12 dic. 2012

Les mesures més petites: la nanotecnologia

Al darrer cafè científic de l'any, que va ser dimecres 12 de desembre, Jordi Fraxedas, del Centre d’ Investigació en Nanociència i Nanotecnologia (CIN2), a la UAB, ens va parlar sobre Les mesures més petites: la nanotecnologia. Va ser un dels darrers menys concorreguts de l'any, això del Nadal sembla que ens obliga a deixar el món endreçat (com diu Mercè Durfort), i els cafès són menys freqüentats. Ara, vam tenir la sort que ens va tocar a més investigador per cap. Ens vam quedar bocabadats veient què hi pot haver rere la finestra que se'ns va obrir.
Jordi va començant parlant-nos de les dimensions, va enllaçar amb el cafè de Víctor Grau sobre les magnituds, al qual va venir com a públic. Amb en Víctor vam tractar de formes d'imaginar-nos magnituds grans; amb en Jordi ens endinsem en el món de les magnituds petites, molt més difícil d'imaginar. Comentem que pot ser degut que, si ens prenem nosaltres com a dimensió, ens és fàcil multiplicar-nos; ara, dividir-nos, és una altra cosa! Molt poc intuïtiu. Però ho intentarem, anem a veure com va anar.

Imaginem que volem amb un avió i anem a 12.000 m per sobre la Terra, no veiem les persones; ara, quan l'avió baixa per aterrar, comencem a distingir, cases, cotxes, persones, que mesurem entre un metre i mig i dos... Amb aquesta analogia, endinsem-nos en les dimensions petites; entenent-les com a potències de 10, si la potència, n, és igual a 0, estem en la dimensió humana, està clar (no debades és una convenció humana). Si n és igual a -6, una milionèsima part del metre és una micra. Si n és igual a -9, ja estem en l'escala nano, l'escala de l'àtom. Per sota tenim l'estudi de les partícules sub-atòmiques, molt més petites. La nanotecnologia, doncs, és la ciència que estudia i manipula la matèria per sota dels 100 nm, a l'escala atòmica. Com tota disciplina nova obre noves perspectives i vol eines noves.

Una nova dimensió
La nanotecnologia, en realitat, no és més que una nova tècnica, potentíssima, que permet estudiar i manipular la matèria des d'una nova dimensió: la de l'àtom. Els primers en manipular àtoms van ser els d'IBM, amb la famosa imatge que els fa tan i tan bona publicitat. Aprofitant l'efecte túnel de la mecànica quàntica, van col·locar 24 àtoms de xenó, grans, inerts i blavosos, sobre una superfície polida de níquel. Van necessitar un punxó a escala atòmica i mantenir-lo a 4K, perquè no s'escapessin els àtoms. El premi Nobel de física del 1981 va ser lliurat a dos investigadors que van assentar les bases que més endavant van permetre investigar i manipular la matèria a escala nanomètrica. Tot i que, a escala nanomètrica, de forma indirecta, ja s'hi treballava, atès que s'havien vist virus al microscopi electrònic, o s'havia treballat amb macromolècules.

Noves eines
Com més ens allunyem de l'escala humana, més complex i més gran (i molt més car!) és l'instrument que ens permet acostar-nos-hi. Per estudiar àtoms, per nanotecnologia, en Jordi va preparar el que en diuen un cantilever, amb una barnilla de silici enganxada només d'una banda, a la que va anar escapçant fins que va tenir una superfície amb el que considerava un sol àtom. Amb aquest àtom, i també per efecte túnel, va poder moure àtoms, per atracció o repulsió electrònica. Em va fer venir al cap la descripció de la teoria atòmica que va exposar Demòcrit, i que Carl Sagan fa a Cosmos.

Noves instal·lacions
Els nanotecnòlegs necessiten instal·lacions que assegurin que no hi ha tremolors del terra; per tant, treballen en els soterrani d'edificis, en sales preparades ad hoc on el terra no toca les parets, de manera que romanen aïllades de les vibracions. No són tan complexes com les que calen per estudiar bosons i altres partícules subatòmiques, que requereixen aparells que mesuren kilòmetres: els acceleradors de partícules, com ara el sincrotró Alba.

Noves propietats
Estudiar i tractar la matèria en aquesta dimensió, el que fa es posar de manifest propietats emergents: els minerals tenen diferents colors que quan són observats a escala humana, per exemple. L'equip d'en Jordi ha aconseguit cristal·litzar aigua a 25ºC, és a dir, fer gel entre dues capes fines de materials, que endrecen (ordenen en l'espai) les molècules d'aigua. Aprofitar aquestes propietats obre moltes possibilitats tècniques en camps molt diversos.

Noves posibilitats
Per exemple, s'ha passat de la microelectrònica, a la nanoelectrònica, a tenir transistors de 12 nm. S'han construït tubs químics, de 100 micres, o mil·límetres, que poden suportar una gran tensió. S'han preparat petits laboratoris (lab on a xip), que permeten diagnosticar amb molt poca quantitat de material orgànic. S'han fet també el que en diuen corrals quàntics (quantum corrals), que serveixen per embolicar àtoms; d'aquesta manera es poden "empresonar" altres àtoms, que pot ser útil per noves tècniques terapèutiques. S'han preparat nanomedicaments contra el càncer; petites molècules que identifiquen els receptors de de les cèl·lules tumorals, hi entren i amb una radiació calorífica que escalfa l'or, cremen la cèl·lula cancerígena. S'han elaborat bates que no s'embruten, materials hidròfobs, que no s'empapen de suor... Darrerament, es busquen les possibilitats que dóna treballar amb grafè: una sola capa de carboni.

L'humà rere el científic
Com sempre en el cafè científic, busquem la persona rere el científic. Essent pocs, el vam trobar només arribar a la sala. En Jordi es manifestava privilegiat en tot moment, per poder passar-s'ho tan bé amb el que fa. Quan estudiava la carrera de físiques, va fer-los una conferència un savi que vivia a Alemanya investigant sobre física de l'estat sòlid, Manuel Cardona, i li va obrir un món nou. Així va començar a interessar-se per la física de superfícies.

Feia temps que no sentia una broma entre físics i químics, com tenen costum. Els químics, diu en Jordi, treballen amb grans quantitats, mols, en els que tenen 6,02 x 10 elevat a 23 molècules (el nombre d'Avogadro), mentre que en els llibres parlen de prendre dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen per fer una molècula d'aigua: "en realitat, els que prenem una molècula d'aigua, som nosaltres!"

Més informació:
Viquiprojecte: nanociència i nanotecnologia.
Mata-Chavarria, Álvaro (2012): L'escala nanomètrica, omniscellula vol. 30 (desembre).
Atomic bond types discernible in single-molecule images (13/09/2012).
Una fórmula matemática descifra la geometría de superficies como la de la coliflor (17/12/2012).

No hay comentarios:

Publicar un comentario