AVANCES ACTUALES Y PERSPECTIVAS DE FUTURO

MODELOS TOP-DOWN: LA MINIATURIZACIÓN

      Y LOS CIRCUITOS INTEGRADOS.

Uno de los avances más importantes de la electrónica ha consistido en la

 integración de los dispositivos electrónicos. La idea consiste en colocar

un mayor número de dispositivos en el mismoespacio, la oblea de Silicio.

 Esto sólo puede hacerse disminuyendo el tamaño de los dispositivos y de

los demás elementos que les acompañan. Por ello aparece la palabra

microelectrónica, para indicar que el tamaño está en la escala de la micra.

La evolución de este proceso puede seguirse en una gráfica denominada ley

de Moore, que es una línea recta y que indica que cada 18 meses se dobla

el número de dispositivos. Actualmente el tamaño está ya por debajo de la

 micra, más exactamente en el rango de la décima de micra. Otro aspecto

 importante es que no se han encontrado dificultades serias para que los

dispositivos sigan funcionando con arreglo al mismo principio físico. Por

supuesto que ha habido que resolver importantes retos tecnológicos, de

manera que la tecnología es cada vez más compleja y más cara.

Este proceso se llama miniaturización o también proceso top-down y no se

sabe hasta dónde puede llegar, o si hay algún límite por debajo del cual, o

bien los dispositivos presentan dificultades insalvables, o bien la tecnología

 no permite fabricar elementos tan extremadamente pequeños.

NACIMIENTO DE LA NANOCIENCIA: A) MICROSCOPIOS DE EFECTO

TÚNEL. B) MICROSCOPIOS DE FUERZAS.

Con independencia del desarrollo de la microelectrónica, en los años 80 se

descubrió un nuevo tipo de microscopio que opera situando una punta

sumamente afilada a una distancia de ≈ 1 nanómetro de la muestra a

examinar. El microscopio es tan estable que puede mantener esta distancia

constante con una precisión de 0.001 nm. Para poder lograr esta precisión

el microscopio funciona midiendo la corriente eléctrica, que por efecto túnel,

circula a través del vacío que deja la distancia entre punta y muestra. La

corriente túnel circula gracias a que para distancias del tamaño de los átomos

 se aplica la mecánica cuántica, y ésta permite el flujo de corriente por efecto

 túnel, sin que haya contacto entre punta y muestra. Por ello el microscopio

se llama de efecto túnel (STM) (1). Respecto a los microscopios ópticos y

electrónicos, el STM se distingue por no tener lentes, lo que elimina uno de los

problemas más difíciles. Por el contrario la estabilidad mecánica es mucho más

 estricta. Cabe asociar el nacimiento de la Nanociencia a la aparición del STM.

Hay que citar también a Feynman y su famosa conferencia "There is plenty of

 room at the bottom" como precursor. Desde el punto de vista de la microscopía,

 el STM ha supuesto una gran revolución, ya que ha permitido obtener imágenes

 de estructuras superficiales en el espacio real, en tres dimensiones y con

resolución atómica (Figura 1).

                

En dicha figura se puede apreciar que el substrato corresponde a la

reconstrucción 7x7 de la cara (111) del Si. La celda unidad está

constituída por dos subceldas triangulares que muestran en su

interior los átomos de Si característicos de esta reconstrucción.

En cuatro de las subceldas triangulares, que se distinguen por

aparecer más brillantes, se han adsorbido cuatro átomos de estaño

Sn, que se mueven por toda la subcelda. El objeto de este trabajo

consiste en medir el movimiento o difusión de lo átomos de Sn por

la superficie.

La idea de colocar una punta afilada tan cerca de la muestra constituye

el nexo común de los llamados microscopios de proximidad. Un ejemplo

más de esta idea lo constituye el microscopio de fuerzas atómicas (AFM)

(2). En este caso se mide la fuerza entre la punta y la muestra cuando

éstas están muy cerca (1-4 nm), para lo que la punta está sujeta a un

"cantilever" cuya constante de fuerza es de ≈ 1 N/m o sea muy baja,

pero al mismo tiempo es suficientemente rígido como para que su

frecuencia propia sea de ≈ 50 kHz. Con ello se pueden medir fuerzas

muy bajas como 100 pN. El AFM permite medir muestras de carácter

aislante, al aire ambiente o incluso en medio líquido (Figura 2).

              

Como microscopio el AFM por sus características es muy competitivo.

En efecto, no hay restricciones en cuanto al tipo de muestras, y más

aún ya que éstas no requieren una preparación especial. Tampoco se

requiere vacío como en los microscopios electrónicos, pudiéndose

además trabajar en medio líquido, análogamente a lo que ocurre en el

microscopio óptico. Esto convierte al AFM en un instrumento universal

 y fiable.

MODELOS BOTTOM-UP: MANIPULACIÓN DE ÁTOMOS Y MOLÉCULAS

Lo que permiten los microscopios de proximidad, particularmente el STM,

es controlar la materia átomo a átomo (3). Así la punta puede

considerarse como una herramienta capaz de tomar un átomo de la

superficie y trasladarlo a otro sitio diferente de la misma. Por ejemplo

se puede escribir con átomos, como se hizo con el año 2000. Más aún,

se puede manipular una molécula y disociarla.Esto se ha hecho con la

molécula de O2 que por medio de la punta de un  STM se ha disociado en

sus dos átomos componentes. También se ha hecho con la molécula de

benceno C6H6, rompiendo en este caso uno de los enlaces C-H (4).

También podemos pensar en el proceso inverso, o sea, juntar átomos y

combinarlos para formar una molécula. Si dejamos volar nuestra

imaginación, cualquier proceso que se nos ocurra quizás también será

posible.Esto es lo que se llama proceso bottom-up, es decir que en lugar

de miniaturizar lo grande, lo que se trata es de empezar con las unidades

básicas, los átomos, y construir hacia arriba hasta alcanzar la escala

microscópica.Durante cientos de millones de años, la naturaleza ha

juntado proteínas y otras moléculas biológicas para construir una gran

variedad de máquinas moleculares. La célula es el ejemplo último del

procesado de la materia empezando desde la escala nanométrica.De lo

dicho hasta ahora se deduce que la nanociencia constituye un campo

multidisciplinar. El proceso top-down es el que siguen los físicos de estado

sólido, mediante el cual estructuras semiconductoras se hacen más y más

pequeños. El proceso bottom-up es practicado por los químicos y los

biólogos moleculares, para formar estructuras mayores a partir de los

 átomos y las moléculas.

LA NANOMECÁNICA

Para poder juntar átomos y moléculas es importante conocer y medir las

 interacciones intermoleculares e intramoleculares. Esto no es fácil, pero

una manera de hacerlo es usando el AFM. La medida de las fuerzas a

esta escala constituye una rama importante que se llama nanomecánica,

ya que una de las magnitudes más importantes en mecánica es la fuerza.

       

Las proteínas adquieren sus funciones únicas a través de los plegamientos

 específicos de sus cadenas polipéptidas. Las propiedades mecánicas de

las proteínas son desconocidas y lo que hay que hacer es medir la fuerza

 necesaria para plegarlas. Esta es una de las posibilidades del AFM y se

suele denominar espectroscopia de fuerzas de una sola molécula. Un

ejemplo de esta medida se ha realizado con una molécula de titina cuyas

 propiedades mecánicas son esenciales para su función biológica. La

molécula fue extendida midiendo al mismo tiempo la fuerza necesaria para

  provocar esta extensión. Se observó una curva en forma de diente de

sierra, cuyo período estaba entre 25 y 28 nm. La fuerza variaba entre 150

y 300 pN. Las discontinuidades reflejadas por la forma en diente de sierra

pueden atribuirse a los plegamientos individuales de la proteína (5).

En otro experimento se ha podido medir la fuerza de ruptura de un enlace

covalente aislado. Utilizando diferentes estrategias se encontró que el

enlace silicio-carbono se rompía a 2.0±0.3 nanonewtons, mientras que el

enlace oro-azufre lo hacía a una fuerza de 1.4±0.3 nanonewtons (6).

NUEVOS MATERIALES Y DISPOSITIVOS FUNCIONALES

Existen efectivamente materiales cuyo tamaño es del orden de un nanómetro,

 y además tienen propiedades especiales. Desde el punto de vista de la física

básica, aparecen efectos cuánticos siendo dominantes, la termodinámica se

 altera y la reactividad química se modifica. La superficie gana importancia

cuanto más pequeño se hace el material. Como ejemplos de estos materiales,

están los nanocristales, que son agregados de unos cientos o miles de átomos

 formando un cristal. Una propiedad de los nanocristales es su perfección,

ya que no hay sitio para los defectos en un tamaño tan diminuto.

Otro material con el que se está trabajando intensamente es el nanotubo

de carbono (7). Se obtiene enrollando una capa de grafito (Fig. 3), que es

un semimetal. Sin embargo y dependiendo de cómo se enrolla, el nanotubo

puede ser metálico o semiconductor. Los nanotubos de carbono tienen

propiedades especiales: conducen el calor mejor que cualquier otro material

conocido, son cien vecesmás fuertes que el acero y más duros que el diamante.

 Otro material son los dendrímeros.Tenemos pues materiales de dimensiones

nanométricas (100.000 veces más pequeños que un cabello humano), y

queremos ensamblarlos en sistemas capaces de realizar funciones complejas.

 Para ello se necesita encontrar unos bloques básicos. Si nos fijamos en el

 mundo macroscópico, sabemos que mediante una combinación correcta de

bloques LEGO se pueden construir objetos complejos y sofisticados. Pues

bien, el diseño, síntesis y caracterización de estos bloques será una de las

 tareas fundamentales en Nanotecnología. Estos bloques tendrán formas y

 tamaños variados y contendrán materia inorgánica o dura , materia orgánica

 blanda y en algunos casos una combinación de ambas.

 

En conclusión creo que la nanociencia constituye un campo apasionante con

 múltiples vertientes y con una característica fundamental: su naturaleza

multidisciplinar. Para acelerar su progreso, hace falta juntar a científicos de

varias disciplinas, para que pongan en común sus conocimientos y resuelvan

problemas ciertamente difíciles ya que en algunos casos están rozando la

utopía o la ciencia-ficción.

PAGINA DE REFERENCIA:
http://www.encuentros-multidisciplinares.org/Revistan%C2%BA12/Arturo%20Bar%C3%B3%20Vidal.pdf

PUBLICADO POR: Acuña Rey Andres Eduardo
ELECTRONICA DE ESTADO SOLIDO

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