).El da a da de un nanotecnlogo es similar al de los dems cientcos: generar nuevos conoci-mientos (en el laboratorio o frente a su ordenador) y trasmitirlos a las siguientes generacionesde estudiantes, dirigir las tesis doctorales de futuros cientcos, presentar proyectos con ideasnovedosas e intentar conseguir fondos para llevarlos a cabo, publicar artculos para comunicarlos nuevos hallazgos, recopilar conocimientos en libros especializados, solicitar patentes quepermitan traducir estos conocimientos en productos y servicios, mostrar y debatir con otroscolegas los resultados obtenidos en seminarios y conferencias a lo largo y ancho de todo elmundo, visitar otros laboratorios o grandes instalaciones (como telescopios, aceleradores depart

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Nanociencia y Nanotecnología - FECYT - 1ed