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Nanotecnología y Nanocomponentes
La nanotecnología promete chips y conmutadores construidos átomo a átomo que darán paso a una nueva generación de productos de red más pequeños, rápidos y baratos.La nanotecnología podría llevarnos a un mundo automatizado de arquitecturas auto reparables, chips reconfigurables, redes inalámbricas basadas en sensores y sobremesas auto cargables bajo el principio de “pago por uso”. ¿Ciencia-ficción? No para Charles Ostman, miembro del Institute for Global Futures, quien en la pasada edición de Nanotech Planet Conference and Expo aseguró que las tecnologías de la información se hallan en plena transición desde la operación humana de los sistemas a un escenario formado por nodos orgánicos optimizados. Cierto que este “nanofuturo”, un tanto esotérico para los profanos, remite a la imaginería popular que se ha ido formando durante los últimos años alrededor de “Star Trek”, con unos imprescindibles toques de replicación genética, pero los profesionales de TI al menos saben que la nanotecnología, o como poco la investigación científica que lleva a ella, es muy real. La National Nanotechnology Initiative, puesta en marcha en 1996 por el Gobierno Federal de Estados Unidos, destinará este año 570 millones de dólares en I+D, un 35% más que en 2001. Las actuaciones en I+D de la Unión Europea en el ámbito de la nanotecnología, se inscribieron, dentro del pasado IV Programa Marco, en el programa ESPRIT, y más concretamente en la iniciativa MEL-ARI (MicroElectronics Advanced Research Initiative) Nanoscale Integrated Circuits. Actualmente, se enmarcan en V Programa Marco, dentro de IST (Information Society Tecnologies). Sobre una base común de fundamentos informáticos, biológicos, químicos y físicos, se entiende por nanotecnología la manipulación de materiales a escala atómica, donde un nanómetro representa la milmillonésima parte de un metro. Su aplicación práctica es muy versátil: los bloques de este edificio nanométrico pueden ser utilizados tanto para desarrollar un conmutador electrónico de tamaño molecular como una versión miniaturizada de todo el sistema lógico de un ordenador. La aparición del circuito integrado constituye la primera etapa del proceso de miniaturización de los elementos de los circuitos electrónicos. Cada vez es mayor el número de transistores que se pueden introducir en un microchip; de hecho, en estos momentos las cifras giran alrededor de los mil millones de transistores por chip. Además, el tamaño del propio chip sigue disminuyendo. “Dentro de esta clara tendencia hacia la miniaturización, para poder seguir reduciendo el tamaño es necesario utilizar estructuras cuánticas; es en este momento cuando aparece la nanotecnología como solución. Se puede decir que la nanotecnología ha abierto una nueva etapa en la microelectrónica en la que se siguen reduciendo los tamaños del chip mediante la utilización en los componentes de estructuras cuánticas y moléculas. Dentro de la nanotecnología se ha creado una nueva área conocida como electrónica molecular, que se basa en la utilización de moléculas con capacidad para actuar como componentes electrónicos con muy elevadas velocidades de conmutación.”, afirma Ángeles Grado-Caffaro, analista de TIC y colaboradora habitual de Comunicaciones World. Dentro de cincuenta años No es de extrañar, por tanto, que los nanotecnólogos reunidos en la Nanotech Planet Conference and Expo predijeran que, dentro de diez años, terabytes de memoria cacheada en un chip llegarán al mercado de consumo en forma de juegos, juguetes y cámaras, marcando un paso cualitativo de la electrónica de silicio a la electrónica molecular. Cuarenta años más, y la visión de los expertos nos lleva a híbridos electrónico-moleculares que reemplazarán a las redes conmutadas basadas en silicio, en las que los procesos realizados hoy por los ordenadores serán la tarea habitual de dispositivos de baja potencia que cabrán en la palma de la mano. Con todo, en cuestiones de futuro conviene siempre ser cautos. El tiempo siempre pasa más deprisa de lo que nos gustaría. Stanley Williams, miembro de Hewlett-Packard Labs y director de Quantum Science Research, recomienda un saludable escepticismo. “Para conseguir un marco temporal realista, yo uso la “regla f”. Consiste simplemente en tomar la estimación académica más optimista y multiplicarla por el número f. Lo cierto es que, si bien la nanociencia existe, hay muy poca nanotecnología.” Williams divide la nanotecnología en estructuras activas y pasivas. Las pasivas, como los sensores, sólo realizan una sola tarea predefinida; las activas transfieren información entre nanoestructuras. Y, mientras que las estructuras pasivas, como las usadas en materiales refractarios y en neumáticos resistentes al agua, ya están disponibles, las aplicaciones activas, que requieren enormes inversiones en investigación, todavía están en camino. La nanotecnología aplicada a la informática promete seguir avanzando hacia circuitos integrados cada vez más rápidos, pequeños y con un menor consumo de energía. Eso significa integrar más circuitería en microchips menos caros que los que permite el silicio; más concretamente, memorias moleculares con una densidad de almacenamiento un millón de veces superior a la de los chips actuales más avanzados. Pero esto, ya difícil de conseguir, no es el final. Según los investigadores, el próximo paso será desarrollar y producir diseños moleculares capaces de auto ensamblarse para conseguir el tipo de dispositivo deseado en cada momento. Nanoproducción Para producir nanocomponentes los investigadores usan las técnicas Atomic Force Microscopy (AFM) y Scanning Tunneling Microscopy (STM), que se encargan concretamente de crear mapas topográficos átomo a átomo, y de reunirlos e integrarlos. átomos y empujar y reunir átomos en un lugar. De un modo similar a la técnica fotolitográfica empleada para crear microchips, se puede trabajar a escala nanométrica usando rayos de electrones procedentes de microscopios específicos. Estas herramientas son esenciales para construir moléculas en forma de balón de fútbol formadas por 60 átomos de carbono, que se combinan con otros tipos de átomos, como los de nitrógeno, para adquirir mayor fortaleza y elasticidad. Una aplicación potencial de este tipo de componente puede ser revestir y proteger los discos duros, por ejemplo. Los tubos de carbono de cristal, también llamados nanotubos, son similares a los anteriores pero con miles de átomos. Combinando estos cilindros de distintas formas, tamaños y propiedades eléctricas, actúan como semiconductores que están siendo aplicados a componentes electrónicos como los transistores o las puertas lógicas de los ordenadores. También se están desarrollando nanocables de silicio. Últimos desarrollos Desde hace años, la I+D pública y privada trabaja incansablemente en la nanotecnología con vistas a conseguir resultados prácticos que permitan dar un avance significativo en este campo. Concretamente dentro de las tecnologías de la información, durante los últimos meses se han dado importantes pasos con este objetivo. - Ordenadores. Investigadores de IBM anunciaron en diciembre de 2001 la creación de un tubo de prueba con miles de millones de moléculas que actúa como un ordenador cuántico capaz de realizar los cálculos más complicados hasta la fecha. Se prevé que las primeras aplicaciones de la informática cuántica sean su actuación como coprocesadores destinados a rendir problemas matemáticos de gran dificultad y efectuar búsquedas no estructuradas. - Circuitos integrados. En agosto de 2001, IBM dio a conocer el primer circuito de ordenador de funcionamiento lógico basado en una sola molécula. Este circuito lógico, formado por nanotubos de carbono, representa un paso fundamental hacia los ordenadores moleculares, mucho más pequeños y rápidos y con un menor consumo de energía que los actuales. - Procesadores. Hewlett-Packard y UCLA patentaron el pasado mes de enero una técnica de construcción de chips lógicos complejos a escala molecular. Esta tecnología utiliza una sencilla red de cables del tamaño de un átomo conectados por conmutadores electrónicos unimoleculares. Los investigadores de HP esperan poder fabricar en 2005 un chip de 16 Kb de memoria, y un año después un chip electrónico molecular, dirigidos a los mercados de memoria no volátil de baja energía. En diciembre de 2001, IBM presentó un modelo de transistor microscópico de doble puerta que incrementa en rendimiento y reduce el consumo de energía de los circuitos integrados. El transistor, que será lanzado comercialmente en 2006, usa dos puertas para controlar el flujo de conmutación eléctrica de modo que bien se duplique la corriente eléctrica total, bien se reduzca el volumen de electricidad que atraviesa cada una de ellas. También el pasado diciembre, AMD anunció el transistor Complementary Metal Oxide Semiconductor, diseñado para manejar velocidades de conmutación de 3,33 billones de cambios de estado por segundo, la más elevada de las conseguidas hasta hoy. Según AMD, al final de la década este desarrollo permitirá multiplicar por veinte el número de transistores por chip, y por diez el rendimiento de los microprocesadores. Los Bell Labs de Lucent Technologies dieron a conocer en octubre de 2001 transistores de escala molecular que compiten en rendimiento con los transistores de silicio convencionales. Estos transistores están basados en carbono y han sido probados como amplificadores y conmutadores. En junio del año pasado, Intel anunció el transistor de silicio más rápido del mundo. Tiene un tamaño de veinte nanómetros y se enciende y se apaga más de un billón de veces por segundo, lo que supone una velocidad un 25% mayor que la de los transistores actuales. Intel planea fabricar en 2007 microprocesadores que contengan mil millones de transistores y con velocidades cercanas a los 20 GHz operando a menos de un voltio. - Almacenamiento. IBM anunció en febrero de 2000 el prototipo “Millipede” dedicado a almacenamiento rescribible de alta densidad. Se trata de un dispositivo micro mecánico que mide solo 3 mm cuadrados y almacena casi 1 GB de datos. Se espera que esta tecnología permita conseguir densidades de almacenamiento de alrededor de 400.000 millones de bits por pulgada (25,4 mm) cuadrada, es decir, cien veces superiores a las de los discos duros de hoy. - Alimentación. NEC, Japan Science and Technology Corporation e Institute of Research and Innovation anunciaron en agosto de 2001 el desarrollo de una diminuta célula de carburante usando nanotubos de carbono como electrodos. La célula, que ofrece alrededor de diez veces la capacidad de una batería de litio, permitirá que los PC del futuro tengan un tiempo de utilización continuado de varios días. El inquietante panorama que promete la nanotecnología abre la imaginación a un futuro prometedor más cómodo y funcional, pero también despierta los temores ancestrales a lo desconocido o, cuando menos, a un entorno que puede acabar siendo incontrolable. Williams introduce al respecto un gramo de cordura: “Nada hay que temer. Ni la nanotecnología nos hará inmensamente ricos, ni los nanobots se revelerán y se adueñarán del mundo”. Valga lo uno por lo otro. Menos de un nanómetro Los átomos tienen un diámetro de unas pocas décimas de nanómetro. Nanómetros Una cadena de diez átomos de hidrógeno mide un nanómetro; y las moléculas de DNA alrededor de 2,5. Miles de nanómetros Los diámetros de las células biológicas se mueven en el rango de varios miles de nanómetros. Un millón de nanómetros Un lunar del tamaño de una cabeza de alfiler mide un millón de nanómetros. Miles de millones de nanómetros Un hombre de dos metros de altura mide 2.000 millones de nanómetros. |
