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El mundo a escala atómica




Enviado por fabioroco



    .

    Tanto como millonésimas de milímetro. Ese
    es el orden de magnitud de los nuevos materiales
    moleculares de aplicaciones sorprendentes, lo que ha dado origen
    a palabras como Nanociencia y Nanotecnología. Para hacernos
    una idea: una hormiga mide alrededor de un cm (10-2 metros), una
    célula 20
    micrometros (10-6 metros), un orgánulo del interior de
    la
    célula como el ribosoma mide 25 nanometros (25×10-9
    metros). Para apreciar lo pequeño que es un átomo: un
    átomo es un 1/10.000 del tamaño de una bacteria, a
    su vez un 1/10.000 del tamaño de un mosquito. En un
    nanómetro cúbico caben 258 átomos de
    carbono.

    Se ha escrito bastante en los últimos años
    sobre los denominados nanocompuestos, y es que hay que
    reconocer que ese término engloba una enorme diversidad de
    sustancias con un más que prometedor futuro en muy
    diversas aplicaciones.

    Actualmente se trabaja intensamente en la
    preparación y el estudio de nuevos materiales moleculares
    y supramoleculares que manifiesten propiedades químicas
    y/o físicas, eléctricas, magnéticas y
    ópticas, entre otras, para su utilización como
    dispositivos químicos nanoscópicos. Estos tienen
    aplicación en la Electrónica Molecular o en Biomedicina como
    máquinas a escala atómica con
    funciones
    de

    Simple Pump Selective for
    Neon

    www.imm.org Institute for molecular
    manufacturing

    limpieza de arterias
    dañadas por la arterioesclerosis, reparadores de
    ADN,
    re-constructores de células o
    "vasculocitos para la prevención de ataques
    cardíacos por obstrucción de las
    arterias.

    Hablamos de moléculas
    "engranadas"mecánicamente, con las que se han
    diseñado los motores
    moleculares, los interruptores nanoscópicos o
    sistemas
    de almacenamiento de la
    información a escala atómica. Se
    trata, principalmente, de los catenanos, los "nudos " (del inglés
    knots) y los rotaxanos, formados por anillos o
    macrociclos entrelazados atravesados por un "hilo" en linea recta
    y que se pueden "ensamblar" entre sí.

    Según David A. Leigh & Aden Murp, de la
    Universidad de
    Warwick, Coventry, en su artículo Molecular Tailoring: the
    made-to-measure properties of rotaxane, publicado en Chemistry
    & Industry el 1 de Marzo de 1999, el bloque de componentes
    engarzados puede manifestar un comportamiento
    distinto al de los "ladrillos" individuales. Incluso puede
    presentar propiedades totalmente nuevas. Los macrociclos protegen
    al hilo molecular central como una funda que los preserva de
    agentes externos. Así, según los mismos autores, se
    consigue obtener pigmentos
    fotorresistentes
    , con la posibilidad adicional
    de obtener hilos más largos, estables, que pueden usarse
    como "cables"
    moleculares
    .

    El proceso de
    formación del rotaxano es reversible, de modo que es
    posible recuperar el macrociclo y aislarlo. Esto
    permitiría la existencia de moléculas "con memoria de forma"
    que según el ambiente que
    las rodea, adoptan una configuración u otra, es decir,
    "recuerdan" la forma preferida. Lo anterior abre la puerta al
    desarrollo de
    los interruptores
    moleculares
    , de los que hablaremos más
    adelante.

    Cambiando las interacciones entre el hilo y los anillos
    que lo rodean, pueden variarse selectivamente las propiedades
    moleculares.

    Si lo que se cambia es "la cara" que presentan al
    ambiente externo, mediante un estímulo adecuado se pueden
    obtener moléculas "inteligentes", como las
    "lanzaderas"moleculares: estos
    rotaxanos presentan dos estaciones o sitios de reconocimiento en
    el hilo entre los cuales el macrociclo es libre de desplazarse.
    Manipulando su afinidad por cada sitio pueden así los
    químicos ejercer un alto grado de control sobre
    este movimiento
    submolecular.

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    Representación generada por
    ordenador de un rotaxano, un anillo (macrociclo) cerrado en
    torno a un
    eje. (
    Del documento HTML adaptado por
    el autor Matthew Carroll de su informe
    'Towards the Synthesis of a [2]catenane' sobre un trabajo de
    investigación realizado en la Birmingham
    University (Julio-Agosto 1998)

    El anillo está "contenido" en el
    eje y no se sale de él gracias a grupos
    químicos voluminosos, formados generalmente por diez o
    más anillos bencénicos incorporados a cada extremo.
    Lo importante a destacar es que no hay interacciones
    químicas entre el eje y el anillo.

    Según el mencionado artículo de David
    A.Leigh, también se ha comprobado que al irradiar con
    luz el
    macrociclo una vez ha sido incorporada al mismo una
    molécula fotoexcitable [Ru(bipy)2]2+, esta es
    violentamente expelida de la cavidad, comportándose como
    una especie de pistón
    molecular propulsado por la luz.

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    Representación generada por
    ordenador de un catenano (dos o más anillos
    químicos entrelazados) Ver estructuras
    más adelante.

    El catenano se mantiene íntegro porque los dos
    anillos están entrelazados, como los eslabones de una
    cadena, y al igual que estos, no pueden ser separados sin romper
    al menos uno de ellos.

    Esto añade un grado de libertad
    rotacional no asequible a otros sistemas, lo que puede encontrar
    aplicación en el desarrollo de nano-dispositivos como los
    nuevos sistemas de almacenaje de información, las computadoras moleculares.

    Nanocomputadoras electrónicas químicamente
    ensambladas (CAEN)

    Los científicos de los laboratorios
    Hewlett-Packard en Palo Alto, California y en la Universidad de
    California en Los Angeles (UCLA) están desarrollando
    computadoras
    muy, muy pequeñas. Tanto como que una de ellas
    cabría en un grano de arena. Estas nuevas computadoras
    son, en realidad, moléculas.

    ¿Pueden ser las computadoras tan
    diminutas?
    Todas las computadoras están basadas en un
    interruptor de encendido-apagado. Los científicos han
    desarrollado un rotaxano que actúa como tal
    interruptor:

    –el rotaxano es "insertado" entre dos cables
    cruzados. Cuando la molécula está en la
    posición de "apagado", un electrón puede brincar
    desde un cable hasta la molécula y luego desde esta hasta
    el otro cable. Como el viajero que se vale de un puente para
    cruzar un río. Imaginemos que el puente fuese
    móvil.: para crear la posición de "encendido" los
    científicos aplican un campo
    eléctrico entre los cables. Entonces, el
    electrón ya no puede brincar tan fácilmente.
    El puente ya no está allí.

    Los científicos también están
    tratando de crear cables más
    pequeños para ser usados con estas nuevas
    moléculas. Han estirado tubos de carbono hasta
    formar hilos delgados de un nanómetro de ancho. Diez mil
    veces más finos que un cabello, son el resultado del
    arrollamiento de capas de átomos de carbono distribuidos
    en el espacio según la estructura
    hexagonal típica de su sistema
    cristalino. Descubiertos en 1991 por un investigador de la NEC,
    estarían destinados a ser conectores a escala
    atómica en dispositivos electrónicos.

    Los científicos planean introducir capas de
    moléculas de rotaxano en el interior de computadoras ultra
    potentes. Las nuevas computadoras serán mucho más
    pequeñas y 100 billones de veces más rápidas
    que las que usamos en la actualidad. También serán
    más económicas. Se llaman "nanocomputadoras
    electrónicas químicamente ensambladas" y sus siglas
    en inglés son CAEN (chemically assembled electronic
    nanocomputers). (www.harcourtschool.com/newsbreak/invisible_spn.html
    Harcourt School publishers)

        Se cree que los
    científicos necesitarán dos años más
    para fabricar la primera CAEN. Y pocos años después
    podrían venir ya las primeras CAEN a la venta para todo
    el público. Quizá algún día
    dispongamos de una en nuestros hogares.

        Uno de los grandes retos a los
    que se enfrentan los científicos en la actualidad es que
    cada molécula de rotaxano sólo puede ser usada una
    vez. Por ello, sirve únicamente para almacenar
    información en la memoria de
    sólo lectura o
    memoria ROM
    (read-only memory). Un ejemplo de memoria ROM es la utilizada
    para guardar en soporte CD-ROM una
    enciclopedia. Puede ser leída pero no
    modificada.

        La molécula de rotaxano
    no puede ser usada para almacenar datos en la
    memoria de la computadora
    que se cambia una y otra vez: la memoria de acceso aleatorio
    usada en procesadores de
    texto o memoria RAM
    (random-access
    memory). Los científicos están tratando de
    desarrollar una molécula que pueda utilizarse cuantas
    veces sea necesario.

    Estas computadoras microscópicas, incorporadas
    por ejemplo al torrente sanguíneo de una persona,
    podrían identificar bacterias que
    no son mayores que ellas. Así se conocerían los
    fármacos específicos para combatir infecciones. Una
    entre miles de posibilidades.

    Phil Kuekes es un arquitecto de computadoras
    Hewlett-Packard y un investigador de CAEN. "Eventualmente", dice,
    "las computadoras serán tan pequeñas que ni
    siquiera las notaremos. La computadora no
    estará solamente en tu reloj de pulsera; estará en
    las fibras de tu ropa".

    En 1964, Gordon Moore, uno de los socios fundadores de
    Intel, formuló una ley, la famosa
    Ley de Moore
    , aceptada universalmente durante las
    últimas tres décadas: "El número de transistores que
    caben en un chip de silicona se dobla cada 18 meses". Dicha ley
    recibe retoques de cuando en cuando. El coeficiente multiplicador
    anual de la densidad se
    mantuvo en el valor 2 desde
    1958 hasta 1972, se redujo a 1.6 desde entonces hasta 2010
    (estimativo) y se cree que pasará a valer 1.16 desde esta
    última fecha en adelante, hasta alcanzar los límites de
    la Física.

    La primera necesidad que impulsó la
    miniaturización de circuitos
    electrónicos surgió de los programas de
    cohetes balísticos (lectura.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/
    volumen3/ciencia3/112/htm/sec_31.htm ELECTROMAGNETISMO: DE LA CIENCIA A
    LA TECNOLOGÍA Autor: ELIEZER BRAUN), debido a
    su limitada capacidad de carga. La microtecnología fue
    desarrollándose paulatinamente y se aplicó de forma
    inmediata a computadoras comerciales, lo que redujo enormemente
    el tamaño de sus procesadores.

    Moore acertó plenamente. Los pasos de gigante
    dados en el desarrollo de la informática han supuesto un fulgurante
    avance en la tecnología aplicada a
    los aparatos electrónicos. En los años 70, los
    primeros chips contenían unos 2300 circuitos. Actualmente
    un Pentium 4
    contiene más de 42 millones.( mssimplex.com/microprocesador.htm página:Microsistemas INFORMACIÓN ACTUALIZADA SOBRE COMPUTACIÓN
    E INTERNET
    Servicio
    de soporte técnico gratuito actualizado en
    NOVIEMBRE-22-2002)

    Pero al cabo de esos treinta años la
    microinformática parecía haber tocado fondo.
    www.toptutoriales.com/tecno/articulos/articulo1.htm
    Chips moleculares, el reino de Lilliput
    Autor: J. Antonio Pascual
    Estapé
    (extraido de PCManía online) Es probable que en un plazo
    de tiempo
    más cercano a nosotros de lo que imaginamos se fabriquen
    chips de 50 átomos de ancho, si bien las leyes de la
    física impiden que el método
    tradicional de impresión del transistor por la
    luz pueda llegar a operar a escala menor.

    Para ver el gráfico seleccione la
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    La razón: es sabido que los ordenadores
    sólo entienden la lógica
    binaria, es decir, los valores 0
    ó 1, llamados bits, que no es más que
    un convenio sobre si pasa o no
    corriente electrica. Los bits a su vez se agrupan en
    bytes, y se codifican de manera especial para dar lugar a los
    lenguajes de
    programación. Los programadores utilizan estos
    lenguajes para crear los programas, con los que dan instrucciones
    al ordenador sobre lo que tiene que hacer. A continuación,
    dichos programas se traducen al lenguaje
    binario o código
    máquina, que es el único que entiende el
    ordenador.
    Desde un punto de vista físico, el valor 0 o 1 de un bit
    se procesa en el ordenador mediante un interruptor de apagado o
    encendido. Estos interruptores son los conocidos
    transistores de tipo MOS
    (Metal Oxide Semiconductor) donde una
    corriente de electrones se conduce a través de una
    "puerta"que permite el paso desde el óxido (aislante) al
    metal (silicio, semiconductor). Idea clave de los chips: estos
    transistores se almacenan en circuitos integrados (integran en la misma
    pieza de semiconductor todos los componentes de un circuito
    eléctrico: transistores, diodos, resistencias,
    condensadores,
    etc…) , los cuales están hechos enteramente de
    silicio. Hay 100 millones de
    transistores por chip
    . Para crearlos, un rayo de
    luz graba las obleas de silicio, (ispjae.edu.cu/gicer/Boletines/4/137/bol137.htm
    Boletín de redes nº 137)
    proceso que se conoce con el nombre de
    fotolitografía.
    Esto genera un problema si lo que se quiere es alcanzar
    dimensiones cada vez menores: habría que utilizar una
    radiación
    de longitud de onda inferior a la de
    la luz, es decir los rayos X, los
    cuales alterarían la materia, la
    composición de los átomos y el método
    utilizado.

    A pesar de esta evidencia, en 1999 desde la Universidad
    de California en los Ángeles
    nos llegó otra luz, la que arrojó el grupo de
    investigadores mencionado arriba quienes basándose en la
    física cuántica crearon el rotaxano. En síntesis,
    se puede decir que los pulsos emitidos por unos imanes
    actúan sobre las partículas de hidrógeno presentes en el rotaxano,
    haciéndolas girar e interaccionar con los átomos de
    carbono. Estos se orientan en ese campo de fuerza
    "subiendo "o "bajando", lo que representa un 1 ó un 0,
    comportándose así como un transistor
    electrónico.

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    Representación de un
    pseudo-rotaxano.

    Despues de "enhebrar" el largo eje-cadena a
    través de la corona del anillo, los dos extremos de la
    cadena podrían entonces ser unidos para formar el
    catenano.

    La estructura de la corona se muestra en el
    dibujo
    siguiente:

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    La estructura de la cadena larga es la que sigue a
    continuación:

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     En los ordenadores "clásicos", el material
    es un semiconductor como el silicio del cual aprovechamos sus
    propiedades electricas; en los ordenadores cuánticos se
    trata de átomos de
    flúor o iones de calcio, y nos aprovechamos
    de sus propiedades cuánticas. La multinacional
    informática IBM ha desarrollado uno de cinco átomos
    de flúor. "La computación cuántica comienza cuando
    la ley de Moore llega a su límite. De acuerdo con dicha
    ley, está previsto que los circuitos continúen una
    miniaturización progresiva hasta el año 2020,
    cuando alcanzarán el tamaño de los átomos y
    las moléculas", explica Isaac L. Chuang, director del
    equipo de investigadores de IBM y de las universidades de
    Stanford y Calgary que han trabajado en el proyecto. "De
    hecho, los elementos básicos de las computadoras
    cuánticas son los átomos y las moléculas".
    Recientemente, científicos de las Universidades de Harvard
    y Cornell presentaron, de forma independiente, transistores
    electrónicos constituidos por dispositivos formados por
    una sola molécula compuesta por átomos de cobalto y
    vanadio, con los que se demostró la capacidad para
    controlar el flujo de electrones.

    El siguiente dibujo ar.geocities.com/moni2201/nanotrn1.htm es
    una representación de un complejo cobalto-terpiridinil
    (cobalt-terpyridinyl) (a la izquierda) y de una molécula
    divanadio (a la derecha) unidas ambas a electrodos de oro. Sistema
    de un solo átomo del cobalto en un caso y dos
    átomos del vanadio en el otro.

     Toda una hazaña
    increíblemente difícil de realizar, construir estos
    circuitos requirió la fabricación de
    "moléculas diseñadas" integradas por varios
    átomos dispuestos a modo de andamio en donde los
    átomos de cobalto o de vanadio se ubican en forma
    central.

    ar.geocities.com/moni2201/nanotrn1.htm

    Dos moléculas usadas por los científicos
    de la universidad de Cornell, para crear un transistor de un
    sólo átomo. En cada molécula hay un
    átomo de cobalto (azul oscuro), retenido por una
    molécula de piridina (Pyridine, C5H5N) y además hay
    átomos de azufre(rojo), usados para fijar la
    molécula a los electrodos de oro. El flujo de electrones
    de un electrodo al otro se realiza por un salto en el
    átomo de cobalto

    La simultaneidad de estados según la
    física cuántica, consiste en que los electrones
    pueden estar a la vez en dos posiciones
    (el 0 y el 1). Esta
    particularidad da lugar a elementos (uno por cada átomo)
    que no se llaman bits, sino qubits (del inglés
    "quantum bit"). Además, los electrones no tienen por
    qué estar sólo en 1 y 0, sino que pueden tomar
    valores
    intermedios
    . Esta extraordinaria cualidad abre las puertas al
    almacenamiento
    masivo y simultáneo de datos.

    El entrelazamiento, como sostiene el
    físico español
    José Ignacio Cirac (ver MUY del mes de noviembre)
    consiste en que si un cuanto de energía, por ejemplo un
    fotón, cambia de estado, esta
    variación se refleja inmediatamente en otro, aunque
    esté separado físicamente de él: es la
    transmisión más rápida posible.
    www.inicia.es/de/santiagoherrero/Tecnologia.htm

    La capacidad de memoria y la velocidad se
    potenciarán cuando la simultaneidad de estados y el
    entrelazamiento se dominen. Así, por ejemplo, los grandes
    sistemas de cifrado y descifrado
    de mensajes
    , basados en operaciones
    matemáticas sencillas pero muy largas y
    repetitivas, se verán acortados radicalmente en el tiempo.
    El microprocesador cuántico reduciría los pasos en
    el tratamiento de la información, aunque todavía es
    pronto para cotejar datos tangibles.

    Organizar a los átomos entre sí y con su
    entorno sin errores ni interferencias se intuye que es empresa
    más que difícil. El ordenador ultrarrápido
    desarrollado por IBM ha realizado una operación de calculo
    avanzado a una velocidad exponencialmente superior a la de un
    ordenador convencional. En www.ibm.com/es/press/notas/2000/
    agosto/ordenadorcuantico.html se describe el
    concepto:
    "Utilizando la molécula de
    cinco qubits
    , el equipo de Isaac L. Chuang
    resolvió de un solo paso un problema matemático que
    precisa varios ciclos con ordenadores convencionales. El
    problema, denominado "order-finding" (encontrar el orden),
    consiste en determinar el periodo de una función
    particular, lo que constituye el centro de muchos otros problemas
    matemáticos que se utilizan en aplicaciones importantes
    tales como la criptografía.

    El problema de encontrar el orden puede ser
    descrito de la siguiente forma: se considera un número
    elevado de habitaciones y un número igual de pasillos
    entre ellas en los que se puede circular en un solo sentido;
    algunos de estos pasillos pueden ser circulares y acabar en la
    misma habitación de la que salen. Una persona que se
    moviese por este "laberinto" acabaría tarde o temprano por
    volver a la habitación de origen. El problema es calcular,
    con un número bajo de consultas, el número
    mínimo de pasillos por los que tiene que circular esta
    persona antes de volver a la habitación inicial. El
    ordenador cuántico de cinco qubits resuelve cualquier caso
    de este problema en una sola fase, mientras que con la
    informática convencional puede ser necesario realizar
    hasta cuatro pasos."

    Pero todavía falta mucho para que se puedan
    comercializar ordenadores cuánticos. Se calcula que se
    necesitan 1.000 partículas para realizar cálculos
    un poco complejos, y que es necesario coordinar unas 100.000 para
    obtener ordenadores moleculares de cierta capacidad. Algo que
    Jose Ignacio Cirac cree que no ocurrirá "en los
    próximos 20 años".

    De las computadoras cuánticas se espera que
    desplacen a la tecnología del silicio, gracias a su
    velocidad y a su "nanoscópico" tamaño: los expertos
    consideran que en el volumen que ocupa
    un grano de arena se podrá albergar un ordenador
    cuántico cuya capacidad y velocidad equivaldrá a la
    de 1.000 procesadores como los actuales.

    "Un ordenador molecular nos permitirá hacer cosas
    que todavía no podemos imaginar", dijo James Heath, que ha
    dirigido las investigaciones
    de UCLA, en un comunicado oficial. Según noticia diario
    El Pais
    ELPAIS.ES | ISABEL
    PIQUER [19/08/00]. "Será un millón de
    veces más eficaz que un ordenador basado en chips de
    silicio". También más económico y fiable.
    Los qubits no pueden ser clonados o copiados, haciendo
    prácticamente imposible el hecho de que alguien vulnere un
    código encriptado con un sistema
    cuántico.

    "Con las moléculas estamos empezando a trabajar a
    la menor escala posible", dijo Fraser Stoddart, el químico
    que ha diseñado los interruptores junto con un equipo de
    investigadores de Hewlett-Packard. El hallazgo abre la puerta
    hacia un nuevo mundo de circuitos de apenas unos átomos de
    ancho, una miniaturización que promete cambiar la industria
    informática tal y como la conocemos. La
    investigación de Stoddart está en parte financiada
    por la Agencia de Proyectos de
    Defensa del Gobierno
    estadounidense.

    Así pues, los dispositivos de memoria molecular
    podrían ofrecer una capacidad de almacenamiento muy
    superior a la de los ordenadores actuales y a mucho menor coste.
    Los actuales dispositivos microeléctricos de silicio
    tienen un tamaño mínimo de 180 nanómetros,
    más o menos una milésima del grosor de un cabello.
    Pero en la electrónica molecular los componentes
    más pequeños pueden llegar a reducirse a un solo
    nanómetro, lo que permitiría tener más de
    mil procesadores en el espacio que ahora ocupa uno solo de los
    actuales.

    El sistema desarrollado en UCLA es relativamente simple,
    a partir de un catenano: "Imagine dos anillos interconectados,
    cada uno formado por dos estructuras que interactúan con
    estímulos electroquímicos", explica Stoddart. Un
    impulso eléctrico creará un movimiento de los
    anillos al alterar el orden de los electrones, "encendiendo"
    así el interruptor al provocar que las dos
    moléculas se toquen, permitiendo el paso de corriente.
    Otro impulso restablecerá el orden como si lo "apagara".
    Anteriormente este mismo equipo logró crear un sistema,
    basado en el rotaxano, pero que sólo podía
    funcionar una vez, y se inutilizaba después de un solo
    uso.

    "Este nuevo sistema es muy robusto, se puede utilizar a
    temperatura
    ambiente", dice Stoddart. "Además se ve perfectamente
    cómo actúa el catenano, al principio es verde y
    luego cambia a marrón". Anteriormente el interruptor
    sólo funcionaba en una solución líquida, lo
    que no se podía utilizar para los ordenadores, pero el
    equipo de UCLA consiguió fijar las moléculas en una
    película sólida.

    Sin embargo, todavía queda mucho camino hasta
    llegar a ensamblar
    un micrordenador con estas moléculas. Los
    científicos de Hewlett Packard ya pueden fabricar cables
    conductores de un ancho inferior al tamaño de una docena
    de átomos, pero todavía no han encontrado la
    fórmula para conectar los interruptores moleculares entre
    sí.

     

    Marcos Sanchez

     

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