Construyendo un nanomanipulador

Los nanotecnólogos prometen mucho: productos electrónicos forjados a partir de moléculas individuales, materiales ultrafuertes y ligeros, cápsulas ultrafinas que transportan fármacos a órganos o células específicos del cuerpo. Pero para jugar con materiales a esa escala, los investigadores necesitan herramientas para sondear y empujar sus especímenes invisiblemente pequeños. Y los fabricantes necesitarán equipos para producir en masa estas futuras maravillas. Estos instrumentos no son baratos. El precio actual de un nanomanipulador, una máquina llamada así no porque sea pequeña en sí misma, sino porque puede mover cosas con precisión nanométrica, es de decenas de miles de dólares. Martin Culpepper, profesor de ingeniería mecánica del MIT y galardonado con TR100, cree que puede producir mejores instrumentos por menos de $ 3,000 cada uno utilizando un enfoque diferente para el diseño de máquinas. Los nanomanipuladores existentes, señala, tienen un montón de uniones y enlaces diferentes para ensamblar. Debido a que los espacios entre las piezas pueden tener muchos nanómetros de ancho, este viejo paradigma, como él lo llama, no es práctico para el movimiento a nanoescala. En cambio, la máquina de Culpepper está construida alrededor de una pieza que se dobla y flexiona muy levemente. Le muestra a Dan Cho de TR cómo proporcionar un movimiento superpequeño sin una etiqueta de precio astronómica.





1. Como la mantequilla. El nanomanipulador comienza en un taller de máquinas, donde dos de los estudiantes graduados de Culpepper, Soohyung Kim y Nathan Landsiedel, cortan piezas de metal. Colocan una placa de titanio en la cama de un cortador de chorro de agua y alimentan las instrucciones desde un disco de computadora a la consola contigua. Con una boquilla en movimiento que dispara un chorro de agua de un milímetro de ancho con partículas de granate, la máquina puede cortar formas complicadas en cuestión de minutos.

El 2004 TR100

Esta historia fue parte de nuestro número de octubre de 2004

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2. Flex Time. Culpepper sostiene una de las piezas recién cortadas. Este es el corazón de su máquina: tres tiras planas que se ramifican simétricamente desde un centro común y están rodeadas por un marco delgado para formar un triángulo vago. Hay un propósito en esta curiosa geometría. El centro, o escenario, del triángulo es donde se fijaría una sonda en un instrumento completo. Mantienes estos tres puntos, dice Culpepper, señalando tres accesorios en forma de arandela suspendidos en los brazos doblados entre las esquinas del triángulo, luego empujas cada una de estas pestañas hacia un lado o hacia arriba y hacia abajo. Indica los extremos de las tiras planas y demuestra cómo empujar dos pestañas una hacia la otra aleja el centro de ambas. Presione hacia abajo en los tres y el centro se moverá hacia arriba. Al presionar diferentes combinaciones de pestañas, puede hacer que el escenario se deslice o gire en cualquier dirección posible. Esto es lo que los ingenieros llaman movimiento de seis ejes, algo que los nanomanipuladores existentes luchan por lograr.



3. Apegarse. Culpepper atornilla la pieza flexible a la base de aluminio de su máquina. Un giro de una de las perillas largas que sobresalen de los lados mueve el accesorio adyacente en forma de arandela en unos pocos micrómetros. Con estas perillas, Culpepper puede ajustar la forma del triángulo, ajustándolo a diferentes tareas. Podemos hacer que tenga un rango de movimiento más grande o más pequeño, o una resolución más fina, explica, para que la gente no tenga que gastar varios miles de dólares solo para hacer una tarea.

4-5. Motores primarios. A continuación, Culpepper conecta la base a tres actuadores, los componentes que empujan y tiran de las pestañas flexibles a la orden. Cada actuador consta de cilindros de aluminio envueltos en alambre de cobre enrollado a mano. En el interior hay piezas largas en forma de varilla rematadas en los extremos con fuertes imanes. Cuando la corriente pasa a través de los cables, crea un campo magnético dentro del actuador, empujando los imanes y el mecanismo hacia un lado u otro, o hacia arriba y hacia abajo.

6. Cuidado con la brecha. En la parte superior del dispositivo, Culpepper arregla una pieza voluminosa llena de cables. Esta corona de aluminio tricornered contiene seis sensores de capacitancia cilíndricos que monitorean con precisión el movimiento del escenario. Culpepper está contemplando un sistema de medición láser más compacto para versiones futuras. Puede moverse sin los sensores, agrega, pero en los niveles de precisión que buscamos, es fundamental medir.



7. Funcionamiento silencioso . Con el nanomanipulador ensamblado y conectado, Culpepper se acerca a la computadora para probarlo. No es mucho para ver a simple vista, pero mientras escribe comandos en el teclado, el escenario del manipulador realiza una rutina de contorsión a nanoescala. Culpepper vigila los números, atento a las perturbaciones inesperadas. Las vibraciones del aire provocadas por conversaciones de voz ordinarias pueden alterar la posición del escenario, aunque el diseño estructural cuidadoso ha minimizado este efecto. Los instrumentos de laboratorio que incorporan el manipulador, que Culpepper comenzará a diseñar este otoño, estarán completamente protegidos de estos temblores. Los nanotecnólogos que recortan cupones pronto tendrán motivos para celebrar.

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