Nanotecnología

Para aquellos que todavía no sepan que es la nanotecnología, para qué sirve, en que fundamentos se basa y que beneficios puede traer a nuestra sociedad, os dejamos unos videos divulgativos muy completos:

NANO, THE NEXT DIMENSION

http://www.youtube.com/watch?v=eCpkq_AeX50&feature=fvw

Nano: the Next Dimension es un breve documental para televisión en el que aparecen algunos de los principales científicos hablando de la nanotecnología y sus aplicaciones; entre ellos están los premios Nobel Jean-Marie Lehn y Sir Harry Kroto. Está encargado por la Comisión Europea, y aunque sólo está disponible en inglés, hay intervenciones de científicos franceses, alemanes y españoles.

En el video se pueden ver llamativos gráficos para poder crear una buena imagen mental de la nano-escala e incluye las descripciones del efecto cuántico llamado efecto túnel y del principio de indeterminación de Heisenberg. Se explican además las distintas formas en que podría usarse la investigación europea en nanotecnología; eso incluye el uso de nanotubos de carbono como conductores balísticos en sustitución de los cables de cobre, el incremento de la capacidad de memoria de los ordenadores y aplicaciones a sistemas biológicos. También semuestra un método de diagnóstico del SIDA basado en la nanotecnología. Los anticuerpos del VIH cargados negativamente son atraidos por nanopartículas de hierro, cargadas positivamente. Como estas nanopartículas pueden imantarse, pueden extraerse del cuerpo, junto con los virus adheridos, gracias a un campo magnéticos. Otros experimentos muestran la aplicación de las nanopartículas a la protección de superficies no rayables (como la superficie hidrofóbica de los fregaderos de cerámica) y a la construcción de paredes anti-graffitis. También se abordan la grabación de CDs de música en polímeros plásticos flexibles y la fabricación de robots moleculares.

Más información: Página de la Comisión Europea sobre Nanotecnología: http://cordis.europa.eu/nanotechnology/

NANOTECHNOLOGY

Éste es otro video dirigido a estudiantes jóvenes de forma más específica. Este corto emplea muchos de los llamativos gráficos y ejemplos del video anterior, pero presenta la información recurriendo a un par de estudiantes de bachillerato que preparan un trabajo sobre nanotecnología. Para ayudar a esos estudiantes, una pareja de átomos son amplificados mil millones de veces para así poder guiar a la gente joven a través de las maravillas de la nanotecnología. Está disponible en formato DVD en la página web de la Comisión Europea en 20 idiomas distintos (http://cordis.europa.eu/nanotechnology/src/pe_leaflets_brochures.htm) o también puede verse online o descargarse desde la página http://ec.europa.eu/avservices/video/video_prod_en.cfm?type=detail&prodid=449.

Por otra parte, dentro de la Comisión Europea sobre Nanotecnología se puede encontrar el folleto: La nanotecnología, innovaciones para el mundo de mañana, donde se explica su base científica y tecnológica, sus campos de aplicación y sus posibles avances en el futuro: ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/docs/nano_brochure_es.pdf.

Es bastante divulgativo, pero completo, aportando una visión general de esta nueva tecnología, de avance imparable en el siglo XXI.

Por Elisa García-Tabarés Valdivieso

Una amplia variedad de sustancias puras o combinadas sufren alteraciones en sus propiedades físico-químicas y presentan comportamientos insólitos en el nanoespacio (1-100 nanómetros) conocido como mesoespacio.

Es evidente que su manipulación y el conocimiento de las propiedades en dicho ámbito son cada día más ampliamente investigadas y desarrolladas.

El empleo de nanotecnologías en el ámbito del laboratorio aplicado a la medicina y en biotecnología (en agronomía, biología molecular en vegetales) constituye un gran avance del conocimiento por sus connotaciones económicas y la relación costo-beneficio.

Las nuevas herramientas del nanodiagnóstico incluyen los puntos cuánticos (QDs, del inglés quantum dots), las nanopartículas de oro y los soportes ("cantilevers" en inglés).

Un punto cuántico es una estructura cristalina a nanoescala que puede transformar la luz. El punto cuántico se considera que tiene una mayor flexibilidad que otros materiales fluorescentes, lo que lo hace apropiado para utilizarlo en construcciones a nanoescala de aplicaciones computacionales donde la luz es utilizada para procesar la información, siendo las nanoestructuras más prometedoras para las aplicaciones diagnósticas.

Por Sky

Con el paso del tiempo, la nanotecnología se está introduciendo también, cada vez más, en la salud. La nanotecnología pretende crear nuevas herramientas para la exploración de la nanomateria con el fin de poder manipularla y fabricar nanodispositivos y nanopartículas, mientras que con la ayuda y la introducción de la nanotecnología en el campo de la salud, se pretende curar enfermedades, realizar tratamientos, llevar a cabo seguimientos del paciente e intentar aumentar la calidad de vida.

En esta área se utilizan:

• - Nanopartículas magnéticas para agentes de contraste en resonancia magnética nuclear (MIR)
• - Nanopartículas magnéticas para cuantificar reconocimientos biológicos ( test de embarazo)
• - Nanopartículas magnéticas para suministros locales de fármacos e hipertermia (utilizados contra tumores sólidos sin producir efectos hacia el resto del organismo).
• - Medicina regenerativa (células madre pluripotenciales para reemplazar tejidos destruidos por diabetes o Alzehimer).
• - Ingeniería de tejidos ( los componentes más los biomateriales es igual al constructo celulares)

La nanotecología va a ayudar a dar un diagnóstico más rápido y fiable ayudándose de biosensores para analizar sangre, virus, saliva y orina, o para detectar tumores.

Incluso sería una solución para algunos tipos de cáncer en los cuales se pudieran utilizar nanopartículas magnéticas e hipertermia, mezclándolo con quimioterapia o radioterapia.

En ningún momento la nanotecnología en sí misma es peligrosa para el ser humano, aunque puede dar lugar a subproductos o procedimientos que pueden producir efectos negativos en el ser humano o en el medioambiente. Además depende de quién lo manipule, será negativa o no.

La nanotecnología y la ciencia también están muy relacionadas en la industria alimentaria, en la que se están introduciendo nanopartículas comestibles para mejorar la calidad de los productos. También está impactando en la medicina donde se piensa en crear nanomáquinas que circularán por el sistema circulatorio o intentarán destruir células malignas.

Por Sky

La nanotecnologia es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.

Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Drexler acuñó el término nanotecnología en su obra "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology"

La nanotecnología implica investigación y desarrollo tecnológico a nivel atómico, molecular, en la escala de longitudes de 1 a 100nm, con el objeto de proporcionar una compensación fundamental de los fenómenos y materiales a escala y de usar y manipular estructuras, dispositivos, y sistemas que presentan nuevas propiedades y funciones debido a sus pequeños tamaños.

Además, estudia fenómenos y manipula materiales a nivel atómico, molecular y macromolecular, donde hay diferencias a gran escala.

Actualmente se han producido muchos avances en la nanotecnología, en el ámbito de los nanomateriales, habiéndose producido una fuerte evolución en televisiones y pantallas, en baterías, en lubricantes y en materiales magnéticos, entre otros. En el ámbito de la óptica y la electrónica se está produciendo un fuerte cambio en cristales fotónicos, computación cuántica, sensores o miniaturización de dispositivos. Por último, pero no menos importante, hay una marcada evolución en el ámbito de la biotecnología (nanofarmacología, nanosensores, ADN…).

El concepto de nanotecnología está muy introducido en las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC), lo que se pretende es hacer todo más pequeño, más barato y más rápido. Las tecnologías de la información y la comunicaciones pretenden procesar (calcular, crear), transmitir (procesadores y amplificadores de señal), mostrar (pantallas) y almacenar (optimización electrónica y magnética).

Por Ricardo Pérez  

El impacto más importante de las tecnologías a nano escala podría resultar de la fusión de la nanotecnología y la biotecnología: una nueva disciplina apenas reconocida, llamada nanobiotecnología, que ya tiene su impacto, como por ejemplo en Estados unidos donde una quinta parte de los negocios nanotecnológicos en los Estados Unidos (el 21%), usa nanobiotecnología para desarrollar productos farmacéuticos, sistemas de administración de medicamentos dentro del cuerpo y otros productos relacionados con la atención de la salud, teniendo en cuenta la creciente inversión en nanotecnología (La NSF predice que el mercado de los productos nanoescalares alcanzará un billón de dólares por año para el 2015), la inversión en esta nueva disciplina es considerable.

Nanobiotecnología: nanotecnología + biotecnología

La nanotecnología es la manipulación de átomos y moléculas para crear nuevos productos. En la nano escala, donde los objetos se miden en millonésimas de milímetro, se difumina la frontera entre lo vivo y lo no vivo. A nano escala, el comportamiento de átomos individuales está regido por la física cuántica. Aunque la composición química de los materiales permanece igual, las partículas nanométricas frecuentemente presentan propiedades muy diferentes e inesperadas. Características fundamentales de la fabricación, tales como el color, la resistencia, la conductividad eléctrica, el punto de fusión, "propiedades que usualmente consideramos en los materiales" pueden cambiar por completo a nano escala.

En sus inicios, los entusiastas de la biotecnología prometieron cultivos con enorme resistencia a enfermedades, con tolerancia a la sequía y cultivos autofertilizables. Los primeros productos genéticamente modificados aparecieron a mediados de 1990, fueron variedades de plantas tolerantes a herbicidas (semillas transgénicas capaces de sobrevivir a los baños de agrotóxicos de alguna corporación). La industria agroquímica reconoció que es mejor negocio adaptar las plantas a los químicos que adaptar los químicos a las plantas (Se deben invertir cientos de millones para lograr que un nuevo agrotóxico pase el laberinto regulatorio y pueda ser comercializado). La industria biotecnológica descubrió recientemente que los cultivos transgénicos pueden ser "fábricas vivientes" para la producción de proteínas terapéuticas, vacunas y plásticos, de una forma más barata y eficiente que construir costosas instalaciones fabriles. Sin embargo no resuelven un grave y persistente problema: que los organismos transgénicos vivos son difíciles de controlar o contener. Un ejemplo de ello ocurrio en Iowa, conde se descubrió que residuos del maíz farmacéutico diseñado para producir una vacuna para cerdos, había contaminado 35 327 litros de frijoles de soja.

Los investigadores de la nanotecnología acuden cada vez más al mundo biomolecular para aprender sus estrategias y para obtener materias primas. La maquinaria de la naturaleza puede brindar el camino para la tecnología de construcción atómica precisamente porque los organismos vivos son capaces de autoensamblarse y en ese sentido son máquinas autorreplicantes ya listas. A la manipulación a nivel nanoescalar que busca fusionar a nano y bio para que la materia inerte y la materia viva sean compatibles y/o intercambiables, se le denomina nanobiotecnología.

Fusiones y adquisiciones: Cuando los ámbitos de lo viviente y lo inerte se fusionen en la nanotecnolgía, ocurrirá de dos formas. La materia biológica será extraída y manipulada para desempeñar funciones de máquina como por ejemplo adaptando partes de virus y bacterias. Y viceversa, se utilizará material no biológico dentro de los organismos vivos para desempeñar funciones biológicas. Los investigadores esperan mezclar lo mejor de ambos mundos, buscan combinar las capacidades de la materia no biológica (como la conductividad eléctrica, por ejemplo) con las capacidades de ciertos tipos de material biológico (autoensamblaje, autorreparación y adaptabilidad, por ejemplo). En la macroescala, los investigadores están ensamblando organismos biológicos para funciones industriales miniaturizadas. Por ejemplo en la Universidad de Tokio cuentan con cucarachas que se pueden controlar por control remoto mediante microchips implantados para localizar víctimas en los desastres.

Por Alberto Rosa  

Graphene, eludido por científicos a lo largo de la historia es el material mas común usado en la mayoria de los lápices, se compone de un sin número de capas de grafito. Saroj Kayak en colaboración con el departamento de fisica, fisica aplicada y astronomia de Rensselaer lleva investigando dos años en como aplicar las excelentes propiedades conductivas en nanoelectrónica. Después de ejecutar docenas de simulaciones por ordenador el grupo de investigación demostró por primera vez que la longtud y la anchura del grafito afecta directamente en las propiedades de conductividad del material.

Nayak, Shemella, y su equipo expusieron sus conclusiones en el informe � �
SEnergy Gaps in Zero-Dimensional Graphene Nanoribbons� �� published in the July 23 issue of Applied Physics Letters. 

En la forma de una larga cinta nanométrica de una dimensión que parecen como mallas moleculares, el grafito tiene unas propiedades electricas únicas pudiendose comportar como metal o semiconductor. Cuando los segmentos cortos de esta cinta están aislados en cero dimensiones los segmentos se llaman nanorectangulos, cuando la anchura es medida en átomos, se clasifican en  � �
Sarmchair� �� or � �
Szigzag� �� graphene nanocintas. Ambos tipos de nanorectangulos tienen propiedades únicas.

Nayak, Shemella y el grupo tomó 1-D nanocintas y recortaron la longitud a unos pocos nanómetros, por lo que la longitud fue sólo un par de veces mayor que la anchura. Las longitudes de los nanorectangulos de grafito en cero dimensiones tienen claros y distintos efectos en las propiedades del material.  El equipo utilizó simulaciones de mecánica cuántica con capacidad predictiva para llevar a cabo este trabajo. Su estudio computacional mostró por primera vez que la longitud del grafito puede ser usado para manipular y ajustar la energía del gap del material. Esto es importante porque el gap determina si el grafito es metálico o semiconductor. 

Generalmente, cuando se sintetiza graphene, hay una mezcla de materiales metálicos y semiconductores

Nayak y Shemella dijeron que esta investigación es un primer paso importante para el desarrollo de una forma de producir en masa graphene metálico que un día puede reemplazar el cobre como principal material de interconexión en casi todos los chips de ordenador.

 El tamaño de los chips de ordenador se ha reducido drásticamente en los últimos diez años, pero recientemente han llegado a un tope, dice Nayak. Cuanto más pequeñas son las interconexiones de cobre, el cobre aumenta la resistencia y su capacidad para conducir la electricidad. Esto significa un menor número de electrones que son capaces de pasar por el cobre con éxito, y cualquier electrón se expresa como calor. Este calor puede tener efectos negativos en el chip tanto en su  velocidad y como en el rendimiento.

Los investigadores en la industria y el mundo académico están buscando alternativas para sustituir materiales como el cobre de interconexion. Graphene podría ser un posible sucesor de cobre, dijo Nayak, porque graphene metálicos tiene una excelente conductividad. Incluso a temperatura ambiente, los electrones pasan sin esfuerzo, cerca de la velocidad de la luz y con poca resistencia, a través de graphene metálicos. Esto casi garantizar una interconexión graphene disipando menos calor que una interconexión de cobre del mismo tamaño. Es probable que antes de un año graphene interconexión se realice, pero las principales empresas informáticas, como IBM e Intel han tomado conocimiento de este material. Nayak dice que graphene también es actualmente un "tema candente" en el mundo académico. 

Los nanotubos de carbono, que son esencialmente graphene enrollado, son otro posible heredero en sustitución de cobre como principal material utilizado para las interconexiones. Pero ellos sufren reveses similares a los de graphene, dice Nayak. Cuando se sintetizan nanotubos de carbono, alrededor de un tercio del lote es metálico y las dos terceras partes restantes son semiconductores. Sería extremadamente difícil separar las dos en una escala masiva, dijo Nayak. Por el contrario, investigaciones recientes en Rensselaer y en otros lugares dicen que graphene podría ser producidos en un modo más controlado. 

Dice Nayak."Fundamentalmente, en este momento, graphene muestra mucho potencial para el uso en las interconexiones, así como los transistores". 

También es posible que los semiconductores graphene se podrían un día utilizar en lugar de silicio como el principal semiconductor utilizados en todos los chips de ordenador, pero la investigación de esta posibilidad es aún muy preliminar, dijo Nayak.

El actual proyecto de investigación está financiado por el Centro de interconexión Focus Rensselaer, en Nueva York, la Fundación Nacional de Ciencias, y la Oficina de Investigación Naval. Los cálculos se llevan a cabo con el apoyo de la Ciencia de la Computación Centro de Investigación y con el uso de la máquina IBM Blue Gene a través de una Shared University Research (SUR) de subvención a Rensselaer.

 Por Blanca de la Cruz 

En 1991, el doctor Sumio Iijima observó y caracterizó unas extrañas fibras nanoscópicas depositadas sobre una mota de hollín. Constituidas por carbono, estas finas macromoléculas de forma tubular recibieron el nombre de nanotubos. Aunque se crean espontáneamente en cualquier hoguera, se han descubierto varias formas de sintetizar estas estructuras tubulares. Sin embargo estos métodos sufren algunas limitaciones importantes: producen mezclas de nanotubos con una amplia gama de longitudes, muchos defectos y variedad de torsiones. Hay varios métodos de obtención pero los tres más importantes son:

Cámara de descarga de arco eléctrico: Este método consta de dos electrodos de grafito conectados a una fuente de alimentación y separados unos milímetros. Los electrodos están sumergidos en una atmósfera de helio o argón a baja presión, de manera que cuando se hace circular una corriente de 100 Amperios, salta una chispa que crea un plasma. El carbono del ánodo se evapora en el plasma, debido a su alta temperatura alcanzada, pero se deposita a su vez en el ánodo. El material depositado está compuesto por nanotubos y otras nanopartículas de carbono.

Los nanotubos obtenidos son de pared simple aunque introduciendo ciertos elementos de transición como el Fe, Co, Ni se llega a catalizar nanotubos de pared múltiple.

 

 

Sin embargo, aunque la producción de nanotubos mediante este método resulta sencilla y barata, tiene limitaciones para obtener cantidades de nanotubos de carbono de alta calidad. Además los nanotubos tienden a ser cortos y a depositarse en formas y tamaños aleatorios.

CVD (Chemical Vapor Deposition): Consiste en colocar, en una cámara, un sustrato con una capa de partículas de un metal catalítico (Fe, Co, Ni y otros), que se calienta hasta aproximadamente 700 ºC. Posteriormente se introduce en la cámara un gas de un hidrocarburo como el metano. Al descomponerse el gas, libera átomos de carbono que se irán depositando sobre las partículas catalíticas del sustrato para dar lugar a los nanotubos. Los diámetros de los nanotubos que se forman están relacionados con el tamaño de las partículas de metal. Este tamaño se puede controlar por deposición de patrones (o mascaras) de metal.

Esta técnica es la más sencilla para su aplicación a nivel industrial. Sin embargo los nanotubos fabricados así suelen ser de pared múltiple y presentan gran cantidad de defectos.

Ablación láser: Consiste en el bombardeo de una barra de grafito con pulsos intensos de haz láser, en un reactor a alta temperatura y en presencia de un gas inerte. Así se genera el gas caliente de carbono a partir del cual se forman los nanotubos al condersarse en las paredes frías del reactor.

Los nanotubos obtenidos son de pared única con una gama de diámetros que se puede controlar variando la temperatura de reacción. Es un método con un buen rendimiento pero es muy costoso ya que requiere laceres de alta potencia.

Información adicional

Por Vanessa González 

De todos es conocido que  el material semiconductor por excelencia es el Silicio. No obstante, se están desarrollando nuevos materiales con propiedades de conductividad extremadamente buenas que podrían utilizarse en la nanoelectrónica. Este es el caso del grafeno, fabricado por primera vez en un laboratorio en el año 2004.

El grafeno es una forma particular de disponer los átomos de carbono, así como los fullerenos y los nanotubos de carbono. En el grafeno los átomos de carbono se unen en láminas planas de un átomo de espesor, formando un panal de abejas hexagonal (con un átomo en cada vértice).

                                                  Grafeno

En el caso de que se coloquen muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito, como es el caso de los lápices comunes. Si se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, como un balón de fútbol, se producen fullerenos, unas moléculas de tan gran interés que a sus descubridores se les concedió el Nobel de Química del año 1996. Si se enrolla el panal formando un cilindro, se tiene un nanotubo de carbono.

                        Fullereno                          Nanotubo de carbono

Como ya se había predicho hace algunos años, una lámina bidimensional, casi plana, de carbono es  termodinámicamente inestable. De ahí, que el grafeno que se ha conseguido sintetizar hasta ahora no es perfecto, y posee defectos microscópicos que son los que le otorgan parte de sus propiedades tan especiales. Entre ellas, cabe destacar las siguientes:

 - Los electrones que se mueven en el � �
Spanal� �� formado por celdas hexagonales con átomos de carbono en los vértices, debido a la interacción con esta red, se comportan como cuasipartículas sin masa llamadas fermiones de Dirac, que se mueven a una velocidad constante cercana a la velocidad de la luz. De manera que pueden mostrar comportamientos relativistas que pueden corroborar experimentalmente lo que se había predicho hace más de 50 años de manera teórica.

 - El paso de los electrones por el grafeno origina un efecto Hall cuántico que es imprescindible para su comportamiento como semiconductor. No obstante mientras que otros semiconductores sólo presentan este efecto a temperaturas muy bajas, el grafeno lo mantiene a temperatura ambiente, lo que le convierte en un semiconductor excelente y su conductividad eléctrica nunca puede ser cero, incluso cuando no hay electrones libres en el grafeno.

 - Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no limitarse a un camino recto como ocurre en los transistores convencionales de Si, donde se crean pequeños tubos por donde circula la corriente eléctrica. 

En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece.

Por Laura Madueño 

A priori puede parecer que la idea de NEM es sencilla, pero… ¿Cómo conseguir manipular los componentes a tan pequeña escala?  

Es necesario utilizar tecnologías de deposición basadas tanto en reacciones químicas como en interacciones físicas, con un control átomo a átomo que permita el diseño de las distintas capas del dispositivo mediante procesos litográficos.

- � ��Deposiciones químicas� �!":

-          CVD: deposición sobre un sustrato de un compuesto condensado a partir de una reacción gaseosa de los materiales a depositar.  Se utiliza para depositar capas delgadas con buena cobertura

-          Electrodeposición: sólo para materiales conductores. Se basa en la deposición electrolítica convencional y se utiliza sobre todo para metalizaciones.

-          Epitaxia: muy similar al CVD, pero aquí el sustrato es un cristal semiconductor sobre el que se crece el dispositivo con la misma orientación cristalográfica que el sustrato. Permite crecer capas gruesas (>100mm) debido a la elevada velocidad de crecimiento que se alcanza.

-          Oxidación térmica: proceso más básico consistente en oxidar la superficie del sustrato en una atmósfera rica en oxígeno, es el único proceso que consume sustrato y está limitado a materiales susceptibles de oxidarse.

- � ��Deposiciones físicas� �!":

-          PVD: técnica más barata pero menos eficaz que el CVD. Consta de dos procesos, la evaporación y el sputtering en los que el material a depositar se adhiere al sustrato por evaporación y condensación o por proyección.

-          Casting: que consiste en el � ��pintado� �!" de la superficie con una disolución del material a depositar en un disolvente que se evapora dejando una capa de material sobre el sustrato. Se utiliza sobre todo para sustratos poliméricos.

El mundo de los NEMS abre muchas puertas en cuanto a detección, pero aún debe conseguir superar algunas dificultades, hay varios retos que alcanzar:

- Avanzar en la comunicación de las señales entre el mundo microscópico de los NEMS y el mundo macroscópico.

- Entender y controlar los mecanismos mesoscópicos.

- Encontrar métodos de fabricación reproducibles para implementar la fabricación en serie.

Actualmente estas son líneas de investigación activas de gran importancia, ya que los NEMS tienen numerosas aplicaciones:

- Metrología y ciencia fundamental.

- Microscopio de fuerza de resonancia magnética (MRFM): que se basa en el hecho de que la mayoría de los núcleos atómicos poseen un momento magnético o spin que puede interactuar con un campo magnético aplicado.

- Resonancia magnética de single-spin.

- Contadores de fonones.

Una de las aplicaciones más novedosas son los bioNEMS (� ��BioNEMS: nanomechanical Systems for Single-Molecule Biophysics� �!", J.L. Arlet, M.R. Paul, J.E. Solomon, S.E. Fraser and M.L. Roukes (2007)), es decir, NEMS utilizados para la detección de variables relacionadas con el mundo celular.  En este campo los NEMS brindan la oportunidad de realizar medidas con una sensibilidad sin precedentes, a un nivel de detección de fuerzas del orden de los picoNewtons, que son fuerzas menores a las necesarias para romper los puentes de hidrógeno, que son las fuerzas fundamentales que unen a los elementos estructurales que intervienen en los procesos de reconocimiento molecular.  Los bioNEMS permitirán la observación en tiempo real, de procesos bioquímicos estocásticos que impliquen a moléculas individuales, que ocurran con una velocidad inferior a los microsegundos.

Como se ha podido comprobar, el campo que abren los NEMS en detección es enorme, sin embargo, aún hay que avanzar, tanto en su comunicación con el mundo exterior como en sus métodos de fabricación.  En cuanto a estos últimos, se vislumbra como una posibilidad factible a no muy largo plazo la fabricación de estos dispositivos átomo a átomo y no a partir de materiales masivos, lo que aumentaría en gran medida la precisión.

Este trabajo está basado en la publicación de Michael L. Roukes.

Por Laura Madueño 

Es posible que en nuestro día a día macroscópico nunca nos hayamos interesado por estos pequeños dispositivos, que sin embargo, son de vital importancia para muchas técnicas de detección con las que caracterizar lo que nos rodea.  Los NEMS o sistemas nanoelectromecánicos, están haciendo posible la detección a un nivel impensable hace unos años. Pero� �� ¿qué son los NEMS?

Para poder introducir el concepto de NEM debemos aumentar un poco la escala de tamaño y comenzar hablando de los MEMS, los precursores de estos. Los MEMS o sistemas microelectromecánicos, son aquellos dispositivos que aúnan la ciencia de los semiconductores con la ingeniería mecánica creando lo que se conoce como dispositivos electromecánicos, pero a muy pequeña escala. 

La tecnología de los dispositivos electromecánicos se conoce desde hace ya tiempo, el primer � ��ingenio� �!" de este tipo fue creado en 1875 por Charles Agustine de Coulomb, para medir la carga eléctrica, no en vano sus unidades llevan su nombre.  

Todos los dispositivos electromecánicos constan de dos componentes principales, independientemente de su tamaño, un elemento mecánico y un transductor.

El elemento mecánico reacciona como respuesta a una fuerza aplicada, estacionaria o que varía con el tiempo (que es la que se quiere detectar), la reacción suele ser un movimiento de dicho elemento.  Un ejemplo de elemento mecánico es el cantilever de un microscopio. 

Cantilever. Fuente: http://www.cenat.ac.cr

Las fuerzas aplicadas, son las señales que se desean medir y pueden abarcar desde cambios de presión, hasta la presencia de absorbatos químicos, pasando por  variaciones de temperatura que hagan variar la elasticidad o la tensión interna causando una variación en la frecuencia de vibración.

El transductor convierte la energía mecánica en energía eléctrica o en señales ópticas y viceversa.  Pueden ser de muy distintos tipos, pero todos están basados en los mecanismos físicos relacionados con los materiales piezoeléctricos o magnetocinéticos, con el nanomagnetismo y el efecto túnel, así como con la electrostática y la óptica.

Transductor piezoeléctrico. Fuente: www.fisa.com 

Los NEMS son capaces de integrar todo lo visto anteriormente en tamaños muy pequeños, secciones de 10nm y masas de unos pocos de átomos-gramo,  lo que permitirá la detección de pequeñísimos desplazamientos y de fuerzas extremadamente débiles, como por ejemplo fuerzas moleculares. 

Algunas de las ventajas que presentan los NEMS debido a su pequeño tamaño y masa son:

- Aumento de la frecuencia natural de vibración angular directamente proporcional a la disminución de longitud, lo que proporciona una alta frecuencia de respuesta, es decir, respuestas rápidas a las variaciones.

- Disipan muy poca energía por lo que son muy sensibles a los mecanismos externos de damping (amortiguamiento), muy importante en los sensores.

- Disminución del ruido termomecánico y de las fluctuaciones mecánicas aleatorias, lo que incrementa la sensibilidad de estos dispositivos a las fuerzas externas que se quieren medir.

- La pequeña masa efectiva del elemento mecánico extremadamente sensible a masas adicionales, con lo que aumenta su sensibilidad. Kamil Ekinci integrante de Caltech ha propuesto como sensor más sensible aquel que estaría compuesto sólo por unos cuantos átomos adsorbidos sobre la superficie de un soporte.

- Son además dispositivos de una gran selectividad, debido a su pequeño tamaño.

- La potencia consumida es del orden de microwatios, unos tres o cuatro órdenes de magnitud inferior a los dispositivos electrónicos convencionales.

- Pueden fabricarse de silicio, arseniuro de galio y arseniuro de indio o de otros materiales compatibles, esto implica que el resto de dispositivos auxiliares pueden integrarse en el mismo chip, creando circuitos complejos, lo que disminuye la problemática de coordinar distintos elementos no compatibles en escalas nanométricas.