Se dice por ahí que el tamaño no importa. Aunque esta frase ha sido usada en muchos contextos, en el mundo de la física y la ciencia de materiales es fundamental y adquiere una relevancia infinita. Empecemos por la fascinación que siempre hemos tenido por lo diminuto, no solo en la literatura y televisión, sino también en la ciencia.
Recordarán, aquellos nacidos en los años 60, la serie de televisión Tierra de Gigantes, donde los protagonistas medían unos 10 cm. Aún más pequeño, vimos a El Hombre Hormiga (1962), héroe de DC Cómics. La película de ciencia ficción Viaje Fantástico (1966), narra un viaje al interior del cuerpo humano en un submarino tripulado (Proteus), reducido de tamaño en el Centro de Miniaturización Norteamericano. En este relato, los protagonistas miden aproximadamente 2.5 micrones (0.0025 mm), esto es 40 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.
En nanociencia, la unidad de medida es una millonésima de milímetro.
Estos personajes son entre 25 y 2,500 veces más grandes que la escala de los fenómenos que estudia lo que hoy llamamos nanociencia; la unidad de medida que le da su nombre es una millonésima de milímetro. En notación científica se dice que es uno elevado a la menos nueve.
Nacimiento de lo nano
La nanociencia surge el 29 de diciembre de 1959, de forma conceptual, durante la reunión anual de la Sociedad Americana de Física. Ahí, Richard Feynman habló acerca de la posibilidad de manipular directamente átomos y moléculas.
Sin embargo, el término nanotecnología fue usado por primera vez 15 años después, por Norio Taniguchi, quien señalaba la capacidad de manejar materiales a nivel nanométrico. Ambos científicos trataban de expresar que la manipulación atómica no violaba ninguna ley de la física, y que el hecho de no poder concretarse era debido a que no tenían aún el instrumental adecuado.
Los átomos son como legos que se pueden unir unos con otros obedeciendo ciertas reglas, como las del juego tetris.
Fue hasta 1981 que los científicos G. Binning y H. Rohrer inventaron el microscopio de efecto túnel, con el que se pudo ver átomos por primera vez. Por cierto, en 1986 recibieron el Premio Nobel por su descubrimiento.
Los materiales nanoestructurados en la escala de longitud.
Tijeras, papel y pegamento
¿Qué herramientas o instrumentos necesitamos para manipular cosas tan pequeñas como los átomos? En esencia, los mismos que usamos en el taller o en la cocina de casa, pero en distinta presentación: tijeras, mazos, pinzas, cernidores, cuencos o bandas de transporte, evaporadores (aerosoles), hornos.
Curiosamente, no necesitamos pegamento, pues los átomos son como legos que se pueden unir unos con otros obedeciendo ciertas reglas, como las del juego tetris. Los responsables de este “pegamento” son los electrones que, junto con los núcleos, determinan las distintas propiedades que tienen los elementos de la tabla periódica.
Para cortar (tijeras) se utilizan rayos láser que seccionan material o, incluso, mutilan átomos. Para romper (mazos o piedras) se lanzan iones sobre el objeto a modificar. Para transportarlos se utilizan chorros de gases. Para crecer esos objetos se emplean evaporadores y aerosoles. Para seleccionar el tamaño de las nanopartículas (cernidores) se ionizan y luego se hacen pasar por campos electromagnéticos. Todos estos procesos se llevan a cabo en una cámara al vacío.
Las propiedades físicas y químicas de los materiales nanométricos varían con el tamaño.
¿Cómo los vemos? Dependiendo del tamaño, se observan mediante la interacción de luz con los átomos. Esto genera una imagen de la geometría de los átomos que los constituyen. Hay otra técnica que usa electrones y sus propiedades ondulatorias.
Leyes de lo pequeño
Es importante aclarar que las leyes de la física del mundo pequeño no son las mismas que las que aplican a las bolas de billar o los planetas (Leyes de Newton). Se requiere de la mecánica cuántica. Esta disciplina se originó formalmente en 1900, cuando Max Planck estudió la emisión de luz de cuerpos a altas temperaturas (por ejemplo, el Sol). Entre 1920 y 1933, la mecánica cuántica experimentó un desarrollo significativo con contribuciones destacadas de científicos como Heisenberg y Schrödinger.
Este nuevo marco teórico permite describir las propiedades de la materia a escala atómica, determinadas, principalmente, por el comportamiento de los electrones. Así, fenómenos como la conducción eléctrica, capacidad calorífica, el magnetismo, la dilatación, la emisión de luz y las propiedades térmicas que observamos a escala humana pero son generadas a nivel atómico, se explican de manera satisfactoria.
Membranas nanoscópicas que son usadas como templetes para crecer nanotubos.
La dimensionalidad
Las propiedades físicas y químicas de los materiales nanométricos varían con el tamaño, haciendo necesario introducir el concepto de dimensionalidad. Si la geometría de la partícula se extiende en un plano y tiene dimensiones nanométricas en la dirección perpendicular, se le llama bidimensional; por ejemplo, las películas delgadas o discoidales.
Los nanotubos o nanoalambres, con diámetros de ese orden, representan sistemas unidimensionales. Por último, las partículas con dimensiones de nanómetros en las tres direcciones perpendiculares son consideradas cero dimensionales o cúmulos. A esta escala, los cúmulos muestran patrones de crecimiento sorprendentemente diferentes a las muestras volumétricas; por ejemplo, pueden tener simetría pentagonal, casi imposible en sistemas de mayor tamaño.
Con el tiempo, podremos diseñar materiales personalizados, basados en la nanotecnología.
Es también de gran interés el estudio de los objetos descritos anteriormente cuando forman conglomerados o agregados, cuyas propiedades dependen tanto de sus partes, como de la forma en que estas interaccionan entre sí.
¿Son producto de nuestra época?
¡No! Los materiales nanoestructurados han existido desde hace mucho tiempo. Se encuentran presentes en la naturaleza, como en la concha nácar, los colores de las alas de las mariposas y las patas de los geckos. Además, hemos fabricado objetos como vitrales, copas romanas, espadas en Damasco, cerámica con brillo metálico y la pintura conocida como azul maya.
Conocer estos materiales fue el resultado de prueba y error, además del ingenio y la curiosidad humana. Lo nuevo radica en que ahora comprendemos el funcionamiento del mundo nano, conocemos sus reglas y, con el tiempo, podremos diseñar materiales personalizados, basados en la nanotecnología, para satisfacer nuestras necesidades.