jueves, 4 de septiembre de 2014

Nanocomputadoras

Autor:
PhD. Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Publicado en:
Abril 5 de 2010

La capacidad de asombro siempre se ve rebasada por el incontenible avance tecnológico, que día con día se está experimentando en todos los campos del conocimiento, en una auténtica implosión de comienzos de milenio, como ocurrió hace más de cien años en las postrimerías del siglo diecinueve, cuando invenciones transformadoras como el teléfono, el automóvil, la electricidad y la aviación cambiaron las vidas de las personas y las formas de relaciones y de producción de conocimiento. En los primeros años de este milenio, un conjunto de nuevas tecnologías concebidas a escalas nanométricas parece anunciar lo que será la próxima revolución industrial, la de la manufactura molecular y la de la manipulación de átomo por átomo para crear nuevas estructuras, materiales y componentes que conducirán hacia los ensambladores universales, las nanocomputadoras, los nanorrobots, las máquinas autorreplicantes y toda una nueva generación de productos. Para comprender el impacto futuro de las nanotecnologías es necesario ubicar la escala del nanómetro, que es igual a un billonésimo de metro mucho, mucho más pequeño que un milímetro o una micra, comprensible en los ámbitos de los átomos y las moléculas.


La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicados al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas. Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Nano es un prefijo griego que indica una medida, no un objeto, de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja. La nanotecnología promete soluciones vanguardistas y más eficientes para los problemas ambientales, así como muchos otros enfrentados por la humanidad. Las nanotecnologías prometen beneficios de todo tipo, desde nuevas aplicaciones médicas o más eficientes a soluciones de problemas ambientales y muchos otros; sin embargo, el concepto de nanotecnología aún no está socialmente muy difundido.

Una nanocomputadora es una computadora con una circuitería tan pequeña que sólo puede verse a través de un microscopio. Las nanocomputadoras pueden ser electrónicas, donde la nanolitografía se usa para crear los circuitos microscópicos, bioquímica u orgánica. Las nanocomputadoras se componen de materiales a nivel molecular y son la promesa de crear computadoras cada vez más pequeñas y rápidas, un concepto que es bastante importante en el mundo de la computación. Comparado con las micro computadoras actuales, la principal ventaja de los nanocomputadoras es la alta densidad de integración de circuitos, bajo consumo de energía, mayor velocidad de cómputo y grandes capacidades de cálculo paralelas y distribuidas

Los catenanos son estructuras formadas por la interconexión de dos o más macrociclos para formar una especie de cadena, con cada macrociclo tomando el papel de un eslabón. Los rotaxanos son estructuras con una molécula en forma de mancuerna rodeada en el centro por un macrociclo. Los primeros catenanos y rotaxanos fueron sintetizados en la década de 1960, pero no fue sino hasta hace unos años que se empezaron a considerar estas estructuras como posibles fuentes de una aplicación importante. Al principio, la síntesis de este tipo de estructuras era muy difícil ya que se utilizaban únicamente fuerzas intermoleculares e interacciones ácido-base para dirigir la reacción. Sin embargo, en la actualidad ya no existen ese tipo de impedimentos ya que se han diseñado métodos de síntesis que incorporan metales de transición para dirigir la reacción.

La idea de producir motores moleculares con este tipo de estructuras proviene del estudio del mecanismo de la contracción muscular. En las células musculares existen arreglos en forma de fibras, con un filamento de miosina rodeado de filamentos de actina. El movimiento ocurre por deslizamiento de los filamentos impulsado por la hidrólisis del ATP. Haciendo una analogía con esta función biológica, se han preparado estructuras moleculares que presenten este tipo de movimiento. Uno de los sistemas más prometedores son los polipirroles que permiten doblar un polímero sólido en una dirección u otra dependiendo de la corriente eléctrica aplicada.

Los rotoxanos se basan en el mecanismo de los sarcómeros del músculo, y el ciclo central no permite que la cadena en forma de mancuerna se deslice completamente fuera del sistema. Sin embargo un método químico interesante consiste en el intercambio de centros metálicos en un catenano. Para esto es importante que los ciclos tengan varios átomos donadores. Es posible intercambiar un ion metálico con un número de coordinación por otro con mayor número de coordinación. Esto produce un movimiento de estiramiento y contracción.

La promesa de esta tecnología se ha manifestado en la industria de la computación. La naturaleza móvil tanto de los rotaxanos como de los catenanos hace que se comporten como interruptores moleculares, lo cual implica una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. Se ha pensado en ocupar estas moléculas para producir chips muy pequeños, donde los rotaxanos actúen como transistores. También se están desarrollando aplicaciones en las que funcionen como sistemas de almacenamiento de información para producir computadoras moleculares. De igual forma pueden ocuparse como sensores moleculares. Este tipo de aplicaciones se han trabajado ampliamente en los últimos años y se ha hecho un gran avance, pero aún es muy temprano para asegurar su efectividad y si serán capaces de cumplir las expectativas que han generado.

Científicos de los laboratorios Hewlett-Packard en Palo Alto, California y en la Universidad de California en Los Ángeles se encuentran desarrollando computadoras muy, muy pequeñas. Tanto como que una de ellas cabria en un grano de arena. Estas nuevas computadoras son, en realidad, moléculas. En el mundo de la computación es conocido que todas las computadoras están basadas en un interruptor de encendido-apagado. Los científicos, para las nanocomputadoras, han desarrollado un rotaxano que actúa como tal interruptor: El rotaxano es “insertado” entre dos cables cruzados. Cuando la molécula está en la posición de "apagado", un electrón puede brincar desde un cable hasta la molécula y luego desde esta hasta el otro cable. Como el viajero que se vale de un puente para cruzar un rio. Imagine que el puente fuese móvil: para crear la posición de "encendido" los científicos aplican un campo eléctrico entre los cables. Entonces, el electrón ya no puede brincar tan fácilmente. El puente ya no está allí.

Los científicos también están tratando de crear cables más pequeños para ser usados con estas nuevas moléculas. Han estirado tubos de carbono hasta formar hilos delgados de un nanómetro de ancho. Diez mil veces más finos que un cabello, son el resultado del arrollamiento de capas de átomos de carbono distribuidos en el espacio según la estructura hexagonal típica de su sistema cristalino. Estos científicos planean introducir capas de moléculas de rotaxano en el interior de computadoras ultra potentes. Las nuevas computadoras serán mucho más pequeñas y varios miles de veces más rápidas que las que se usan en la actualidad. También serán más económicas. Se llaman "nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas". Se cree que los científicos necesitarán algunos años más para fabricar la primera nanocomputadora electrónica químicamente ensamblada. Y pocos años después podrán venir ya las primeras nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas a la venta para todo el público.

Uno de los grandes retos a los que se enfrentan los científicos en la actualidad es que cada molécula de rotaxano sólo puede ser usada una vez. Por ello, sirve únicamente para almacenar información en la “memoria de sólo lectura”. Un ejemplo de memoria memoria de sólo lectura es la utilizada para guardar en soporte de disco compacto una enciclopedia. Puede ser leída pero no modificada. La molécula de rotaxano no puede ser usada para almacenar datos en la memoria de la computadora que se cambia una y otra vez: la “memoria de acceso aleatorio” usada en procesadores de texto. Los científicos están tratando de desarrollar una molécula que pueda utilizarse cuantas veces sea necesario.

Estas computadoras microscópicas, incorporadas por ejemplo al torrente sanguíneo de una persona, podrían identificar bacterias que no son mayores que ellas. Así se conocerían los fármacos específicos para combatir infecciones. Una entre miles de posibilidades. Phil Kuekes es un arquitecto de computadoras Hewlett-Packard y un investigador de nanocomputadoras electrónicas químicamente ensambladas. Eventualmente, dice, "las computadoras serán tan pequeñas que ni siquiera las notaremos. La computadora no estará solamente en un reloj de pulsera; estará también en las fibras de la ropa que visten las personas".

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