martes, 24 de septiembre de 2013

Nanoscopios

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Julio 20 de 2009

La nanotecnología tiene la habilidad de trabajar con nanómetros, una escala bastante minúscula considerando que un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro; esta tecnología tiene numerosas posibilidades, además en el campo de alimentación, en el de la medicina o de la electrónica. La nanotecnología es la ciencia y la ingeniería capaz de crear máquinas extremadamente pequeñas, de medida nanométrica, a partir del manejo individual de átomos y moléculas. Un nanómetro es mil millones de veces inferior a un metro, es decir, como una pulga en un espacio diez mil veces más. La escala de trabajo de la nanotecnología es tan pequeña que permitiría coger una pulga y tatuarle en el lomo el escudo del equipo de futbol “Bolívar” por ejemplo. Esto es el que se conoce como nanolitografía, una técnica que permite “pintar” objetos empleando el microscopio como si fuera un pincel y los átomos o moléculas como si fueran tinta.


Una posibilidad para fabricar elementos en nanotecnología es utilizar herramientas destinadas inicialmente a la observación microscópica avanzada, como lo son: el “microscopio de barrido por efecto túnel” y “microscopio de fuerza atómico. Se ha demostrado en la práctica cómo estos instrumentos, o variantes de ellos, adicionalmente a su función como microscopios, pueden utilizarse para mover átomos a voluntad y construir así algunas estructuras diseñadas. Otra manera de construir nanosistemas es en aprovechar la tendencia natural al autoensamblaje que tienen ciertas moléculas. Un ejemplo de esto es la formación de pequeños esferoides, denominados "Liposomas", que se pueden formar gracias a que ciertas moléculas de lipofosfatos poseen una forma cilíndrica con un extremo hidrófilo y el otro hidrófobo, lo cual hace que al estar en un medio acuoso los extremos repelidos por el medio tienden a enfrentarse, de manera que un grupo de tales moléculas puede terminar por organizarse en esferas con los extremos hidrófilos hacia el exterior, en contacto con el medio acuoso. Autoensamblajes como el descrito se basan en fuerzas de origen eléctrico, en tensión superficial y fenómenos termodinámicos y afines. Sin embargo, la biología, en el desarrollo de los organismos utiliza un autoensamblaje diferente basado en la codificación genética presente en el ácido desoxirribonucleico. Existe la esperanza de que los avances en la comprensión y manipulación de procesos genéticos algún día permitirán copiarle a la biología sus métodos de autoensamblaje codificado para el desarrollo de nanosistemas complejos.

Un microscopio es cualquiera de los distintos tipos de instrumentos que se utilizan para obtener una imagen aumentada de objetos minúsculos o detalles muy pequeños de los mismos. El interés por el estudio de la materia a escalas pequeñas, más allá de lo que permite la visión humana, es muy antiguo. Diversos descubrimientos arqueológicos revelan el uso de lentes planos, convexos y biconvexos tres mil años antes de Cristo en la Antigua Mesopotamia. En sus manuscritos, Séneca, el filósofo romano, habla de “cristales aumentadores” y unos siglos más tarde, en el año 1590, los ópticos holandeses Hans y Zacharias Janssen se encargaron de fabricar el primer microscopio compuesto que aumentaba la imagen un máximo de diez veces. A partir de esa fecha, la lista de inventores de microscopios se fue ampliando. A mediados del siglo diecisiete el holandés Anton van Leeuwenhoek visualizó glóbulos rojos, bacterias y espermatozoides con microscopios que lograban doscientos setenta y cinco aumentos.

El denominado '”microscopio de barrido efecto túnel”, forma parte de los instrumentos llamados “nanoscopios” ya que posibilitan la visualización de objetos del tamaño de nanómetros y aún menores. Los físicos G. Binning y H. Rorher, del laboratorio de IBM en Zürich, desarrollaron en el año 1981 el microscopio de efecto túnel, que permitió observar por primera vez los átomos de forma individual. Pocos años después, estos investigadores presentaron a la comunidad científica el microscopio de fuerzas atómicas, con el que fue posible observar muestras de tipo biológico con una resolución que hasta entonces no había sido posible. El año 1986 Binning y Rorher fueron galardonados con el premio Nobel de Física. Como su nombre indica, el microscopio de efecto túnel basa su funcionamiento en un efecto bien conocido en mecánica cuántica denominado “efecto túnel”, quizá uno de los más encantadores y sorprendentes resultados de esta teoría que tantos éxitos está cosechando. Se debe recordar que la idea básica de la mecánica cuántica es que las partículas en sí, como un electrón por ejemplo, no están ubicadas exactamente en un lugar, sino que pueden interpretarse como una onda más o menos extendida, no pudiéndoseles atribuir una posición puntual, sino un conjunto de posiciones en las cuales la partícula podría encontrarse, algunas más probables que otras. Semejante ubicuidad permite cosas que hubieran horrorizado a cualquier físico pre-cuántico, como por ejemplo, que un electrón pueda, siempre con cierta probabilidad, escapar de un átomo, remontando las poderosas cadenas electromagnéticas que lo amarran a él, como si hubiera practicado un “túnel” a través de la barrera de potencial que lo mantiene confinado; y de ahí el nombre de “efecto túnel”.

Así, el microscopio de efecto túnel saca partido de este juego de magia de la Naturaleza. Pero, ¿cómo lo hace?, el principio es bastante sencillo: Una punta conductora extremamente afilada, denominada “sonda”, se acerca a una distancia muy corta, algo así como unas diez millonésimas de milímetro, de la superficie de una muestra conductora o semiconductora a observar; es decir se sitúa muy cerca pero sin tocarla. Para lograr esto la punta se monta en piezoeléctricos, que son materiales que, con una pequeña variación de tensión, se expanden o se contraen en décimas de Amstrong, siendo el Amstrong diez elevado a menos diez metros. Entre la punta y la superficie a observar reina el más estricto vacío y una pequeña diferencia de potencial eléctrico. Los electrones de la superficie del metal, debido a su ubicuidad cuántica, pueden, con cierta probabilidad, abandonar los átomos de origen y ser atraídos hacia la sonda, donde son detectados. Se habla de “corriente de efecto túnel” para designar a estos electrones que escapan de la muestra hacia la sonda. Resulta además que la intensidad de esta “corriente túnel” depende de la distancia entre la sonda y la superficie a analizar, de modo que las variaciones de intensidad denotan variaciones de distancia superficie-sonda, y así, se puede ir estableciendo los valles y montañas de la superficie que se está analizando, esto es, su relieve.

Todo el proceso está controlado en todo momento por una computadora donde se almacenan finalmente los datos y la imagen de la muestra. Cabe destacar que, debido precisamente a esa “deslocalización” que caracteriza a las partículas en mecánica cuántica, en cada punto de la imagen obtenida, no se observa un “estado electrónico” sino una mezcla de estados electrónicos, con energías diferentes, de todos los estados de esa banda. Con todo ello, la resolución del microscopio de efecto túnel es espectacular: menos de un décimo del radio promedio de un átomo. Así, esta nueva microscopía ha permitido obtener mapas bastante precisos de superficies de metales o de semiconductores, en los que cada átomo puede distinguirse de su vecino; ha proporcionado también imágenes atómicas de moléculas de ácido desoxirribonucleico, de extrema importancia en genética; e incluso ahora se está en la capacidad de mover átomos individuales colocándolos a gusto del usuario, donde él quiera. Ello posibilita, por ejemplo, la grabación de datos a una densidad, de bits por centímetro cuadrado, sin precedentes. Los microscopios de fuerza atómica también son capaces de reconstruir tal relieve pero no hacen acopio del efecto túnel sino de la fuerza electromagnética entre la sonda y los electrones de la muestra a analizar: la sonda entra en contacto con la muestra y detecta los efectos atractivos o repulsivos de las fuerzas atómicas. La resolución es similar al del efecto túnel pero se utiliza para materiales no conductores, como la mayoría de las muestras biológicas.

Hasta hace unos años la nanotecnología estaba restringida al campo exclusivamente científico, pero poco a poco se está convirtiendo en una promesa económica que atrae a gobiernos, inversores de capital de riesgo y grandes multinacionales. La nanotecnología, aún cuando la mayoría de las personas no son conscientes de sus posibilidades, está ya presente en muchos de los objetos cotidianos que rodean a los seres humano: en los discos duros de las computadoras, en algunas partes de los automóviles, en las gafas de sol, en los pintalabios, en algunas herramientas para cortar metales, en vendas antibacterianas, en ventanas autolimpiables, etc. Poco a poco se abre paso hacia los hogares y su impacto social puede llegar a ser tan revolucionario como la aparición de la máquina de vapor o el nacimiento de Internet.

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