¡Cuidado, un átomo salvaje ha aparecido! Entendiendo aquello que no vemos

David Ruiz Izuriaga

“La revolución industrial […] permitió la construcción de máquinas. La revolución de la nanotecnología es prácticamente invisible. Por eso la gente todavía no toma conciencia de los logros que se pueden conseguir”
Daniel Lupi

No, no estaba jugando a ningún videojuego cuando escribía este texto. Sin embargo, en plena pandemia, aún me viene más a la cabeza el miedo e incertidumbre que provoca aquello que no conocemos (y aún más si no lo podemos ver). Hablo de la gran influencia que puede llegar a tener en nuestra vida algo invisible para nuestros ojos. Por ello, me imagino la gran revolución y éxito que tuvo lugar hace unos 60 años, cuando se introdujo una disciplina en parte del mundo científico que cambiaría la forma en la que “vemos” lo que nos rodea. De lo que voy a hablar en esta entrada es de la nanotecnología y de la gran influencia que todo aquello que no podemos observar a simple vista tiene sobre nosotros.

Figura 1. Escala nanométrica. Créditos de imagen: infocobuild.

Comencemos por definir la escala nanométrica, ya que todo a lo que nos referiremos en este post ocurre dentro de esta escala. Sabemos que el nanómetro es una milésima de millonésima de metro. Pero cuando hablamos de una escala nanométrica nos referimos desde una décima de nanómetro a una centena de nanómetro (0.1 nm hasta 100 nm). Nos estamos refiriendo a todo aquello que tiene un tamaño comprendido entre el de un glóbulo rojo y el de un átomo cualquiera.

Un momento… ¿objetos manipulables menores de 1 nm, como la mayoría de átomos? ¿Se pueden manipular físicamente átomos, como si los estuviéramos moviendo con nuestras manos? Así es, aunque con el uso de determinadas herramientas muy específicas ya que no somos ni capaces de verlos. Y es justo aquí donde entran en juego los términos “nanociencia” y “nanotecnología”.

Conozcamos antes al genio que puso de moda estos dos términos: Richard Feynman. Este físico estadounidense, pionero en el campo de la nanotecnología, pronunció el discurso There’s Plenty of Room at the Bottom (“Hay mucho espacio ahí abajo”) en Calltech (1959). En dicho discurso describe un proceso que permitiría manipular átomos y moléculas individualmente, a través de instrumentos de gran precisión (enlace a la charla al final de artículo). Por un lado, la nanociencia es la rama que se dedica al estudio de objetos en una escala nanométrica. Por el otro, la nanotecnología es la capacidad de mover, manipular y construir objetos dentro de esta nanoescala. En términos generales y simplificados, ambos conceptos se refieren al conocimiento y manipulación de objetos nanométricos.

Figura 2. Cartel con el que IBM anunció el video que ellos mismos describieron como la “película más pequeña del mundo”. Ver “Más información” para una descripción de la película. Créditos de imagen: IBM.

En 2013, la compañía IBM dio un importante paso para divulgar y dar a conocer en el mundo no científico esta nueva área de la ciencia, una “descripción gráfica” de lo que estamos comentando: el cortometraje A boy and his atom (“Un niño y su átomo”). De hecho, podríamos definirlo literalmente como la película más “pequeña” del mundo. Y es que para hacer la película estos científicos utilizaron un microscopio especial, llamado microscopio de efecto túnel STM que no solo sirve para observar átomos (logrando una magnificación de 100 millones de veces), sino que también permite moverlos. La película se rodó principalmente por diversión, y en ella los científicos de IBM empezaron con una superficie extremadamente plana, la rociaron con moléculas de monóxido de carbono y, después, movieron dichas moléculas individualmente para hacer una animación foto a foto. Dejo los enlaces al cortometraje y a un video sobre el microscopio que emplearon en la descripción.

Y, ¿por qué tanto interés y, sobre todo, esfuerzo en aquello que nos cuesta tanto manejar al no verlo con nuestros propios ojos? Porque las reglas de este juego llamado “realidad” cambian: los materiales a una escala tan pequeña, como los tamaños comprendidos en la nanométrica, se comportan de una manera muy distinta a lo que estamos acostumbrados y a la que nos dicta la lógica, y es en esta escala nanométrica donde suceden las reacciones químicas fundamentales que dan lugar a las reacciones en la macro escala que sí podemos ver.
Por ejemplo, en el fenómeno de la corrosión, hay muchos estudios que se centran simplemente en la velocidad de la reacción con técnicas tradicionales basadas en la electroquímica. Desafortunadamente, muy poco sabemos del mecanismo que hay detrás de este fenómeno, esas primeras interacciones moleculares que causan la corrosión en ambientes agresivos. Esta información es imprescindible para entender los principios básicos del fenómeno. Gracias a estas técnicas con las que podemos manipular y caracterizar átomos individualmente (como el STM anteriormente mencionado) podemos entender lo que sucede en la nanoescala y estudiar esas interacciones atómicas que inician la corrosión del material.

Estos descubrimientos nos han mostrado que determinados compuestos llamados precursores causan el inicio de las reacciones de corrosión y, consecuentemente, la degradación del material. El descubrimiento y la caracterización de dichos precursores en la superficie durante este fenómeno hubieran sido imposibles sin técnicas de resolución nanométrica. Partiendo de estos precursores, se están estudiando sus interacciones y los compuestos que surgen de estas nuevas reacciones, que a su vez participarán en otros procesos que se desconocen. Todas estas nuevas reacciones intermedias conforman el mecanismo mediante el cual sucede la degradación del material en cuestión. Resolviendo dicho mecanismo y conociendo los principios básicos de la corrosión seremos capaces de diseñar estrategias eficientes con las que evitaremos que los materiales fallen, reduciendo
significativamente las devastadoras consecuencias humanas, medioambientales y económicas relacionadas con las posibles catástrofes causadas por la corrosión.

Éste es un ejemplo de los avances que se están llevando a cabo en el campo de la tecnología. Son grandes las expectativas que se crearon en 1959 tras la charla de Richard Feynman en Caltech, y siguen siendo igual de prometedoras las que mantenemos a día de hoy los que empleamos nuestro tiempo y esfuerzo en esta área de la ciencia. Cuanto más se conoce sobre éste mundo, cuantas más respuestas se resuelven, más preguntas nuevas aparecen. Y es que, como dijo Feynman hace 60 años, aún queda mucho por descubrir…

* * *

Por David Ruiz Izuriaga (@druizizu), estudiante de doctorado en el Photon Science Institute de la Universidad de Mánchester.

Más información:

  1. There’s Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics Clase magistral dada por el físico Richard Feynman.
  2. Microscope of Tunneling Effect. Vídeo que explica el funcionamiento del microscopio de efecto túntel.
  3. A boy and his atom. Tal y como describe IBM, esta película está hecho de átomos – una de las partículos más pequeños de cualquier elemento del universo. ¿Pero cuán pequeño es un átomo? Bueno, para ver uno, debes aumentar la imagen 100 millones de veces. En otras palabras, hat alrededor de cinco millones de átomos en el punto al final de esta oración. Cada fotograma de esta película se llevó a cabo moviendo cientos de átomos a su localización exacta por científicos en el laboratorio de IBM. LAs written by IBM, this movie is made of atoms – one of the smallest particles of any element in the universe. Just how small is an atom? Well, to see one, you need to magnify it 100 million times. In other words, there are about five million atoms in the period at the end of this sentence. Los fotogramas se combinaron en una animación – la película más pequeña del mundo – que cuenta la historia de un niño y un caprichoso átomo que se conocen y se vuelven amigos.
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