LA NANOELECTRÓNICA Y EL AUTOENSAMBLAJE

El acelerado desarrollo tecnológico del que hemos sido testigos las últimas décadas, ha llevado a la Humanidad a adaptarse rápidamente a nuevos conceptos e innovaciones. Dentro de una sociedad hambrienta de crecimiento, ha sido posible evolucionar desde gigantescas y costosas máquinas de cómputo a ordenadores portátiles, teléfonos móviles, revolucionarios sistemas médicos y un amplio espectro de herramientas electrónicas hoy en día fácilmente adquiribles, producto del desarrollo de dispositivos semiconductores cada vez más rápidos y con mayor capacidad de almacenamiento como las memorias digitales.
La evolución de la tecnología de los circuitos integrados que permite desarrollar sistemas cada vez más complejos está recogida en la denominada ley de Moore (1), pronosticada por Gordon Moore en y que puede ser enunciada de la siguiente manera: La capacidad de las memorias digitales de estado sólido aumenta a un ritmo de un factor de 2 cada 1.5 años (2). Lo anterior nos da una idea del máximo número de transistores por unidad de superficie que se puede integrar en un circuito; Siguiendo la ley de Moore, los circuitos integrados (CI) llegarán a tener densidades de 1012 bits / cm2 en aproximadamente 12 o 15 años. Comparando con el cerebro humano que contiene aproximadamente 1012 sinapsis / cm3 y haciendo la analogía entre una sinapsis y un bit, el sistema biológico y los circuitos integrados llegarán a tener densidades iguales dentro de 15 años.
Sin embargo, el aumento de la velocidad de respuesta y el número de transistores por chip han generando nuevos problemas para los diseñadores, quienes se han empeñado durante las últimas décadas en buscar soluciones que corrijan los efectos colaterales no deseados que surgen con la miniaturización (3).

Los retos de la tecnología actual
Actualmente los fabricantes, producen los chips de una "oblea" de silicio cortada de un lingote de cristal. La fabricación de estructuras muy complejas se basa en procesos de múltiple deposición, modelado y grabado, similares a esculpir sobre mármol, sin embargo, cuanto más pequeña es la estructura (nano dimensiones), los fabricantes deben pagar costos muy altos debidos a que el proceso requiere alta fidelidad. Una máquina de modelado de precisión cuesta alrededor de 15 millones de dólares y la evolución en los procesos de miniaturización sugieren que este tipo de herramientas será cada vez más costoso, sin contar con que una fábrica puede necesitar 50 de estas máquinas (4).
Según los expertos, las fábricas no podrán soportar los elevados costos que el avance tecnológico requiere, además de enfrentar las limitaciones propias de la tecnología del silicio (a escalas tan pequeñas, los dispositivos empiezan mostrar comportamientos diferentes)
Ante esta perspectiva, muchos científicos han apostado por las nuevas tendencias nano tecnológicas como la litografía basada en el ribosoma y el denominadoSelf- assembly (auto ensamble), en el cual los dispositivos se construyen así mismos, con alta densidad y perfecta funcionalidad que los hace competitivos en la práctica. 
 

Nanofabricación 
"Los principios de la física, como yo lo veo, no hablan sobre la posibilidad de maniobrar cosas  átomo por átomo. Esto no es un intento de violar alguna ley; es algo que en principio 
se puede hacer; pero en la práctica, no se ha hecho porque somos demasiado grandes." 
Richard Feynman (premio Nóbel de física 1959).

El modelo biológico
Tradicionalmente los sistemas físicos (puentes, ordenadores, teléfonos móviles, etc.) han sido diseñados por ingenieros mediante el uso de complejas y definidas reglas de diseño. Los diseños parten de lo general a lo específico contrastando con los procesos naturales que evolucionan constantemente. El diseño natural comienza como un conjunto de instrucciones codificadas en el ADN cuyas regiones de codificación son inicialmente transcritas al ARN dentro de los núcleos de las células y después a las proteínas en el citoplasma. El ADN contiene las instrucciones para la construcción de moléculas usando secuencias de amino ácidos que finalmente, después de innumerables y complejas reacciones químicas crean un organismo vivo.
La supervivencia de un organismo se puede ver como un proceso de ensamble de un enorme sistema con múltiples componentes o partes y como un proceso de pruebas continuas respecto al medio ambiente en el que se encuentra.
De acuerdo a lo anterior, la nano electrónica pretende manipular los procesos de construcción natural (siguiendo las leyes que en la naturaleza rigen estos procesos), para manufacturar complejos sistemas electrónicos buscando que los nano dispositivos al igual que los sistemas naturales (los árboles por ejemplo) sinteticen moléculas (en el caso de los árboles moléculas de dióxido de carbono y agua) sin ruido, calor, gases tóxicos o labor humana y que consuman además los contaminantes en el proceso.
De esta manera el nuevo reto consiste en la manipulación, precisa e intencionada, de la materia en el ámbito atómico para construir sistemas electrónicos. Para observar en perspectiva las dimensiones de lo que se discute, es importante citar que:
1 nanómetro = (10-9metros) 
Una célula = 20 micrómetros (10-6metros)

Los métodos de fabricación actuales presentan dificultades de manipulación en el ámbito molecular. Se puede afirmar que intentamos armar bloques de ladrillos de plástico con guantes de boxeo en nuestras manos, es decir, podemos apilarlos unos con otros pero no podemos colocarlos como realmente quisiéramos. De manera que para desarrollar los dispositivos apropiados para esta manipulación se introduce el concepto de nano tecnología, que involucra a las ciencias Química y Bioquímica, Biología molecular y Física y a las tecnologías de la Ingeniería Electrónica y de Proteínas, hace uso de microscopios y pruebas de proximidad, imágenes electrónicas y posicionamiento molecular electrónico, química supramolecular y química computacional, que en conjunto buscan desarrollar una tecnología industrial capaz de fabricar con precisión molecular el mayor número de estructuras compatibles con las leyes de la física. 
 

Nano electrónica
¿Cómo es posible que los organismos vivos, cuya complejidad es infinitamente mayor que la de muchos sistemas electrónicos actuales, puedan continuamente y a través de una interrelación profunda llevar a cabo el proceso natural de la auto-construcción?
En contraste y desde nuestra actual perspectiva resultaría ilógico pensar que un Boeing 777 pueda hacer lo mismo. Los ingenieros trabajan actualmente en diseñar los materiales, la arquitectura y las condiciones ambientales que hagan posible que nuestras complejas estructuras tecnológicas como dispositivos electrónicos y ordenadores puedan llegar a auto-organizarse, aunque por ahora desconozcamos muchos de los secretos que estas técnicas utilizan en la naturaleza.

Una de las aplicaciones
Una de las ideas de los investigadores de la nano electrónica es la posibilidad de reducir aún más el tamaño de ciertos dispositivos como las memorias de semiconductor que actualmente se utilizan en los ordenadores, por memorias moleculares.
El mundo de la computación se basa en la lógica booleana, es decir en sistemas de numeración binarios que se utilizan debido a la facilidad para la manipulación de datos cuando se diseñan sistemas con dos símbolos (ceros y unos) en lugar del decimal (10 símbolos) para representar datos mediante señales eléctricas (es más fácil manipular dos señales eléctricas en lugar de diez), de manera que mediante arreglos binarios podemos representar cualquier variable física, procesarla y dar una respuesta. Las memorias convencionales están fabricadas de materiales semiconductores que almacenan cargas eléctricas (un uno lógico equivale a la presencia de carga eléctrica y un cero a su ausencia), con los sistemas moleculares se pretende reemplazar los dispositivos microelectrónicos que sirven para cumplir dichas tareas por uniones moleculares sencillas en las que un átomo de hidrógeno representa un uno lógico y un átomo de flúor un cero, consiguiendo almacenar mayor cantidad de información en espacios más reducidos (5). 
 

Principios del autoensamble
Auto- ensamble (Self-assembly)
Más allá de la anterior aplicación encontramos que no sólo la posibilidad de manipular elementos a escala nano dimensional es la meta; se trata también de que una vez desarrollados los equipos para manipulación de materiales de estas magnitudes, podamos descubrir los mecanismos que utilizan los organismos vivientes para reproducirse y poder implementar fábricas automáticas de dispositivos moleculares, siguiendo las cadenas naturales de auto-ensamble.
Los investigadores parten de que un sistema inteligente acumula, organiza y procesa información procedente de su entorno, y contrariamente, los sistemas que carecen de estas características tienden hacia el caos. La pregunta es: ¿qué clase de información define que el universo o los átomos se organicen en entidades complejas como células vivas o sistemas galácticos sin caer en el caos?
Las respuestas dadas por muchos científicos apuntan a considerar que parte de esta información está contenida en derivaciones experimentales de constantes físicas universales como la constante de Planck, la velocidad de la luz, la gravedad, la constante de Boltzman y otras. Aunque la tarea de calcular dichas constantes está hasta ahora comenzando, sus valores no son arbitrarios, y esto lo demuestran muchas de las formaciones orgánicas e inorgánicas conocidas que siguen patrones uniformes (el cuerpo humano, la organización de los átomos de cristales en enrejados regulares, etc.)
Por ejemplo, el equilibrio termodinámico es la información intrínseca que permite a los átomos de cristales formar estructuras hexagonales o cúbicas, los copos de nieve utilizan la información de presión, temperatura y flujo de viento de su entorno para auto- organizar su sistema atómico y definir sus uniformes y complejas formas (6).
La anterior información se utiliza actualmente en la producción de algunos polímeros de escala nanométrica que son fabricados a través de la manipulación adecuada de las características de los monómeros y algunas fuerzas externas.
Finalmente, se puede definir el auto ensamble como la construcción automática de estructuras ordenadas ó complejas partiendo de pequeños bloques de construcción con un flujo mínimo de información morfológica. 
 

El cambio de los conceptos tradicionales
Los circuitos integrados tradicionales consisten en una serie de interruptores eléctricos y cables tan pequeños y económicos como sea posible, idénticos y reproducibles en serie. Será entonces muy difícil -si no imposible- para la fabricación tradicional de semiconductores, producir circuitos con la exactitud necesaria a niveles subatómicos. En la búsqueda de soluciones a estos problemas, los investigadores intentan cambiar algunos conceptos básicos acerca de los dispositivos y sus interconexiones.
El cambio de ideas sobre los interruptores e interconexiones
La electrónica molecular utilizada para construir circuitos integrados a partir de átomos o moléculas idénticas, ha cobrado nuevamente importancia debido a las herramientas que actualmente posee la química; una nueva generación de investigadores está trabajando en el diseño de estructuras moleculares análogas a los circuitos electrónicos como sumadores digitales y compuertas lógicas.
En lugar de ver un ordenador como un sistema de interruptores interconectados mediante cables, en circuitos a nano escalas, debemos ver un computador como un conjunto de cables de interconexión que tienen interruptores que cuelgan de ellos.
Perspectivas de desarrollo
Las nano tecnologías, en su acepción más general, -técnicas de manipulación o control a escala nano técnica e incluso molecular o atómica- no tendrán aplicación práctica hasta dentro de unas décadas. Sin embargo, las previsiones apuntan a que estarán presentes en todos los campos de las ciencias y supondrán, según los expertos, una revolución sólo comparable a la que ha supuesto la microelectrónica.
Países como Estados Unidos, Japón, Suiza, Alemania y otros, están invirtiendo enormes cantidades de dinero en su investigación sobre la ciencia de la nano escala y la tecnología que conlleva. Los Estados Unidos anunciaron en el 2000 que en su nuevo presupuesto para algunas universidades de California dedicaría doscientos mil millones de pesetas a investigación biomédica pero que también quería dejar como legado un presupuesto de cien mil millones de pesetas en iniciativas sobre nano tecnología, porque para ellos es claro que ésta tiene un horizonte sin fin por el momento. Suiza, dedicará a esta iniciativa ocho mil millones de pesetas en cuatro años; Japón setenta mil millones aproximadamente en cuatro años.
En todos los países situados a la cabeza del desarrollo tecnológico, cobran cada día más relevancia las investigaciones en estos campos, entendiéndose como un proceso de revolución tecnológica posterior al vertiginoso cambio que ha supuesto la microelectrónica.

Guillermo Bedoya J. 
Doctorando en Ingeniería Electrónica
Universidad Politécnica de Cataluña
bedoya@dee.upc.es

REVISTA BIBLIOGRÁFICA DE GEOGRAFÍA Y CIENCIAS SOCIALES 
Universidad de Barcelona 
ISSN: 1138-9796. Depósito Legal: B. 21.742-98 
Vol. VI, nº 322 31 de octubre de 2001
 

Notas
1. Moore 1979. 
2.  Aunque en los últimos años este factor se ha incrementado notablemente. 
3. Al reducir el tamaño de ciertos dispositivos, estos empiezan a presentar comportamientos que difieren de los que inicialmente establecieron su diseño. 
4. Rubio, 2000. 
5 Un proyecto de la NASA de almacenamiento de datos de alta densidad, pretende conseguir densidades de 1015 bytes por cm2 
6 Zhirnov y Herr, 2001. 
 

Bibliografía
MOORE, Gordon. VLSI: some fundamental challenges. IEEE spectrum, 1979, vol. 16, p. 30.
 RUBIO, Antonio, et al. Diseño de Circuitos y sistemas Integrados. Barcelona: Ediciones de la UPC, 2000.
ZHIRNOV,Victor. HERR, Daniel. New frontiers: Self-Assembly and Nanoelectronics. Computer, May 2001, Vol. 34, issue 5, p. 34 -43.
FEYNMAN, Richard. There´s plenty of room at the bottom. Engineering and science, 29 dic. 1959. 
  
 

© Copyright: Guillermo Bedoya J., 2001. 
© Copyright: Biblio 3W, 2001.


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