REVISTA CONOCER. Enero 1997, por Jaime Torroja
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NANOORDENADORES, MOLECULAS QUE CAMBIARAN AL MUNDO
Desde su aparicion a medio siglo, los ordenadores digitales se
han hecho mas rapidos, pequeos y baratos a un ritmo creciente. Las mejoras en
la tecnologia informatica se deben al avance de la litografia, el metodo
utilizado para estampar los circuitos en los chips. Cada avance en el proceso
de litografia va acompaado de una reduccion del tamao de las puertas.
Una reduccion en su tamao implica un mayor numero de ellas en
cada chip, lo que se traduce en ordenadores rapidos, ya que disminuye el
tiempo que las seales emplean para ir de una a otra puerta. Al ritmo actual
de miniaturizacion, en 2015 veriamos puertas de un angstrom, el tamao de un
atomo. Pero las tecnologias litograficas estan cerca de sus limites teoricos y
los transistores de semiconductores utilizados hoy se basan en propiedades
macroscopicas de materiales inorganicos.
La solucion a este dilema esta en la biologia. Los motores de
la vida, las celulas y las moleculas resolvieron el problema hace millones de
aos, por lo que parece adecuado pensar en ellas como punto de referencia para
los nuevos ordenadores. Segun los expertos en el tema, la electronica
molecular ofrece chips con una mayor densidad de transistores, un menor
consumo de energia y tecnicas de fabricacion mas simples. El futuro de los
ordenadores se encuentra en las moleculas.
Los primeros pasos hacia la era de los ordenadores tamao
molecular ya se han dado. El primer ingenio desarrollado a esta escala es ya
una realidad. Un grupo de cientificos del Laboratorio de Investigacion de IBM
en Zurich, ha sido capaz de construir un abaco, en el que las bolas son
moleculas que tienen un tamao inferior a la millonesima parte de un
milimetro. Un abaco esta formado por una serie de hileras de cuentas con la
que se representan los numeros. Moviendo las cuentas hacia arriba o hacia
abajo, se pueden realizar varias operaciones matematicas. Se trata, por lo
tanto, de un mecanismo muy simple, pero de gran utilidad que en ciertas zonas
del mundo sigue siendo una herramienta para el comercio. Si se considera al
abaco como un rudimentario ordenador, entonces, la era de la informatica
molecular ya se ha inagurado.
En el caso que nos ocupa, las moleculas que representan las
cuentas se mueven por medio de un sofisticado sistema denominado microscopio
de efecto tunel (STM), con el que se maneja una minuscula aguja conica
terminada en un unico atomo que es el que, en ultima instancia, desplaza las
moleculas. Las cuentas utilizadas en este experimento estan formadas por 60
atomos de carbono y se conocen con el nombre de bucky balls, en honor al
arquitecto Buickerminster Fuller, quien invento la cupula geodesica utilizando
hexagonos y pentagonos. De hecho, la apariencia del modelo de estas moleculas
es practicamente igual a la de un balon de futbol en el que se mezclan dichos
poligonos.
El responsable de este proyecto, James K. Grimzewsky, considera
que a pesar de la aparente irrelevancia de este logro, la posibilidad de
manipular moleculas individualmente es muy importante. "Con la union de la
fisica de estado solido y la quimica podemos estar en disposicion de unir
estructuras complejas tal como obra la naturaleza, molecula a molecula".
En los laboratorios de IBM se han llevado a cabo otras experiencias en el area
de la manipulacion molecular. En 1989, ao de la creacion del STM, Don Eigler
fue capaz de representar el logotipo de la compaia moviendo atomos de xenon
hasta formar las letras IBM. Desde entonces las tecnicas de los investigadores
del centro de Zurich se han perfeccionado hasta el punto de poder crear un
iterruptor atomico que se activa con el movimiento de un unico atomo.
El verdadero guru de la nanotecnologia es el doctor Eric
Drexler, investigador asociado del Institute for Molecular Manufacturing,
cuyos libros sobre el tema son la referencia obligada de cuantos se interesen
por este novedoso mundo. En su obra Engines of Creation (Maquinas de creacion)
sienta las bases teoricas de esta ciencia, describiendo sus principios y
mecanismos, mientras que en Nanosystems: Molecular Machinery Manufacturing and
Computation, (Nanosistemas: maquinaria molecular) desarrolla estos fundamentos
hasta dotar a la ciencia de un sustrato teorico desde el que desarrollarse.
Fue el propio creador del termino nanotecnologia quien designo a
una nanomaquina, el ensamblador, como la piedra angular de esta tecnologia. El
ensamlador es una maquina molecular encargada de fabricar otras maquinas
moleculares. Se controlara a traves de un nanordenador y utilizara las
moleculas para conseguir estructuras elaboradas. Sin embargo, el problema que
se plantea es similar a la del viejo dilema del huevo y la gallina: quien o
que fabricara al ensamblador?. Este es, precisamente, el punto clave de la
evolucion de la nanotecnologia. Cuando sea posible fabricar un elemento de
esta clase, y dado que se supone que contara con la increible facultad de
replicarse, el paso fundamental estara dado.
El premio Nobel de Fisica, Richard Feynman, planteo la respuesta
a este trascendental dilema en el ao 1959. Su propuesta se basa
fundamentalmente en el hecho de que se pueden utilizar maquinas grandes para
crear otras pequeas, y estas para hacer otras mas reducidas hasta llegar a
una escala molecular.
La ciencia dispone hoy de la tecnologia necesaria para ir
reduciendo progresivamente el tamao de la herramientas por lo que, en ultima
instancia, solo es necesario aplicar ingenio, paciencia e imaginacion para
crear maquinas moleculares. De hecho, desde hace tiempo los cientificos
utilizan lo que se denomina como ADN recombinante para modificar ADN,
desarrollando moleculas nuevas.
Tambien es posible disear bacterias en el laboratorio para
fabricar sustancias especificas. La quimica presta su apoyo a la
nanotecnologia, puesto que es posible formar estructuras moleculares mediante
reacciones quimicas, pudiendo elaborar por este medio, proteinas complejas.
La disica es el tercer camino posible para la creacion del
primer ensamblador. El STM y el AFM, un tipo de manipulador atomico similar al
utilizado por los tecnicos de IBM, se pueden considerar como manipuladores
atomicos, por lo que cabe pensar en medios fisicos para construir maquinas a
escala microscopica de la misma manera que hoy empleamos materiales, como
acero y plastico, para fabricar objetos cotidianos.
En efecto, los circuitos de esta nanomaquinas seran mucho mas
pequeos que a los que estamos acostumbrados. La comparacion de estos
circuitos con los que forman los actuales ordenadores sera analoga a la de un
ladrillo respecto a una montaa. Los nanordenadores se podran emplear para
dirigir otras maquinas de escala molecular. La programacion de estas vendria
definida por medio de las llamadas cintas moleculares, similares a la cadena
del ADN de los seres vivos, que a su vez serian sintetizadas por
secuenciadores moleculares de manera similar a como hoy se crean las proteinas
artificiales.
Otro posible uso de los nanocircuitos seria la creacion de chips
tridimensionales, que multiplicarian exponencialmente las posibilidades de los
actuales procesadores que equipan a los ordenadores que estamos habituados a
utilizar. Actualmente, sin recurrir a la nanotecnologia, es posible incluir
mas de un millon de transistores en el interior de un chip Pentium, por lo
que al emplear nanocircuitos este numero podria ser un millon de veces
superior, lo que daria lugar a un incremento espectacular de sus capacidades.
Todavia queda un enorme camino por recorrer antes de llegar a
los nanordenadores. Es necesario decidir que tipo de moleculas utilizar, como
sera el diseo interno de las maquinas e incluso hay que disear programas
informaticos especificos para la representacion de las estructuras de los
nanocomponentes. No obstante, numerosos centros tecnologicos de todo el mundo
estan trabajando en ello. Drexler y sus colaboradores ya han diseado
componentes para la construccion de ensambladores y otras nanomaquinas: el
Centro de Investigacion de Xerox en Palo Alto ya ha creado un software para
la generacion de estructuras moleculares tubulares; en la Universidad
norteamericana de Notre Dame se trabaja en el diseo de electronica a escala
nanometrica, utilizando la aproximacion del punto cuantico; el grupo del
profesor George Whitesides en la Universidad de Harvard y el de Steven Chou en
la Universidad de Minnesota investigan sobre la impresion litografica de
nanoestructuras utilizando moleculas; y en IBM, Texas Instruments o AT&T se
avanza en el campo de la manipulacion atomica y el diseo de logica hibrida.
Nanotecnologia, la ciencia del proximo milenio
La nanotecnologia, tambien conocida como nanotecnologia
molecular o fabricacion molecular, es la capacidad de fabricar complejos
dispositivos, tanto grandes como pequeos, con un control preciso del orden de
cada uno de los atomos individuales que constituyen el aparato. Aunque los
inicios de esta tecnologia ya son un hecho, los expertos piensan que estara
totalmente implantada de 15 a 30 aos.
Las posibilidades de esta clase de dispositivos seran muy
superiores a las de los actuales, en ciertos casos en varios ordenes de
magnitud. Las nanomaquinas haran posible ciertas labores que actualmente no
son mas que quimeras, como la reconstruccion molecular de tejidos biologicos.
Con el actual ritmo de miniaturizacion e integracion de
componentes, podemos predecir que los dispositivos electronicos de escala
molecular no seran una realidad comercial hasta el ao 2010 o 2020. Antes de
llegar a este punto, se pasara por un estado intermedio, donde se combinaran
componentes de escala molecular en chips microelectronicos con un hibrido que
seguramente estara disponible dentro de cuatro o cinco aos. Un par de aos
despues, alrededor del 2005, se iniciara realmente la era de la
nanotecnologia.
A escala atomica
Aunque los ordenadores moleculares seran la base de la
revolucion que provocara la nanotecnologia, hay numerososo campos en los que
el empleo de estos resultara beneficioso para la humanidad. La medicina, por
ejemplo, sera una de las areas mas beneficiadas. La experiencia descrita por
Isaac Asimov en su novela "viaje alucinante" podria ser real, sustituyendo al
piloto del nanosubmarino por un potente ordenador. Este viajero microscopico
realizaria funciones de exploracion, multiplicando el conocimiento del
funcionamiento biologico basico e incluso atacando a los agentes extraos con
sus propias armas. Este submarino molecular podria destruir a los virus
causantes de las enfermedades reduciendolos a sus componentes basicos y sin
provocar efectos secundarios.
Tambien se podrian emplear nanomaquinas para limpiar
obstrucciones en las arterias, eliminar tumores u obligar a determinadas
celulas a acelerar su proceso de reproduccion para sutituir a otras daadas
accidentalmente. Incluso cabe pensar en una drastica disminucion de los
procesos de envejecimiento del ser humano.
Otra actividad importante que podra revolucionar es la
fabricacion. Como los ensambladores tienen la facultad de copiarse a si
mismos, sera posible crear tantos de ellos como sea preciso para fabricar
cualquier objeto formado por atomos. Lo mismo se puede decir para el caso de
la exploracion espacial; situando nanofabricas en orbita se podran reducir los
problemas asociados a la propulsion, el lanzamiento de vehiculos espaciales y
satelites.
Mas cerca del suelo, las nanomaquinas no solo reduciran hasta
niveles minimos la polucion generada en los procesos de fabricacion, sino que
contribuiran decisivamente a eliminar los daos causados al medio ambiente,
reconvirtiendo los desechos de la era industrial en materia prima para nuevos
productos. Por ultimo, el reciclado tambien tendra gran auge.
Hacia donde va la informatica?
Los nanordenadores electronicos se vislumbran como la forma mas
probable de evolucion de la actual informatica. La potencia y velocidad de los
ordenadores han crecido con extraordinaria rapidez, gracias sobre todo a la
vertiginosa evolucion de la electronica de estado solido desde la invencion
del transistor en 1948.
Durante este tiempo, el incremento de la integracion de
transistores en el interior de los microchips ha sido exponencial, aunque no
se hayan producido cambios fundamentales en sus principios funcionales.
Sin embargo, parece que la miniaturizacion esta acercandose ya a sus limites
maximos. A una cierta escala, los efectos mecanico-cuanticos pueden impedir
que estos dispositivos funcionen de un modo correcto, por lo que es necesario
utilizar otras tenicas de reduccion del tamao de los transistores. Tiene que
haber un cambio tecnologico.
Para superar dichos limites, los investigadores estan trabajando
en cuatro campos distintos, todos ellos con el objetivo de hacer posible
sistemas con componentes de un tamao de unos pocos nanometros. Estos campos
son la electronica de estado solido, la bioquimica, la mecanica y la dinamica
cuantica.
En el campo de la electronica se esta experimentando con
transistores compuestos por un unico electron y atomos artificiales, mientras
en el campo de la bioquimica se esta experimentando con cadenas de ADN e
incluso bacterias como base para la realizacion de calculo. Los nanordenadores
mecanicos se basarian en un proceso denominado mecanosintesis, en el que los
atomos individuales se colocarian en determinadas posiciones para ensamblar
una nanomaquina.
Finalmente los nanordenadores cuanticos aprovecharan los
mecanismos de interferencia entre las ondas cuanticas asociadas con los
componentes de dimensiones moleculares.
