Javier Méndez para Libertad Digital

Javier Méndez
Nanotecnología y Nanociencia
Dr. Javier Méndez
Científico Titular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
Nanotecnología
Como la propia palabra indica es la “tecnología” de lo muy pequeño. “Nano” es diez a
la menos nueve (10-9), un “nanómetro” es el tamaño de algo “mil millones” de veces
más pequeño que un metro, “un millón de veces” más pequeño que un milímetro. Esta
tecnología esta en un estado muy incipiente y sería más correcto hablar de
“nanociencia”.
¿Por qué es interesante?
El mundo en que vivimos esta gobernado por la física que hemos estudiado en el
colegio, las leyes de newton, lo que se denomina “la mecánica clásica”. Si nos vamos a
tamaños muy grandes, el espacio, el cosmos, o a tamaños muy pequeños, los átomos,
los electrones, la física cambia, las leyes que gobiernan estos mundos son otras. En un
caso tenemos la física gravitacional y la teoría de cuerdas. En el otro, en el mundo de lo
muy pequeño tenemos la física cuántica, la nanociencia.
Cuando tenemos un objeto de un determinado material, y este objeto es muy muy
pequeño, de tamaño nanométrico ya no tiene las propiedades que caracterizan a ese
material. Heinrich Rohrer, premio Nóbel de física en 1986 por inventar el microscopio
STM, se preguntaba 10 años después: ¿cuantos átomos de oro necesitamos, para tener
las propiedades del oro? ¿mil? ¿quinientos? ¿cien?. Un año antes, 1995, nosotros (en el
laboratorio donde yo realizaba mi tesis) habíamos descubierto que un hilo de oro
formado por una sola cadena de átomos no conducía la corriente como lo hace cualquier
conductor metálico, lo hacía de una forma especial: la corriente a través de una cadena
de átomos de oro estaba cuantizada. Observábamos por primera vez, la conducción
cuántica en metales. Lo importante es el “confinamiento”. Una cadena de átomos de oro
es un objeto en una dimensión (a lo largo de la cadena de átomos). Los electrones que
viajan por esta cadena de átomos de oro, “notan” que están confinados a moverse en una
dirección, “notan que sólo pueden viajar en esta dimensión” y esto les pone muy
nerviosos y están alterados.
Otro ejemplo de como cambian las propiedades de los materiales al hacerlos muy
pequeños son los llamados “puntos cuánticos”. Los puntos cuánticos son objetos donde
hay “confinamiento” en las tres direcciones del espacio, esto es: un punto. Son como
una caja cerrada. Los electrones que están encerrados dentro están alteradísimos. Tanto
que son capaces de emitir luz. Si tenemos una disolución de estos puntos cuánticos esta
disolución tendrá colores muy vivos. Y el color y la intensidad dependerán del tamaño
de los puntos cuánticos. Los puntos cuánticos se están empezando a utilizar en “lásers”.
Son un claro ejemplo de cómo cambian las propiedades al disminuir el tamaño., y esto
es lo interesante de lo muy pequeño, esto es lo interesante de la nanociencia.
¿Cuales son las herramientas de la nanotecnología, de la nanociencia?
Yo distinguiría tres herramientas principales:
o La primera, una herramienta de fabricación de materiales, el MBE, del inglés
molecular beam epitaxy, que es una máquina que permite “fabricar” materiales
capa a capa con un control altísimo, prácticamente control del átomo. Con estas
maquinas se fabrican por ejemplo las multicapas. Estos son materiales que
parecen un sándwich “multipiso”: pan, atún, pan, atún, pan, atún... Aquí con lo
que juegan es con el espesor de la capa de pan o con el espesor de la capa de
atún. El resultado es un material con unas propiedades nuevas, que no son las
propiedades del pan ni las del atún. Por ejemplo estos materiales emiten luz
láser. Los láseres (lásers) de los lectores CD o DVD de nuestros ordenadores
seguramente tienen multicapas de semiconductores.
o Una segunda herramienta es el microscopio de efecto túnel (con el que yo
trabajo) y toda la gama de microscopios que de el se derivan. Esta herramienta
nos va a permitir visualizar el mundo a escala nanométrica. Este microscopio
consiste en una punta que acercamos a una superficie y la pasamos por encima
de la superficie. Por medio de la interacción entre la punta y la superficie vamos
a poder “ver” como es la superficie. Es como una persona ciega que “lee” como
es un objeto pasando el dedo por encima. Nosotros igual, pasamos la punta y
“vemos” como es la superficie. El ciego se hace una imagen mental en el
cerebro. Nosotros obtenemos una imagen en el ordenador. Luego podemos jugar
con esta imagen, dándole color, girándola en el espacio. El potencial de este
microscopio es tal que incluso podemos llegar a ver los átomos. El microscopio
de efecto túnel, además nos permite modificar las superficies, nos permite
escribir. Para ello, paramos la punta y apretamos más fuerte sobre un punto. Al
hacer esto marcamos la superficie en este punto (hacemos un agujero o
formamos un montículo de tamaño nanométrico). Hemos “escrito” a tamaño
nanométrico. Mediante este sistema podríamos escribir toda una biblioteca en la
cabeza de un alfiler.
o Por último, la tercera herramienta son las simulaciones teóricas, los cálculos que
se realizan mediante ordenadores de cómo se comportan los materiales a estas
escalas nanométricas. Para ello se realizan programas de ordenador con cientos y
miles de átomos. A estos átomos se les otorgan las propiedades características
del elemento al que correspondan, se introducen las formulas y leyes adecuadas
y se “simula” paso a paso que ocurre a cada átomo, cómo el movimiento de uno
de ellos afecta a los demás, etcétera. El resultado es un experimento realizado en
el ordenador donde todo es mucho más accesible que en el experimento real, ya
que debido al tamaño y a las dificultades técnicas muchas veces no vemos como
esta pasando todo.
Estas herramientas con que he clasificado la nanociencia en tres grupos “fabricación”,
“visualización” y “simulación”, están referidas al ámbito de la física. Si incluimos la
química tendríamos que mencionar la “síntesis de moléculas”, y cómo en la actualidad
se pueden sintetizar moléculas químicas con diversas propiedades: magnéticas,
conductoras, luminosas. O si incluimos la biología tendríamos que incluir toda la
investigación que se realiza con el ADN, la “biotecnología”.
¿En qué trabajo actualmente?
En el grupo en el que estoy integrado dentro del Instituto de Ciencia de Materiales de
Madrid, tenemos diversos proyectos de investigación. Uno es un proyecto financiado
por la Unión Europea que es sobre la “fricción en elastómeros”, esto es sobre los
procesos de desgaste de las gomas por efecto del rozamiento. En este proyecto están
involucradas varias empresas de automóviles interesadas en conocer los procesos que
ocurren a escala atómica en los frenos de los coches por ejemplo. Otro proyecto es una
red de investigación (Consolider) sobre óxidos. Nosotros aportamos imágenes de cómo
son las superficies de los óxidos, e incluso de como trascurren las reacciones sobre los
óxidos. Otro proyecto del grupo consiste en seguir reacciones químicas, en concreto
conseguimos cerrar una molécula hasta formar una fulereno de 60 átomos de carbono
(C60). Este trabajo lo hemos enviado a la prestigiosa revista Nature. Mi línea de
investigación, lo que es el proyecto de investigación que yo dirijo trata sobre la
“nanoestructuración de moléculas orgánicas”. En este proyecto estamos formando
“puntos orgánicos” y cadenas de moléculas orgánicas. En este trabajo combinamos dos
elementos importantes: uno, las propiedades de las moléculas que empleamos, son
moléculas fotoluminosas, capaces de emitir luz; y dos, el confinamiento, que como he
mencionado, es capaz de proporcionar nuevas propiedades. Cabe la posibilidad de que
si todo fuera bien, en el futuro se pudieran aplicar estos elementos a los lectores de CDs
de los ordenadores del futuro.
Mi trayectoria
Estudie y realicé el doctorado en la Universidad Autónoma de Madrid. Me dirigió la
tesis doctoral el Profesor Arturo Baró, pionero en España del microscopio de efecto
túnel. A lo largo de mi tesis observamos la conducción cuántica en nano-hilos de oro.
Luego estuve tres años en Alemania, en Berlín de posdoctorado. Trabaje en dos centros
distintos, la Universidad Humboldt y el prestigioso Instituto Max Planck. En este último
trabaje en el grupo del Profesor Gerhard Ertl, premio Nóbel de Química de este año por
sus investigaciones en reacciones catalíticas. En su grupo investigue con un
microscopio de efecto túnel ultra-rápido las reacciones químicas que ocurren en los
motores de los coches. De vuelta a España me incorporé al CSIC en el Instituto de
Ciencia de Materiales de Madrid con un contrato del programa Ramón y Cajal. Hace
dos años obtuve plaza de científico titular.
Anécdotas del mundo nanoscópico
Tengo un amigo de Berlín, es historiador y músico, tiene un grupo de música
electrónica, que me preguntaba sobre cosas del mundo de los átomos y se quedaba
maravillado, iba contándoselo a todo el mundo. Yo le contaba que el mundo a escala
atómica es algo distinto a como nos lo imaginamos. Los objetos sólidos son mucho más
blandos de lo que nos imaginamos, al menos a la escala atómica. Los objetos sólidos, a
escala atómica son casi líquidos, como la mantequilla o como el helado. Así cuando
tocamos un objeto metálico por ejemplo, no nos damos cuenta por que no vemos que
hayamos dejado ninguna marca, pero a escala atómica hemos ocasionado un destrozo
como si hubiéramos hundido el dedo (o pasado la uña) por la mantequilla. Y no
solamente eso, si no que además nos llevamos miles, millones de átomos del metal en
nuestro dedo. Esto a mi amigo le maravillaba, e iba tocando a la gente con el dedo en el
brazo y le decía: “te he quitado átomos”, “me he llevado tus átomos”. También le
contaba que las superficies de los materiales “incluso a temperatura ambiente” se están
moviendo constantemente. Los átomos se están despegando de un sitio, moviéndose por
la superficie rápidamente, y pegándose en otro sitio (hay películas que muestran esto
mismo, átomos y filas de átomos en continuo movimiento). Sin embargo, los objetos no
cambian de forma, o al menos de forma aparente, ya que el movimiento de un átomo
despegándose de un sitio y moviéndose hasta pegarse en otro sitio se “compensa” con el
movimiento de otro átomo que hace el camino inverso. Como no hay sitio preferente o
dirección de movimiento preferente el movimiento resultante se cancela. Aunque hay un
movimiento continuo de átomos, el borde del material permanece invariable
“aparentemente”. Mi amigo se quedaba sorprendidísimo e iba a contárselo a otros
rápidamente.