Campo de fútbol de la Nanogram Cup.

Esta competición es para micro-robots. Los requisitos básicos para participar son dos: el robot debe caber en un cuadrado de 300 micras de lado, y no puede tener ningún tipo de cable. Parece que este año no van a jugarse partidos completos, sino que van a tener lugar pequeñas competiciones de demostración de “habilidades futbolísticas” de los micro-robots.

En primer lugar, se va a realizar una prueba de velocidad sobre una distancia de dos milímetros (que es, más o menos, lo que mide el campo de juego). En segundo lugar va a tener lugar una segunda carrera de portería a portería esquivando “defensores” (postes hechos de polímeros): por supuesto, la posición de los defensores no es conocida antes de empezar la prueba. Finalmente, los micro-robots tendrán que realizar una prueba de regate – deben llevar la “pelota” (un disco de 100 micras de diámetro) de una portería a la otra esquivando los defensores (una vez más, colocados en posiciones aleatorias desconocidas inicialmente) y marcar gol.

La “pelota” de juego que puedes ver en la foto es un disco de de dióxido de silicio de diámetro de un pelo humano, con una “T” marcada para que sea más fácil verla en el campo de juego. Los espectadores podrán ver la actividad de los micro-robots mediante un microscopio, claro.

El campo de juego, por supuesto, es muy pequeño…De hecho, aquí tienes los dieciséis campos de nanofútbol de la competición (los cuadrados naranjas):

Los robots, como hemos dicho, también son minúsculos. Aunque no son nano-robots en cuanto al tamaño, sí lo son en cuanto al peso, de unos pocos nanogramos (de ahí el nombre de la competición, Nanogramo). Por supuesto, los ordenadores que los controlan no están en el robot sino que transmiten las instrucciones remotamente y está permitido emplear energía externa para moverlos (pero siempre sin cables).

Hay cinco equipos que van a participar en la competición:

CMU1.

CMU1, de la Carnegie Mellon University, hecho de dióxido de silicio y de aluminio y con 300 micras de largo.

USNA.

USNA, de la Academia Naval de Annapolis, también de 300 micras y hecho de silicio y cromo.

ETH Zurich.

ETH Zurich, del Instituto Federal de Tecnología Suizo en Zurich, una vez más en el límite de tamaño (300 micras) y fabricado de níquel y oro.

Polymer MEMS Pro.

Polymer MEMS Pro, de la Simon Fraser University canadiense, de 250 micras de largo y hecho de metal y un polímero (no, no es muy específico).

Magic and Voodoo.

Magic and Voodoo, también de la Carnegie Mellon University, de 300 micras y hecho de boruro de hierro y neodimio.

Finalmente, aquí puedes ver un video del equipo suizo practicando (metiendo goles con un microdisco de “pelota”): http://www.nist.gov/public_affairs/calmed/robocup.avi

Espero que, el año que viene, pasemos de estas exhibiciones de equipos individuales a un partido real…un video de un partido entre micro-robots sería genial.

Para saber más: Página oficial de la competición Robocup, Página oficial de la Nanogram Cup.

Nota: El crédito de todas las imágenes es del National Institute of Standards and Technology.

Crédito: Wikipedia.

Si se enrolla el panal formando un cilindro, se tiene un nanotubo de carbono:

Crédito: Wikipedia.

Y si se tienen muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito: cuando escribes con un lápiz, la fricción con el papel arranca haces de láminas (que no están fuertemente unidas unas a otras) y las deja sobre la superficie en la que escribes.

Pero, ¿y si se pudiera tener un único de estos “panales” de carbono, extendido? Se tendría una lámina muy fina y con propiedades físicas extraordinarias. De hecho, tan fina como lo puede ser una lámina: tendría exactamente un átomo de espesor:

Crédito: Universidad de Manchester.

Eso es lo que es el grafeno – hace bastante tiempo que se predijo como teoría, hace unos tres años que se produjo una lámina por primera vez, pero recientemente se ha desatado la “fiebre” del grafeno – parece posible fabricarlo fácilmente y de forma barata, y las posibilidades son muy grandes. De un par de tesis sobre el grafeno hace cuatro años hemos pasado a cientos de ellas en 2007. Aunque nos detendremos más en sus propiedades más adelante, si no quieres leer todo el artículo, simplemente ten en cuenta que el grafeno es un semiconductor extraordinariamente útil y versátil, que permite construir dispositivos electrónicos a escala nanométrica y puede revolucionar la electrónica en unos cuantos años.

En primer lugar, ¿cómo puede conseguirse grafeno con relativa facilidad? El proceso es sorprendente: en primer lugar, se frota un trozo de grafito microscópico sobre una lámina de silicio (vamos, se “escribe” con un “nanolápiz”), con lo que se obtienen lascas de grafito de muy pocas capas de espesor – unos cien átomos de grosor.

A continuación (aquí está lo sorprendente) se pegan las lascas de grafito en cinta adhesiva. Sí, has leído bien. Entonces, se dobla la cinta adhesiva sobre sí misma (para que esté pegada al grafito por los dos extremos), y a continuación se abre de nuevo, separando láminas. Al hacerlo unas cuantas veces, se obtienen láminas de menos y menos átomos de espesor, hasta obtener grafeno. Los científicos ya llaman a este sistema “el método del celo”. El grupo del Dr. Philip Kim, en la Universidad de Columbia, paga 10$ la hora a un becario para fabricar grafeno con este sistema – hay cosas que son iguales en todas partes, ¿verdad?

Evidentemente, este proceso es muy barato pero, al mismo tiempo, ha de ser refinado para producir grafeno de forma industrial, pero es una cuestión de tiempo – hay mucho dinero en juego cuando se consiga.

¿Por qué tanto interés en el grafeno? La razón estriba en que este material presenta propiedades extraordinarias. De hecho, es tan extraño que hace 70 años científicos afamados, como Landau, afirmaban que una lámina bidimensional de carbono sería termodinámicamente inestable y no podría existir (de hecho, el grafeno que existe no es perfecto y tiene irregularidades microscópicas que le confieren parte de sus propiedades).

Salvo que estés muy al día en electrodinámica cuántica en particular y en física teórica en general, las cualidades del grafeno pueden sonar a magia, pero incluyen las siguientes:

• Los electrones que se mueven en el “panal” 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 independientemente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 10⁶ m/s. La importancia del grafeno en este aspecto consiste en estudiar experimentalmente este comportamiento, que había sido predicho hace más de 50 años de manera teórica.
• El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos (y ninguno entre ellos), permitiendo esto medirla con una precisión increíble. Otros semiconductores presentan este efecto a temperaturas muy bajas, pero únicamente el grafeno lo mantiene a temperatura ambiente. Esta propiedad lo convierte en un semiconductor de extraordinaria calidad: esta cuantización significa que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón).
• Debido a las propiedad anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no quedarse aislados en zonas de las que no pueden salir (efecto llamado localización de Anderson, y que es un problema para sistemas bidimensionales con impurezas).

Independientemente de lo que hayas podido entender de esta explicación (si no te basta encontrarás enlaces para ampliarla al final), el quid de la cuestión es éste: el grafeno es un semiconductor que, incluso a escala nanométrica y a temperatura ambiente, presenta propiedades que ningún otro semiconductor posee. Este material puede revolucionar la electrónica y, de hecho, ya se han construido transistores experimentales hechos con grafeno. Los dispositivos electrónicos fabricados con él pueden ser mucho más diminutos que cualquiera conseguido hasta ahora.

En este momento, el desafío consiste en desarrollar procesos industriales para fabricarlo: los más avanzados hasta ahora son los del Georgia Institute of Technology (del que hemos hablado recientemente en otra noticia), donde están probando a calentar láminas de carburo de silicio hasta 1300 grados centígrados, de manera que los átomos de silicio de la superficie se evaporan y los átomos de carbono que quedan se reestructuran y forman láminas de grafeno.

Para saber más (todos en inglés): Artículo en NY Times, Grafeno (Wikipedia), Localización de Anderson (wikipedia), Efecto Hall cuántico (wikipedia), Artículo en Nature Materials.

Básicamente, este nanogenerador funciona así: imagina dos capas finas de material, planas y paralelas. Una de ellas es lisa, pero la cara inferior de la otra está cubierta de “dientes de sierra”. Las dos capas están unidas por un haz de fibras de óxido de zinc (separadas unas de otras media micra), todas más o menos de la misma altura: las fibras están fijas a la capa lisa, y sus puntas encajan, libres, en los huecos del diente de sierra de la otra, como puedes ver en la figura:

Crédito: Georgia Institute of Technology.

Cuando sobre el generador incide una vibración mecánica, por ejemplo, ultrasonidos, la capa con dientes de sierra (que, recuerda, no está pegada a las fibras de óxido de zinc) vibra hacia arriba y abajo, doblando las fibras repetidamente (al ritmo de la onda ultrasónica). ¿Cómo se produce la energía eléctrica? Aquí está el secreto: las fibras de óxido de zinc son piezoeléctricas. Es decir, igual que el cuarzo en el reloj que llevas puesto, producen una corriente eléctrica cuando son deformadas.

Las dos láminas están unidas por un cable, de manera que la pequeña corriente eléctrica producida por cada fibra cuando se dobla puede circular por un circuito cerrado. Esta corriente puede entonces ser utilizada por la nanomáquina que acarrea el generador, siempre que reciba vibraciones suficientes para hacerlo funcionar – aunque los ingenieros ya están estudiando cómo almacenar la energía generada, como veremos luego.

Los experimentos realizados han conseguido producir corriente de un nanoamperio y un milivoltio, lo cual no parece mucho, pero ten en cuenta que las fibras de óxido de zinc miden una micra de longitud. Además de las aplicaciones en nanotecnología médica, estos dispositivos, a mayor escala, podrían incluso utilizarse para generar corriente eléctrica andando, si se colocan en la suela del zapato.

La relevancia de la noticia me parece bastante grande. Ya hemos hablado antes en otros artículos de nanotecnología de cuál es uno de los grandes problemas de esta tecnología en ciernes: un nanorobot necesita energía para funcionar, pero las pilas químicas suelen ser muy pesadas para ser acarreadas. ¿Cómo generar energía eléctrica en la nanomáquina, si no puede llevarla almacenada? Una solución sería una dinamo, pero (aparte de las dificultades de fabricación, aunque se siguen haciendo progresos en la fabricación de mecanismos diminutos [enlace externo] la viscosidad de los líquidos aumenta cuando te haces muy pequeño, de manera que sería como hacer funcionar una dinamo en puré de guisantes: no es fácil.

Los materiales empleados en este nanogenerador, además, no son tóxicos: las láminas están hechas de un polímero flexible (puesto que deben flexionarse con la vibración) o arseniuro de galio. El borde de los “dientes de sierra” está cubierto con platino, para que conduzca bien. Y, como ya hemos dicho, las fibras piezoeléctricas son de óxido de zinc, que tampoco es tóxico. De manera que este generador podría usarse para proporcionar energía a nanorobots en el interior de nuestro cuerpo. No debe ser una sorpresa entonces que uno de los patrocinadores de este proyecto sea el Emory-Georgia Tech Center of Cancer Nanotechnology Excellence, ya que el cáncer es una de las enfermedades cuya curación más se podría beneficiar de la nanotecnología – nanorobots significan precisión absoluta a la hora de matar las células correctas, una a una.

Al leer otros de los patrocinadores ya me he puesto más nervioso. Por ejemplo, uno de ellos es DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), la agencia de proyectos tecnológicamente avanzados del gobierno americano. ¿Nanorobots en la guerra? Sí, a mí también me da escalofríos.

Las siguientes etapas del proyecto consistirán en perfeccionarlo y aumentar la potencia generada: por un lado, se quieren añadir condensadores para poder acumular energía si no se va a utilizar en ese instante. Por otro, se pretende mejorar la fabricación de las nanofibras de óxido de zinc para que sean todas exactamente igual de largas: esto es más complicado de lo que parece dadas sus dimensiones, y si no son todas iguales entonces algunas no se doblan lo suficiente (las más altas “sujetan el techo” por encima y no les dejan tocar los dientes de sierra). Además, si se consiguen poner varios “pisos” de láminas con fibras entre ellas puede multiplicarse la corriente producida de manera acorde.

Para saber más (todos en inglés): Scientific American, Physorg, Georgia Institute of Technology.

La base del sistema es muy elegante: consta de unas agujas minúsculas (“nanoagujas”), de unos 10 nanómetros de diámetro, que tienen una peculiaridad – su índice de refracción varía desde casi 0 en el centro hasta 1 en el borde (ya sé que esto suena raro, pero hay materiales en los que n < 1). De este modo, un rayo de luz que se dirige hacia la aguja, al tratar de entrar en ella, es refractado de manera que se curva y sigue el borde de la aguja y sale por el otro lado en la misma dirección en la que entró. Es algo parecido a la fibra óptica (donde el rayo no puede salir por el borde de la fibra), pero justo al revés: el rayo no puede entrar por completo en la aguja, y por lo tanto no es reflejado ni absorbido. El efecto no es completo, pero como verás es bastante impresionante.

Aquí podéis ver dos diagramas que muestran lo que le ocurre a una onda luminosa monocromática que alcanza dos agujas (visto desde arriba), de acuerdo con los modelos de los ingenieros: la primera es una aguja “normal”, es decir, no es “invisible”, y la segunda sí lo es.

Crédito: Birck Nanotechnology Center, Purdue University

En el primer caso, puede verse como al otro lado de la aguja no llega luz, puesto que la tapa. También puedes ver cómo la intensidad de la onda delante de la aguja es grande, puesto que parte de la luz es reflejada. Vamos, lo normal.

Pero en el segundo caso, los rayos se curvan “esquivando” la nanoaguja, de manera que, aunque no se comportan totalmente como si no estuviera ahí, ¡puedes ver lo que hay justo detrás de ella! No sé cómo se vería esto en la vida real, puesto que los rayos sí son levemente perturbados por la aguja, pero me imagino una imagen casi invisible y borrosa. En lo primero que he pensado es en… sí, en Depredador.

En teoría, un tejido cubierto de estas nanoagujas podría cubrir un objeto y camuflarlo. ¿El único problema? Por ahora, el modelo funciona con luz monocromática, con lo cual Depredador tiene que esperar, salvo que esté en un sitio muy raro en el que la luz sea de una única longitud de onda.

Por otro lado, sí que hay aplicaciones tal como está el modelo: por ejemplo, las miras láser de las armas son de una sola longitud de onda. Alguien vestido con este tejido de camuflaje vería cómo el láser lo atraviesa…

Una vez puedan fabricar un tejido con agujas que reaccionan a varias longitudes de onda cubríendolo, ahí lo tienes. Ghost in the Shell total.

Además, lo interesante es que estas tijeras no requieren una fuente de energía interna. Si recuerdas el reciente artículo sobre diodos nadadores, un gran problema de los dispositivos nanotecnológicos es que, al ser tan pequeños, no pueden acarrear pilas ni otras fuentes de energía macroscópicas. ¿Cómo se consigue entonces que las nanotijeras se abran y se cierren?

El secreto está en las moléculas que las componen: la más importante es el azobenceno, que une los dos brazos de la tijera como un muelle en las tijeras de podar. El azobenceno es peculiar porque tiene dos isómeros ópticos. Esto significa que la molécula de azobenceno puede cambiar de forma en respuesta a la luz. Hay una “forma larga” y una “forma corta”: el azobenceno se alarga cuando se ilumina con luz visible, y se acorta cuando se ilumina con luz ultravioleta. La energía para estirarse o acortarse la obtiene de la propia luz.

De esta manera, puede hacerse que las tijeras se abran o se cierren iluminándolas con un tipo de luz u otra, sin necesidad de que la tijera tenga su propia fuente de energía. Además de para “cortar” (introducir los brazos entre dos grupos funcionales de una molécula para separarlos), las nanotijeras pueden actuar como pinzas: a lo largo de su filo hay moléculas de porfirina de zinc, y si se ponen en contacto con átomos de nitrógeno, el zinc de la porfirina y el átomo de nitrógeno se asocian, quedando pegados como un imán y un clavo. Puede así ponerse en contacto la nanotijera con una molécula que tenga átomos de nitrógeno (como, por ejemplo, el ADN) y “cogerla” y moverla de un lado para otro. (Lo que no he conseguido encontrar es cómo se suelta de nuevo la molécula de ADN).

Esto no es sólo teórico: los científicos han logrado manipular, mover y romper moléculas individuales con estas tijeras-pinzas, aunque no en el interior del cuerpo humano. Como casi siempre en este campo, estamos en los primeros pasos hacia algo práctico.

Estoy convencido de que esta noticia no llegará a las primeras páginas de casi ningún sitio, pero sigo pensando que la nanotecnología será una de las herramientas fundamentales en el futuro de la medicina. Nuestros modos de actuación sobre los elementos microscópicos de nuestro cuerpo son burdísimos: pensemos en cómo curamos el cáncer ahora, y en cómo podríamos hacerlo si pudiéramos identificar una a una las células cancerosas y matarlas una a una, o incluso identificar el error en la cadena de ADN de la célula cancerosa y repararlo, dejándola normal de nuevo.

Imagina esos diodos nadadores equipados con nanotijeras, limpiando el colesterol de las paredes de tus arterias. La otra noticia de hoy sobre las humanovejas me pone nervioso, pero la nanotecnología (siendo, como puede ser, muy peligrosa) no me crea dudas morales.

Fuente: Physorg