Nanotecnología en cifras

En su pequeño cubículo en Nanomix, una compañía de nanotecnología en Emeryville, California, al otro lado de la bahía de San Francisco, el físico teórico Seung-Hoon Jhi observa un modelo de computadora de un tanque de combustible de hidrógeno, siguiendo cuidadosamente el movimiento de moléculas individuales. A medida que eleva la temperatura de una lámina simulada de átomos de boro y nitrógeno de 50 Kelvin fríos a 80 Kelvin ligeramente menos fríos, observa la reacción de un puñado de moléculas de hidrógeno que salpican su superficie. La hoja de nitruro de boro se ondula, pero las moléculas de hidrógeno se mantienen firmes. Es una señal alentadora en un experimento virtual que puede haber ahorrado semanas o meses de minuciosas pruebas experimentales en el esfuerzo de Nanomix por desarrollar materiales de almacenamiento de hidrógeno más eficientes para automóviles con celdas de combustible.

Es soñar cibernético, por supuesto. Pero Jhi y sus colegas de Nanomix confían tanto en la veracidad de este modelo computarizado, elaborado a partir de cálculos precisos del comportamiento de los átomos individuales, que están utilizando las simulaciones para diseñar y probar materiales que nunca antes se han fabricado: materiales cuyo pedido a escala nanométrica (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro) puede producir propiedades útiles en aplicaciones que van desde sensores ultrasensibles hasta pantallas planas y revestimientos furtivos para aviones de guerra. Al final del pasillo, a menos de 15 metros del cubículo de Jhi, los experimentadores de la compañía están ocupados trabajando en el laboratorio para sintetizar los resultados más prometedores del modelado.

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2002

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Si bien Nanomix es solo una de varias nuevas empresas que esperan explotar los nanomateriales, la compañía apuesta a que tiene una ventaja: la habilidad de diseñar virtualmente los materiales, sin siquiera mover un vaso de precipitados, y luego ir al laboratorio y hacerlos. . Sus cofundadores, el físico teórico Marvin Cohen y el físico experimental Alex Zettl, ambos de la Universidad de California, Berkeley, han estado colaborando en dicha alquimia durante más de una década. Ahora esperan aprovechar esa experiencia como base para un negocio de nanotecnología. Nuestro objetivo es tener los primeros nanocomponentes funcionales en el mercado, dice Charles Janac, CEO de Nanomix.

Diseñar materiales en computadoras ha tentado a los investigadores industriales durante más de una década. En teoría, al menos, la idea es bastante simple: usando las reglas de la mecánica cuántica es posible calcular el comportamiento de los electrones que giran alrededor de un átomo. Con suficiente poder de cómputo, uno debería poder usar tales cálculos para diseñar un material átomo por átomo, construyendo propiedades deseables ajustando el perfil electrónico. El problema es que las propiedades de los materiales resultan de las interacciones de una gran cantidad de átomos. E incluso las supercomputadoras más poderosas de la actualidad luchan con cálculos cuánticos que involucran más de quinientos o seiscientos átomos, lo que limita severamente la capacidad de diseñar nuevos materiales.

Pero los nanomateriales, que a menudo son moléculas aisladas, o moléculas cuyas propiedades surgen de interacciones limitadas, son un objetivo mucho más fácil para las computadoras. De hecho, en muchos sentidos, el modelado cuántico se está convirtiendo en una forma ideal de explorar el mundo nano. El poder predictivo del modelado nano, dice James Tour, químico e investigador líder en nanotecnología de la Universidad Rice en Houston, está resultando ser tremendo.

Nanomix cree que es precisamente este poder predictivo el que le permitirá revolucionar el descubrimiento de nanomateriales. Gracias a una ventaja de sus simulaciones por computadora, la compañía, que comenzó en 2000, ya está diseñando pequeños sensores de gas que usan nanotubos de carbono (moléculas de solo unos pocos nanómetros de ancho, con paredes de un átomo de espesor) para detectar gases peligrosos. Para fines del próximo año, Nanomix planea comenzar a vender estos sensores basados ​​en nanotubos para detectar los vapores de gasolina que protegen las refinerías, plantas químicas y estaciones de tuberías de fugas. Cada sensor debería costar 10 veces menos que un detector de fugas convencional y funcionar durante un año con la pila de un reloj. Vinculados a transmisores inalámbricos no más grandes que sellos postales, podrían esparcirse por decenas de miles, cubriendo una instalación industrial, o metidos en válvulas propensas a fugas para detectar sellos defectuosos, algo que no es posible con sensores convencionales mucho más grandes y más caros.

Al mismo tiempo, Nanomix está elaborando diseños para nuevos nanomateriales para el almacenamiento de combustible de hidrógeno, materiales con una capacidad aún mayor para almacenar hidrógeno que las hojas de nitruro de boro en la pantalla de Jhi. Si estos materiales se convierten en realidad, podrían aumentar drásticamente el rendimiento de los automóviles con celda de combustible, lo que finalmente haría que los automóviles que funcionan con combustible de hidrógeno sean comercialmente prácticos. La compañía también ha comenzado a reflexionar sobre cómo se podrían usar nanomateriales novedosos, como los nanotubos, en pequeños dispositivos informáticos.

Los nanomateriales para pilas de combustible y nanocomputadoras probablemente tardarán años en desarrollarse. Pero Nanomix cree que su plan para comenzar a vender sensores y otras aplicaciones tempranas de la nanotecnología lo convertirán en un negocio viable mucho antes. La gente sigue diciendo que la nanotecnología está muy lejos, y es en el sentido de que es una tendencia a largo plazo que tendrá un gran impacto en la economía mundial. Pero faltan solo 18 meses para algunas de las primeras aplicaciones, predice Janac.

Sintiendo el éxito

Inventar un nuevo material, digamos un nuevo polímero o aleación de metal, nunca ha sido fácil y, a menudo, es más un caso fortuito que un diseño teórico. Incluso en las principales instalaciones industriales, como el laboratorio de investigación central de DuPont, que ha inventado muchos de los polímeros y materiales de alta tecnología más importantes de la actualidad, el proceso es a menudo un intento de acertar o fallar gobernado más por los instintos de los experimentales que por las predicciones calculadas de teóricos. Sin embargo, a nanoescala, los instintos de los investigadores a menudo comienzan a fallar, cuando las extrañas reglas del mundo cuántico toman el control. Estamos entrando en áreas donde nuestra intuición, que a menudo se basa en nuestras experiencias previas, es realmente bastante deficiente, dice Ed Wasserman, asesor científico de la investigación y el desarrollo central de DuPont.

Sin embargo, es un lugar donde los físicos cuánticos teóricos se sienten como en casa, un reino donde pueden jugar a ser dioses, creando nuevos materiales simplemente barajando los átomos. Uno de esos dioses es el cofundador de Nanomix, Cohen, un pionero en el modelado cuántico. En la década de 1960, Cohen tuvo la idea de que, dado que solo los electrones más externos de un átomo interactúan para dar a un material sus propiedades, es posible simplificar en gran medida los cálculos necesarios para las simulaciones al tratar solo con esos electrones. Este atajo matemático revolucionó el modelado mecánico cuántico. Si haces un cálculo de todos los electrones, es casi como tratar de encontrar el peso del capitán de un barco pesando el barco y luego pesando al capitán con el barco, explica el físico de Berkeley Steven Louie, asesor de Nanomix. Básicamente, al pesar al capitán directamente, el software de Cohen ahora hace que sea práctico usar una PC para generar rápidamente predicciones sobre nanomateriales con combinaciones novedosas de propiedades electrónicas, magnéticas y de manejo de la luz.

Pero Cohen también se dio cuenta de que tales simulaciones son tan reales como las habilidades de los experimentadores del pasillo. Entonces, a principios de la década de 1990, comenzó a colaborar con colegas de Berkeley, como Alex Zettl, que tenían experiencia en la síntesis de materiales novedosos. El descubrimiento, y la síntesis real, de nanotubos de nitruro de boro en 1994 fue uno de los primeros éxitos. Cohen, reflexionando sobre la estructura atómica de las láminas de nitruro de boro, se dio cuenta de que debería ser posible enrollar las láminas para formar moléculas cilíndricas. Otros investigadores habían hecho recientemente tubos moleculares similares a partir de carbono, pero nadie había extendido la técnica al boro y al nitrógeno. Cohen y sus estudiantes pusieron en marcha sus modelos y calcularon que los nanotubos de nitruro de boro no solo serían estables sino que exhibirían propiedades eléctricas interesantes. En un año, el experimentalista Zettl había encontrado una manera de fabricar los nuevos nanotubos y había afirmado las propiedades predichas.

Un buen truco científico, seguro, pero ¿cómo convertir ese tipo de magia de la física en un negocio?

El desafío inmediato para los investigadores de Nanomix es perfeccionar los sensores que Janac ha prometido comenzar a vender el próximo año. Hasta ahora, los teóricos de Nanomix han identificado los tipos específicos de nanotubos que reaccionarían de manera más sensible a los hidrocarburos que pueden penetrar refinerías, plantas químicas y tuberías. También han predicho cómo cada gas alteraría la conductancia a través de los tubos, proporcionando una huella de voltaje que lo identificaría. Ahora los experimentadores deben descubrir cómo producir en masa los dispositivos basados ​​en nanotubos. Y deben entregar un producto lo suficientemente confiable como para salvaguardar la vida de los operadores de la planta.

Ese tipo de desarrollo de un nuevo material puede llevar fácilmente una década. Pero si Nanomix, utilizando su modelado y experiencia teórica para atajar el proceso, puede lograr el truco en el próximo año más o menos, validará su estrategia para la nanoinvención. También abrirá la puerta a todo un mundo de sensores. Para empezar, Nanomix debería poder adaptar sensores de nanotubos para detectar casi cualquier gas, desde el monóxido de carbono hasta los compuestos utilizados en las armas químicas. Y la compañía está patrocinando una investigación académica destinada a ajustar los nanotubos para detectar el olor bioquímico de la enfermedad, medir los niveles de insulina en los diabéticos o detectar antígenos que indiquen una infección. Los nanotubos son la plataforma de detección definitiva, afirma Janac. No necesita más que la sensibilidad de una sola molécula, su consumo de energía será de nanovatios y, en términos de tamaño, no puede ser más pequeño, al menos en el futuro previsible, que un nanotubo. Creemos que vamos a revolucionar el negocio de los sensores con esta arquitectura.

Nano dólares

Pero los desafíos técnicos no son las únicas presiones a las que se enfrenta Nanomix. La empresa no solo está compitiendo para llevar un producto nano al mercado, sino que debe vencer a la competencia del grupo relativamente pequeño de fondos de capital de riesgo disponible para las nuevas empresas de nanotecnología. Entre muchos expertos, el entusiasmo por las perspectivas de la nanotecnología puede estar aumentando, pero la voluntad de los inversores de invertir dinero en tecnologías altamente especulativas no está creciendo tan rápido. Lo que significa que Nanomix, al igual que otras empresas jóvenes de nanotecnología, debe luchar no solo para responder a preguntas científicas abrumadoras, sino simplemente para sobrevivir.

Alta Partners, con sede en San Francisco, otorgó fondos iniciales a Nanomix en 2000 y, hasta el año pasado, Nanomix había recaudado $ 4.5 millones. Pero desde entonces, ha sido difícil encontrar fondos adicionales, ya que los capitalistas de riesgo se han vuelto cautelosos tras la crisis económica del año pasado. Ha sido un trabajo largo conseguir que otras personas inviertan, dice Peter Schwartz, socio de Alta.

Irónicamente, son exactamente las fortalezas de Nanomix, un sólido pedigrí académico y experiencia teórica, las que pueden obstaculizar a la empresa frente a posibles inversores que desconfían de un campo donde los resultados a menudo suenan más a investigación básica que a productos viables. Y el grupo de teóricos de Nanomix hace que sea especialmente fácil confundir la empresa con un laboratorio de investigación básica.

La presión ha llevado a Nanomix a poner un énfasis a corto plazo en el desarrollo de productos a expensas de los esfuerzos de la empresa en física teórica. Pero aunque Cohen puede aceptar la necesidad inmediata de sacar un producto por la puerta para ganar respaldo financiero, sigue comprometido con su sueño: una empresa que invente y comercialice nanomateriales combinando el modelado cuántico y la teoría con la experimentación hábil. Es un sueño lleno de materiales exóticos, limitado solo por las reglas de la física y la inteligencia de sus practicantes.

Al igual que muchos investigadores de nanotecnología, Cohen y sus colegas científicos de Nanomix están convencidos de que los nanomateriales tendrán aplicaciones no solo en la detección y el almacenamiento de hidrógeno, sino en dispositivos electrónicos mil veces más pequeños que los transistores de silicio actuales, lo que hará posible computadoras ultrarrápidas y ultrapequeñas. Los circuitos liliputienses con miles de millones de nanocomponentes pueden estar todavía en el futuro, pero los investigadores de Nanomix ya están pensando en los nanomateriales que podrían hacerlos realidad.

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