.
Tanto como millonésimas de milímetro. Ese
es el orden de magnitud de los nuevos materiales
moleculares de aplicaciones sorprendentes, lo que ha dado origen
a palabras como Nanociencia y Nanotecnología. Para hacernos
una idea: una hormiga mide alrededor de un cm (10-2 metros), una
célula 20
micrometros (10-6 metros), un orgánulo del interior de
la
célula como el ribosoma mide 25 nanometros (25×10-9
metros). Para apreciar lo pequeño que es un átomo: un
átomo es un 1/10.000 del tamaño de una bacteria, a
su vez un 1/10.000 del tamaño de un mosquito. En un
nanómetro cúbico caben 258 átomos de
carbono.
Se ha escrito bastante en los últimos años
sobre los denominados nanocompuestos, y es que hay que
reconocer que ese término engloba una enorme diversidad de
sustancias con un más que prometedor futuro en muy
diversas aplicaciones.
Actualmente se trabaja intensamente en la
preparación y el estudio de nuevos materiales moleculares
y supramoleculares que manifiesten propiedades químicas
y/o físicas, eléctricas, magnéticas y
ópticas, entre otras, para su utilización como
dispositivos químicos nanoscópicos. Estos tienen
aplicación en la Electrónica Molecular o en Biomedicina como
máquinas a escala atómica con
funciones
de
Simple Pump Selective for
Neon
www.imm.org Institute for molecular
manufacturing
limpieza de arterias
dañadas por la arterioesclerosis, reparadores de
ADN,
re-constructores de células o
"vasculocitos para la prevención de ataques
cardíacos por obstrucción de las
arterias.
Hablamos de moléculas
"engranadas"mecánicamente, con las que se han
diseñado los motores
moleculares, los interruptores nanoscópicos o
sistemas
de almacenamiento de la
información a escala atómica. Se
trata, principalmente, de los catenanos, los "nudos " (del inglés
knots) y los rotaxanos, formados por anillos o
macrociclos entrelazados atravesados por un "hilo" en linea recta
y que se pueden "ensamblar" entre sí.
Según David A. Leigh & Aden Murp, de la
Universidad de
Warwick, Coventry, en su artículo Molecular Tailoring: the
made-to-measure properties of rotaxane, publicado en Chemistry
& Industry el 1 de Marzo de 1999, el bloque de componentes
engarzados puede manifestar un comportamiento
distinto al de los "ladrillos" individuales. Incluso puede
presentar propiedades totalmente nuevas. Los macrociclos protegen
al hilo molecular central como una funda que los preserva de
agentes externos. Así, según los mismos autores, se
consigue obtener pigmentos
fotorresistentes, con la posibilidad adicional
de obtener hilos más largos, estables, que pueden usarse
como "cables"
moleculares.
El proceso de
formación del rotaxano es reversible, de modo que es
posible recuperar el macrociclo y aislarlo. Esto
permitiría la existencia de moléculas "con memoria de forma"
que según el ambiente que
las rodea, adoptan una configuración u otra, es decir,
"recuerdan" la forma preferida. Lo anterior abre la puerta al
desarrollo de
los interruptores
moleculares, de los que hablaremos más
adelante.
Cambiando las interacciones entre el hilo y los anillos
que lo rodean, pueden variarse selectivamente las propiedades
moleculares.
Si lo que se cambia es "la cara" que presentan al
ambiente externo, mediante un estímulo adecuado se pueden
obtener moléculas "inteligentes", como las
"lanzaderas"moleculares: estos
rotaxanos presentan dos estaciones o sitios de reconocimiento en
el hilo entre los cuales el macrociclo es libre de desplazarse.
Manipulando su afinidad por cada sitio pueden así los
químicos ejercer un alto grado de control sobre
este movimiento
submolecular.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Representación generada por
ordenador de un rotaxano, un anillo (macrociclo) cerrado en
torno a un
eje. (Del documento HTML adaptado por
el autor Matthew Carroll de su informe
'Towards the Synthesis of a [2]catenane' sobre un trabajo de
investigación realizado en la Birmingham
University (Julio-Agosto 1998)
El anillo está "contenido" en el
eje y no se sale de él gracias a grupos
químicos voluminosos, formados generalmente por diez o
más anillos bencénicos incorporados a cada extremo.
Lo importante a destacar es que no hay interacciones
químicas entre el eje y el anillo.
Según el mencionado artículo de David
A.Leigh, también se ha comprobado que al irradiar con
luz el
macrociclo una vez ha sido incorporada al mismo una
molécula fotoexcitable [Ru(bipy)2]2+, esta es
violentamente expelida de la cavidad, comportándose como
una especie de pistón
molecular propulsado por la luz.
Para ver el gráfico seleccione la
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Representación generada por
ordenador de un catenano (dos o más anillos
químicos entrelazados) Ver estructuras
más adelante.
El catenano se mantiene íntegro porque los dos
anillos están entrelazados, como los eslabones de una
cadena, y al igual que estos, no pueden ser separados sin romper
al menos uno de ellos.
Esto añade un grado de libertad
rotacional no asequible a otros sistemas, lo que puede encontrar
aplicación en el desarrollo de nano-dispositivos como los
nuevos sistemas de almacenaje de información, las computadoras moleculares.
Nanocomputadoras electrónicas químicamente
ensambladas (CAEN)
Los científicos de los laboratorios
Hewlett-Packard en Palo Alto, California y en la Universidad de
California en Los Angeles (UCLA) están desarrollando
computadoras
muy, muy pequeñas. Tanto como que una de ellas
cabría en un grano de arena. Estas nuevas computadoras
son, en realidad, moléculas.
¿Pueden ser las computadoras tan
diminutas? Todas las computadoras están basadas en un
interruptor de encendido-apagado. Los científicos 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 río. Imaginemos 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. Descubiertos en 1991 por un investigador de la NEC,
estarían destinados a ser conectores a escala
atómica en dispositivos electrónicos.
Los científicos planean introducir capas de
moléculas de rotaxano en el interior de computadoras ultra
potentes. Las nuevas computadoras serán mucho más
pequeñas y 100 billones de veces más rápidas
que las que usamos en la actualidad. También serán
más económicas. Se llaman "nanocomputadoras
electrónicas químicamente ensambladas" y sus siglas
en inglés son CAEN (chemically assembled electronic
nanocomputers). (www.harcourtschool.com/newsbreak/invisible_spn.html
Harcourt School publishers)
Se cree que los
científicos necesitarán dos años más
para fabricar la primera CAEN. Y pocos años después
podrían venir ya las primeras CAEN a la venta para todo
el público. Quizá algún día
dispongamos de una en nuestros hogares.
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 o
memoria ROM
(read-only memory). Un ejemplo de memoria ROM es la utilizada
para guardar en soporte CD-ROM 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 o memoria RAM
(random-access
memory). 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 CAEN. "Eventualmente", dice,
"las computadoras serán tan pequeñas que ni
siquiera las notaremos. La computadora no
estará solamente en tu reloj de pulsera; estará en
las fibras de tu ropa".
En 1964, Gordon Moore, uno de los socios fundadores de
Intel, formuló una ley, la famosa
Ley de Moore, aceptada universalmente durante las
últimas tres décadas: "El número de transistores que
caben en un chip de silicona se dobla cada 18 meses". Dicha ley
recibe retoques de cuando en cuando. El coeficiente multiplicador
anual de la densidad se
mantuvo en el valor 2 desde
1958 hasta 1972, se redujo a 1.6 desde entonces hasta 2010
(estimativo) y se cree que pasará a valer 1.16 desde esta
última fecha en adelante, hasta alcanzar los límites de
la Física.
La primera necesidad que impulsó la
miniaturización de circuitos
electrónicos surgió de los programas de
cohetes balísticos (lectura.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/
volumen3/ciencia3/112/htm/sec_31.htm ELECTROMAGNETISMO: DE LA CIENCIA A
LA TECNOLOGÍA Autor: ELIEZER BRAUN), debido a
su limitada capacidad de carga. La microtecnología fue
desarrollándose paulatinamente y se aplicó de forma
inmediata a computadoras comerciales, lo que redujo enormemente
el tamaño de sus procesadores.
Moore acertó plenamente. Los pasos de gigante
dados en el desarrollo de la informática han supuesto un fulgurante
avance en la tecnología aplicada a
los aparatos electrónicos. En los años 70, los
primeros chips contenían unos 2300 circuitos. Actualmente
un Pentium 4
contiene más de 42 millones.( mssimplex.com/microprocesador.htm página:Microsistemas INFORMACIÓN ACTUALIZADA SOBRE COMPUTACIÓN
E INTERNET Servicio
de soporte técnico gratuito actualizado en
NOVIEMBRE-22-2002)
Pero al cabo de esos treinta años la
microinformática parecía haber tocado fondo.
www.toptutoriales.com/tecno/articulos/articulo1.htm
Chips moleculares, el reino de Lilliput
Autor: J. Antonio Pascual
Estapé
(extraido de PCManía online) Es probable que en un plazo
de tiempo
más cercano a nosotros de lo que imaginamos se fabriquen
chips de 50 átomos de ancho, si bien las leyes de la
física impiden que el método
tradicional de impresión del transistor por la
luz pueda llegar a operar a escala menor.
Para ver el gráfico seleccione la
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La razón: es sabido que los ordenadores
sólo entienden la lógica
binaria, es decir, los valores 0
ó 1, llamados bits, que no es más que
un convenio sobre si pasa o no
corriente electrica. Los bits a su vez se agrupan en
bytes, y se codifican de manera especial para dar lugar a los
lenguajes de
programación. Los programadores utilizan estos
lenguajes para crear los programas, con los que dan instrucciones
al ordenador sobre lo que tiene que hacer. A continuación,
dichos programas se traducen al lenguaje
binario o código
máquina, que es el único que entiende el
ordenador.
Desde un punto de vista físico, el valor 0 o 1 de un bit
se procesa en el ordenador mediante un interruptor de apagado o
encendido. Estos interruptores son los conocidos
transistores de tipo MOS
(Metal Oxide Semiconductor) donde una
corriente de electrones se conduce a través de una
"puerta"que permite el paso desde el óxido (aislante) al
metal (silicio, semiconductor). Idea clave de los chips: estos
transistores se almacenan en circuitos integrados (integran en la misma
pieza de semiconductor todos los componentes de un circuito
eléctrico: transistores, diodos, resistencias,
condensadores,
etc…) , los cuales están hechos enteramente de
silicio. Hay 100 millones de
transistores por chip. Para crearlos, un rayo de
luz graba las obleas de silicio, (ispjae.edu.cu/gicer/Boletines/4/137/bol137.htm
Boletín de redes nº 137)
proceso que se conoce con el nombre de
fotolitografía.
Esto genera un problema si lo que se quiere es alcanzar
dimensiones cada vez menores: habría que utilizar una
radiación
de longitud de onda inferior a la de
la luz, es decir los rayos X, los
cuales alterarían la materia, la
composición de los átomos y el método
utilizado.
A pesar de esta evidencia, en 1999 desde la Universidad
de California en los Ángeles
nos llegó otra luz, la que arrojó el grupo de
investigadores mencionado arriba quienes basándose en la
física cuántica crearon el rotaxano. En síntesis,
se puede decir que los pulsos emitidos por unos imanes
actúan sobre las partículas de hidrógeno presentes en el rotaxano,
haciéndolas girar e interaccionar con los átomos de
carbono. Estos se orientan en ese campo de fuerza
"subiendo "o "bajando", lo que representa un 1 ó un 0,
comportándose así como un transistor
electrónico.
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Representación de un
pseudo-rotaxano.
Despues de "enhebrar" el largo eje-cadena a
través de la corona del anillo, los dos extremos de la
cadena podrían entonces ser unidos para formar el
catenano.
La estructura de la corona se muestra en el
dibujo
siguiente:
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La estructura de la cadena larga es la que sigue a
continuación:
Para ver el gráfico seleccione la
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En los ordenadores "clásicos", el material
es un semiconductor como el silicio del cual aprovechamos sus
propiedades electricas; en los ordenadores cuánticos se
trata de átomos de
flúor o iones de calcio, y nos aprovechamos
de sus propiedades cuánticas. La multinacional
informática IBM ha desarrollado uno de cinco átomos
de flúor. "La computación cuántica comienza cuando
la ley de Moore llega a su límite. De acuerdo con dicha
ley, está previsto que los circuitos continúen una
miniaturización progresiva hasta el año 2020,
cuando alcanzarán el tamaño de los átomos y
las moléculas", explica Isaac L. Chuang, director del
equipo de investigadores de IBM y de las universidades de
Stanford y Calgary que han trabajado en el proyecto. "De
hecho, los elementos básicos de las computadoras
cuánticas son los átomos y las moléculas".
Recientemente, científicos de las Universidades de Harvard
y Cornell presentaron, de forma independiente, transistores
electrónicos constituidos por dispositivos formados por
una sola molécula compuesta por átomos de cobalto y
vanadio, con los que se demostró la capacidad para
controlar el flujo de electrones.
El siguiente dibujo ar.geocities.com/moni2201/nanotrn1.htm es
una representación de un complejo cobalto-terpiridinil
(cobalt-terpyridinyl) (a la izquierda) y de una molécula
divanadio (a la derecha) unidas ambas a electrodos de oro. Sistema
de un solo átomo del cobalto en un caso y dos
átomos del vanadio en el otro.
Toda una hazaña
increíblemente difícil de realizar, construir estos
circuitos requirió la fabricación de
"moléculas diseñadas" integradas por varios
átomos dispuestos a modo de andamio en donde los
átomos de cobalto o de vanadio se ubican en forma
central.
ar.geocities.com/moni2201/nanotrn1.htm
Dos moléculas usadas por los científicos
de la universidad de Cornell, para crear un transistor de un
sólo átomo. En cada molécula hay un
átomo de cobalto (azul oscuro), retenido por una
molécula de piridina (Pyridine, C5H5N) y además hay
átomos de azufre(rojo), usados para fijar la
molécula a los electrodos de oro. El flujo de electrones
de un electrodo al otro se realiza por un salto en el
átomo de cobalto
La simultaneidad de estados según la
física cuántica, consiste en que los electrones
pueden estar a la vez en dos posiciones (el 0 y el 1). Esta
particularidad da lugar a elementos (uno por cada átomo)
que no se llaman bits, sino qubits (del inglés
"quantum bit"). Además, los electrones no tienen por
qué estar sólo en 1 y 0, sino que pueden tomar
valores
intermedios. Esta extraordinaria cualidad abre las puertas al
almacenamiento
masivo y simultáneo de datos.
El entrelazamiento, como sostiene el
físico español
José Ignacio Cirac (ver MUY del mes de noviembre)
consiste en que si un cuanto de energía, por ejemplo un
fotón, cambia de estado, esta
variación se refleja inmediatamente en otro, aunque
esté separado físicamente de él: es la
transmisión más rápida posible.
www.inicia.es/de/santiagoherrero/Tecnologia.htm
La capacidad de memoria y la velocidad se
potenciarán cuando la simultaneidad de estados y el
entrelazamiento se dominen. Así, por ejemplo, los grandes
sistemas de cifrado y descifrado
de mensajes, basados en operaciones
matemáticas sencillas pero muy largas y
repetitivas, se verán acortados radicalmente en el tiempo.
El microprocesador cuántico reduciría los pasos en
el tratamiento de la información, aunque todavía es
pronto para cotejar datos tangibles.
Organizar a los átomos entre sí y con su
entorno sin errores ni interferencias se intuye que es empresa
más que difícil. El ordenador ultrarrápido
desarrollado por IBM ha realizado una operación de calculo
avanzado a una velocidad exponencialmente superior a la de un
ordenador convencional. En www.ibm.com/es/press/notas/2000/
agosto/ordenadorcuantico.html se describe el
concepto:
"Utilizando la molécula de
cinco qubits, el equipo de Isaac L. Chuang
resolvió de un solo paso un problema matemático que
precisa varios ciclos con ordenadores convencionales. El
problema, denominado "order-finding" (encontrar el orden),
consiste en determinar el periodo de una función
particular, lo que constituye el centro de muchos otros problemas
matemáticos que se utilizan en aplicaciones importantes
tales como la criptografía.
El problema de encontrar el orden puede ser
descrito de la siguiente forma: se considera un número
elevado de habitaciones y un número igual de pasillos
entre ellas en los que se puede circular en un solo sentido;
algunos de estos pasillos pueden ser circulares y acabar en la
misma habitación de la que salen. Una persona que se
moviese por este "laberinto" acabaría tarde o temprano por
volver a la habitación de origen. El problema es calcular,
con un número bajo de consultas, el número
mínimo de pasillos por los que tiene que circular esta
persona antes de volver a la habitación inicial. El
ordenador cuántico de cinco qubits resuelve cualquier caso
de este problema en una sola fase, mientras que con la
informática convencional puede ser necesario realizar
hasta cuatro pasos."
Pero todavía falta mucho para que se puedan
comercializar ordenadores cuánticos. Se calcula que se
necesitan 1.000 partículas para realizar cálculos
un poco complejos, y que es necesario coordinar unas 100.000 para
obtener ordenadores moleculares de cierta capacidad. Algo que
Jose Ignacio Cirac cree que no ocurrirá "en los
próximos 20 años".
De las computadoras cuánticas se espera que
desplacen a la tecnología del silicio, gracias a su
velocidad y a su "nanoscópico" tamaño: los expertos
consideran que en el volumen que ocupa
un grano de arena se podrá albergar un ordenador
cuántico cuya capacidad y velocidad equivaldrá a la
de 1.000 procesadores como los actuales.
"Un ordenador molecular nos permitirá hacer cosas
que todavía no podemos imaginar", dijo James Heath, que ha
dirigido las investigaciones
de UCLA, en un comunicado oficial. Según noticia diario
El Pais ELPAIS.ES | ISABEL
PIQUER [19/08/00]. "Será un millón de
veces más eficaz que un ordenador basado en chips de
silicio". También más económico y fiable.
Los qubits no pueden ser clonados o copiados, haciendo
prácticamente imposible el hecho de que alguien vulnere un
código encriptado con un sistema
cuántico.
"Con las moléculas estamos empezando a trabajar a
la menor escala posible", dijo Fraser Stoddart, el químico
que ha diseñado los interruptores junto con un equipo de
investigadores de Hewlett-Packard. El hallazgo abre la puerta
hacia un nuevo mundo de circuitos de apenas unos átomos de
ancho, una miniaturización que promete cambiar la industria
informática tal y como la conocemos. La
investigación de Stoddart está en parte financiada
por la Agencia de Proyectos de
Defensa del Gobierno
estadounidense.
Así pues, los dispositivos de memoria molecular
podrían ofrecer una capacidad de almacenamiento muy
superior a la de los ordenadores actuales y a mucho menor coste.
Los actuales dispositivos microeléctricos de silicio
tienen un tamaño mínimo de 180 nanómetros,
más o menos una milésima del grosor de un cabello.
Pero en la electrónica molecular los componentes
más pequeños pueden llegar a reducirse a un solo
nanómetro, lo que permitiría tener más de
mil procesadores en el espacio que ahora ocupa uno solo de los
actuales.
El sistema desarrollado en UCLA es relativamente simple,
a partir de un catenano: "Imagine dos anillos interconectados,
cada uno formado por dos estructuras que interactúan con
estímulos electroquímicos", explica Stoddart. Un
impulso eléctrico creará un movimiento de los
anillos al alterar el orden de los electrones, "encendiendo"
así el interruptor al provocar que las dos
moléculas se toquen, permitiendo el paso de corriente.
Otro impulso restablecerá el orden como si lo "apagara".
Anteriormente este mismo equipo logró crear un sistema,
basado en el rotaxano, pero que sólo podía
funcionar una vez, y se inutilizaba después de un solo
uso.
"Este nuevo sistema es muy robusto, se puede utilizar a
temperatura
ambiente", dice Stoddart. "Además se ve perfectamente
cómo actúa el catenano, al principio es verde y
luego cambia a marrón". Anteriormente el interruptor
sólo funcionaba en una solución líquida, lo
que no se podía utilizar para los ordenadores, pero el
equipo de UCLA consiguió fijar las moléculas en una
película sólida.
Sin embargo, todavía queda mucho camino hasta
llegar a ensamblar
un micrordenador con estas moléculas. Los
científicos de Hewlett Packard ya pueden fabricar cables
conductores de un ancho inferior al tamaño de una docena
de átomos, pero todavía no han encontrado la
fórmula para conectar los interruptores moleculares entre
sí.
Marcos Sanchez