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Los átomos de oro entran en el circuito

Los descubrimientos en el área de nanocables impulsan la investigación de chips para computadoras que operan a escala molecular

Solamente en raras ocasiones la teoría y la experiencia se han integrado tan bien. El día 17 de diciembre del año pasado, tres físicos brasileños suscribieron el artículo de la portada de la revista Physical Review Letters, una de las más importantes publicaciones especializadas en física del mundo. En cuatro páginas, los investigadores describen los descubrimientos sobre el comportamiento de los átomos de los nanocables de oro, estructuras que miden milmillonésimas de metro y constituyen un material estratégico para la fabricación de componentes para la próxima generación de computadoras, que en las próximas décadas ocuparán el lugar de las actuales, construidas a base de silicio. Los resultados se asientan sobre los datos acumulados desde el día 20 de octubre de 1999, cuando investigadores del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón de Campinas ajustaron el foco de un microscopio electrónico de alta resolución, con un poder de ampliación de 1,2 millones de veces, y observaron por primera vez la rotura de los nanocables de oro.

Ésta es probablemente la primera vez que la revista le concede su espacio más importante a un trabajo de investigadores brasileños. En las cuatro páginas del artículo, intitulado How Do Gold Nanowires Break? (¿Cómo se rompen los nanocables de oro?), Edison Zacarias da Silva, de la Universidad de Campinas (Unicamp), Adalberto Fazzio y Antônio José Roque da Silva, ambos de la Universidad de São Paulo (USP), muestran por medio de una simulación en computadora la formación y la evolución de las estructuras que aparecen en el cable de oro antes y después de la rotura. La secuencia, descrita paso a paso, exhibe una minuciosidad imposible de obtenerse en el microscopio electrónico, dadas las proporciones del propio átomo, incluso el de oro, de porte intermedio, con 79 electrones alrededor del núcleo, y las limitaciones de los equipos. “Queríamos contribuir a la interpretación de los experimentos y entender los mecanismos involucrados en el proceso dinámico que lleva a la formación de la línea de átomos y finalmente a su rotura”, dice Zacarias.

El conocimiento de estos procesos es importante por una razón fundamental: el oro, debido a sus características –sobre todo por su capacidad de no reaccionar en presencia de oxígeno y de poder estirarse ampliamente sin partirse, la llamada ductilidad–, es visto como el mejor material para la construcción de los contactos eléctricos entre los nuevos dispositivos que se crearán para sustituir a los chips de silicio, el material básico de las actuales computadoras. Estas perspectivas se apoyan en los descubrimientos realizados durante la década del 90, en el sentido de que las moléculas logran conducir electricidad de igual manera que los cables y los propios semiconductores.

Las máquinas de hoy ya están siendo vistas como objetos en vías de extinción. “La física del silicio, en la cual se basan todas las computadoras actuales, tiene sus días contados”, comenta Fazzio. “Tal vez la miniaturización basada en el silicio perdure por otros 10 ó 15 años, pero difícilmente pase de eso”. En un artículo publicado también en diciembre en la revista Nanotechnology, Ramón Campañó, director general del programa europeo de desarrollo de nanocircuitos, sostiene que la llamada Ley de Moore, según la cual la capacidad de los microprocesadores se duplica en períodos de entre 18 y 24 meses, fue válida durante 30 años, pero ya no se puede mantener.

Rapidez y velocidad
Una de las formas más utilizadas para elevar la rapidez y la velocidad de las computadoras ha sido la de disminuir el tamaño de los transistores, las unidades que procesan las informaciones. Actualmente, caben cerca de 40 millones de transistores en un chip del tamaño de una estampilla postal. Cada uno de éstos es 60 mil veces mayor que una molécula –un indicativo de que no será fácil pasar de la microelectrónica a la nanoelectrónica, en la cual la información corre en una dimensión de milmillonésimas de metro, de un átomo a otro (un nanómetro corresponde a la milmillonésima parte de un metro). Se imagina que, cuanto menor, mejor. Los chips de la próxima generación serán centenas de veces menores que los actuales. Se calcula que sus dimensiones permanecerán en la franja que va de los 10 a los 1.000 angstrons como máximo –un angstron es la decimamilmillonésima parte de un metro, el equivalente al diámetro de un átomo medio.

Es probable que, en los contactos para la transmisión de la corriente eléctrica, la computadora de las próximas décadas adopte por lo menos una de las formas de las puntas de los nanocables, la que representa uno de los principales hallazgos científicos del trabajo de los investigadores de la USP y la Unicamp: el “sombrero francés”, como fue bautizado por los investigadores. Es un ordenamiento de átomos en forma de trapecio, con dos hexágonos (cada punto corresponde a un átomo) en los costados y uno en la base, que parece un sombrero hecho con una hoja de papel de diario doblada, como los que usaban los niños antiguamente en sus juegos. Los físicos concluyeron que se trata de una de las formas más estables del nanocable de oro, que se forma momentos después de la rotura.

Este trabajo pone en evidencia el valor científico de la simulación computacional, la técnica que permitió el análisis del comportamiento de los átomos. A partir de los cálculos realizados en las computadoras del Centro Nacional de Procesamiento de Alto Desempeño (Cenapad) de Campinas, analizados e visualizados en las estaciones de trabajo de la Unicamp y de la USP, los físicos pudieron no solamente reproducir y explicar con admirable precisión los resultados que emergen de la observación directa de los átomos en el microscopio, sino que también obtuvieron nuevas informaciones sobre formas inusitadas de organización de los átomos, a ejemplo del propio sombrero francés, que escapa a la observación experimental.

Con estos resultados, los físicos abrieron simultáneamente una amplia puerta para una nueva actuación de la simulación en la computadora, que puede también anticiparse a la propia experimentación y permitir, entre otras cosas, una economía de tiempo y dinero: tal como los químicos y los biólogos, que se valen actualmente de las computadoras para proyectar medicamentos molécula por molécula en el área de la investigación acuñada en la alquimia virtual, los físicos en breve podrán reunir condiciones para proyectar materiales a escala atómica. La manipulación de los átomos y la construcción de moléculas constituyen la esencia de la nanotecnología, un área de frontera que moviliza al mundo (lea el recuadro que está debajo).

En física, uno de los principales frentes de la nanotecnología es precisamente la sustitución del silicio. En su lugar, de acuerdo con las investigaciones en marcha, pueden usarse nanotubos de carbono y moléculas orgánicas como los fulerenos o buckyballs, moléculas de forma geodésica formadas por 60 átomos de carbono. Y los descubrimientos se intensifican. En agosto del año pasado, investigadores de IBM anunciaron un circuito semiconductor hecho con nanotubos de carbono. En noviembre, la revista Science noticiaba el desarrollo de transistores armados con moléculas orgánicas unidas por puntas de oro.

El artículo de diciembre sobre los nanocables no fue el único de los investigadores de la USP y de la Unicamp publicado en Physical Review Letters, aunque sí el de mayor relevancia. En el año 2001, el grupo encabezado por Fazzio publicó otros dos trabajos en esa misma revista sobre las propiedades electrónicas y estructurales de los materiales, amén de alrededor de 20 en revistas internacionales en colaboración con investigadores de la Unicamp y de las Universidades Federales de Santa Maria (UFSM), en Río Grande do Sul, y de Uberlândia (UFU), en Minas Gerais.

Otros descubrimientos brasileños sobre los nanocables de oro –construidos en cámaras de vacío ultraalto– ganarán visibilidad en los próximos meses, también en la Physical Review Letters. En un artículo que ya fue aceptado para su publicación, On the Origin of Anomalous Long Interatomic Distances in Suspended Gold Chains (El Origen de la Anómalas Distancias Interatómicas Largas en las Cadenas Suspendidas de Oro), Daniel Ugarte y Varlei Rodrigues, del LNLS, en colaboración con Sérgio Legoas y Douglas Galvão, de la Unicamp, explican por qué la distancia entre los átomos en los nanocables de oro es mayor que aquélla que existe en el oro usado en la fabricación joyas, por ejemplo.

De acuerdo con los cálculos del grupo, en los nanocables pueden existir átomos de carbono entre los de oro, de manera tal que la distancia sería mayor que en el oro común. Los intrusos justificarían incluso distancias extremadamente largas, de 5 angstrons, mientras que para distancias de entre 3 y 3,6 angstrons pueden coexistir situaciones con y sin carbono: los nanocables contaminados y los limpios. En ese caso, todo se resuelve matemáticamente, porque es imposible identificar al carbono: al tener una masa mucho menor que la del oro (tiene apenas seis electrones y seis protones en el núcleo), éste es transparente en el microscopio electrónico de transmisión.

Desde 1998 se estaba buscando una explicación para esas distancias interatómicas mayores que las esperadas. Fue precisamente ese año que investigadores de Japón descubrieron que la distancia entre los átomos de oro en los nanobcables, cuando uno se alinea junto al otro, momentos antes de soltarse, puede llegar a los 3,6 angstrons –mientras que en el oro normal, el de las joyerías, es de 2,9 angstrons.

Al año siguiente, el equipo del Centro de Microscopía Electrónica de Alta Resolución del LNLS, que trabaja con nanocables de oro, plata y platino desde 1995, consiguió reproducir el hallazgo de los japoneses y fue más allá. En un artículo publicado en 2000 en Physical Review Letters, el grupo del LNLS mostró por primera vez que, antes de la rotura, los nanocables de oro asumen solamente tres formas, cada una de las cuales manifiestan comportamientos mecánicos diferentes. Dos de esas formas son dúctiles: los nanocables son fácilmente estirados, como si fueran goma de mascar. Y una de ellas es quebradiza: el nanocable se rompe fácilmente cuando se lo estira. “Estos resultados fueron relacionados exitosamente con las propiedades de resistencia eléctrica, no entendidas hasta entonces”, comenta Rodrigues.

Los misterios se develan, pero el mundo nanométrico continúa siendo intrigante, enteramente imprevisible. A esa escala, los nanocables no obedecen a la clásica Ley de Ohm, uno de los pilares básicos de la microelectrónica, según la cual la intensidad de la corriente eléctrica varía linealmente, a una escala regular, de acuerdo al diámetro del cable. “En el caso de los nanocables”, explica Ugarte, “la corriente presenta niveles separados por saltos, es decir que, mientras variamos el diámetro del cable, la corriente permanece a un valor fijo (a un mismo nivel), y de repente da un salto a otro nivel”.

La Plaza de la Catedral
En una analogía, es como si los electrones se convirtieran en personas que tienen que atravesar un espacio y entregar un paquete, que es la corriente eléctrica. En un primer momento, que equivale para la escala microelectrónica y, de una manera más amplia, para cualquier cable eléctrico, los “electrones personas” se mueven con dificultad en medio de una multitud en la Plaza de la Catedral (Praça da Sé), en el centro de São Paulo. El número de “electrones personas” que logra llegar al otro lado depende del tamaño de la plaza: si ésta es mayor, el número de cargas transportadas también crecerá de manera continua. La entrada de una mayor cantidad de portadores de paquetes no es percibida –y siempre cabe uno más. En el segundo momento, a escala nanométrica, los “electrones personas” deben atravesar pasillos, en los cuales pueden avanzar libremente. Pero en cada corredor cabe solamente un “electrón persona” por vez. Primero va uno y después otro, sucesivamente. Solamente puede avanzar más de un “electrón persona” al mismo tiempo si existen más pasillo –y solamente es posible percibir que se ha alterado la cantidad de cargas transportadas cuando el espacio crece exactamente en la proporción de un pasillo. La cantidad de paquetes (corriente eléctrica) aumenta de manera discontinua, a los saltos, a medida en que los “electrones personas” llegan a los pasillos. Los físicos denominan cuantización a ese avance a saltos, que ya ha sido observado experimentalmente.

En los últimos años, otros grupos intentaron entender el comportamiento de los átomos ya dispuestos en línea, momentos antes de la rotura, pero esto no fue gratificante. Los físicos de la USP y de la Unicamp optaron por una estrategia de manos llenas, si es que vale la expresión en el caso de objetos tan minúsculos. “Buscamos una forma más realista: el propio nanocable, imaginando que los átomos, de alguna manera, deberían guardar el recuerdo de una estructura a la cual pertenecieron”, dice Roque da Silva.

Los átomos, que se muestran reales – en la forma de puntos negros – en los microscopios del LNLS, son representados por tablas de números que salen de las computadoras e indican sus posiciones relativas a lo largo del tiempo. Solamente después de efectuados todos los cálculos, al final del trabajo, asumen la forma, innegablemente más comprensible, de bolitas coloridas.

En la simulación por computadora, los físicos partieron de una estructura análoga a la del cristal de oro, con un átomo en cada vértice de un hexágono regular y otro en el centro, que es la configuración más compacta posible, con el mayor número posible de elementos por unidad de espacio. Cada hexágono forma un plano. La empaquetadura de esas figuras compone el cristal, representado en la simulación en la computadora por una estructura global de diez planos con 70 átomos.

Luego los investigadores dejaron que la estructura se reconstruyera de acuerdo con las ecuaciones de la mecánica cuántica, con los átomos buscando espontáneamente las posiciones de menor energía. La redistribución de los átomos origina el nanocable, una estructura tubular extremadamente delgada, cuya superficie, densa y compacta, compuesta por las células de siete átomos, constituye la configuración de mayor empaquetado atómico posible –no existe otra forma geométrica que permita poner más átomos en el mismo espacio.

Después de indicarle las coordenadas para la formación del cristal, la única orden que los investigadores le dieron a la computadora fue la de aplicar una fuerza de tracción sobre las dos puntas, como si dos manos tiraran del cable, a una temperatura de aproximadamente 300 grados centígrados. Se simuló de esa manera el estiramiento del nanocable, que en el primer momento evita el rompimiento inmediato sacrificando su propio relleno: los átomos del centro saltan hacia la superficie. Como resultado, el largo del cable aumenta. “Nunca antes nadie había visto que un cable quedara hueco”, comenta Roque da Silva.

 La simetría perdida
Cuando todos los átomos del interior se agotan, el nanocable se ve en un callejón sin salida: o se rompe o se afina. Opta por afinarse y deja de ser un hexágono en un punto no especificado, aunque todavía busca preservar estructuras triangulares entre los átomos. En ese punto, surge un nuevo plano, el décimoprimero, con apenas cinco átomos. Se forma allí un defecto, una región de inestabilidad: es allí que el cable va a afinarse y después va a romperse.

En la porción no defectuosa del cable, la simetría hizo que, pese a ser traccionada, la estructura se mantuviera. En la región de inestabilidad, la deformación prosigue. De acuerdo con los análisis realizados, la estructura pasa por diversos estadios hasta llegar a la configuración de un solo átomo uniendo dos puntas. En ese estadio, los cables de metales como el sodio se romperían, pero no así el de oro: la ductilidad de este metal noble le confiere al cable una sobrevida, con la región crítica incorporando nuevos átomos, tirados por las puntas, en una secuencia lineal.

Esta línea atómica, cuyos átomos llegan a permanecer un 15% más distantes que en el cristal de oro, se sostiene hasta incorporar tan solo cuatro o cinco átomos –las distancias entre ellos también fueron verificadas y, nuevamente, coincidieron con los resultados experimentales. Pero los átomos alineados no se sostienen: las tensiones se vuelven insoportables y el cable se rompe. Para los investigadores, una de las preocupaciones fue entender precisamente las estructuras que se forman en las inmediaciones del punto de ruptura –son éstas las que posibilitan el contacto del cable de oro con los nanodispositivos y le confieren la perspectiva de aplicación tecnológica. En este momento, inmediatamente después que el hilo se rompe, las dos puntas resultantes, con configuraciones muy simétricas y estables, forman la estructura denominada sombrero francés. De esta manera, tan grande es la estabilidad que, según Roque da Silva, ningún átomo logró ya salir de la punta para entrar en el cable que aún crece. La constatación es sugestiva. “Puede ser que toda vez que se tire del cable se forme el sombrero francés en las puntas”, piensa Da Silva.

Amplio alcance
Aunque actualmente la simulación en computadora tiene como prioridad el estudio de fenómenos a escala atómica, ésta generalmente tiene aplicaciones más amplias. En uno de los artículos publicados el año pasado, Roque da Silva, Fazzio, el doctorando Gustavo Dalpian y Anderson Janotti, ex doctorando de la USP, simulan un experimento realizado en un microscopio de tunelamiento electrónico, para entender cómo los átomos de germanio se acumulan en la superficie del silicio –una vez más, solamente por medio de la práctica no había sido posible entender algunas estructuras que se forman tras esa deposición. Los resultados a los que llegaron favorecen tanto a la microelectrónica actual como al perfeccionamiento de las células solares, utilizadas como fuente de energía eléctrica.

En este momento, los investigadores estudian el transporte de corriente eléctrica entre los nanocables de oro y los nanotubos de carbono, por ejemplo. Más allá, evidentemente, de los descubrimientos que puedan realizar sobre el comportamiento de los átomos, de carácter puramente científico, la aplicación de los resultados también los inquieta. “Contamos con los algoritmos para solucionar las ecuaciones de la mecánica cuántica lo que nos brinda confianza para el diseño de nuevos materiales en la computadora y en la planificación de experimentos más baratos, con resultados también bastante confiables”, comenta Fazzio. “La simulación computacional puede ser decisiva en el estudio de nanomateriales, no solamente en la nanoelectrónica, sino también en la nanoquímica y en la nanobiología. Brasil perdió la oportunidad de tornarse independiente en el área microelectrónica; casi no produce chips, pero aún tenemos alguna chance en el área nanotecnología, porque nadie sabe exactamente qué material sustituirá al silicio. Éste es el momento de hacer la elección.”

Evidentemente, no basta únicamente con la ciencia fundamental. Es por esta razón que Fazzio considera indispensable el compromiso de los ingenieros y de la empresas en el nanomundo, ya que el guión científico está pronto. Teóricamente, partiendo del conocimiento detallado de la geometría de las puntas de los nanocables de oro, se puede pensar en aplicar una diferencia de potencial eléctrico (cargas más intensas de un lado y menos intensas del otro) entre los cables. El dispositivo funciona como un transistor de una sola molécula, a través del cual pasa un solo electrón (la carga eléctrica mínima) por vez. Si el paso del electrón es asociado al número 1 y el no paso al número 0, estarán creadas las condiciones mínimas para que el sistema opere en un lenguaje binario. Aunque se esté todavía lejos de comprender toda la física implicada en el proceso, es posible imaginar su implicaciones prácticas: un conjunto de esos dispositivos puede componer el futuro nanochip.

Los cuatro centros de la nanorred brasileña

Comienzan a operar este año los cuatro centros de investigación seleccionados en diciembre por el Programa Nacional de Nanociencias y Nanotecnología, creado por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y lanzado en noviembre de 2000 para definir los rumbos de actuación del país en un área considerada estratégica. El primero de éstos se encuentra en la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), será coordinado por Israel Baumvol e incorpora las propuestas del LNLS y del grupo de la Universidad Federal de Minas Gerais; otro está centrado en la Unicamp, encabezado por Nélson Durán; los dos otros están en la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE), coordinados por Eronides Felisberto da Silva Junior y Oscar Loureiro Malta.

Los centros deberán funcionar en red, en conjunto con unas 40 instituciones de investigación de Brasil y seis del exterior, además de dos empresas (France Telecom y PQSD – Ponto Quântico Sensores e Densímetros), en actividades que incluyen el desarrollo de nanotubos de carbono, cerámicas, materiales semiconductores, filtros moleculares y medicamentos. Son objetivos tan amplios como la propia nanotecnología, un área que prevé, por ejemplo, la creación de adhesivos que puedan pegar punto por punto una superficie a otra y drogas que actúen en el organismo con una precisión inimaginable.

“Por lo menos no seremos espectadores”, afirma Celso Pinto de Melo, coordinador del programa nacional e investigador de la UFPE. “Estamos en condiciones de entrar en ese juego”. Según Pinto de Melo, Brasil invertirá este año alrededor de 3 millones de reales (poco más de un millón de dólares) y adoptará una estrategia similar a la del modelo alemán que, con un presupuesto del orden de las decenas de millones de dólares, resolvió crear o consolidar centros de excelencia en las principales vertientes de la nanotecnología. Estados Unidos está en busca del liderazgo, con recursos crecientes para las investigaciones en nanotecnología: 270 millones de dólares en 2000, 422 millones en 2001 y 520 millones de dólares (sujetos aún a aprobación) en 2002.

Otra iniciativa brasileña es la estructuración del Centro Nacional de Referencia en Nanotecnología. Cylon Gonçalves da Silva, que hasta julio del año pasado dirigía el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón, sostenido por el Ministerio de Ciencia y Tecnología, es quien se encarga de su planificación, y pretende concluirla durante este semestre. Según Da Silva, el centro actuará en pocas áreas, que puedan conectar a las instituciones de investigación y a las industrias, de manera tal de ayudar al desarrollo económico del país. “Tenemos la habilidad para unir la investigación teórica y la experimental”, dice. “El desafío es hacer que la investigación fundamental y la innovación caminen juntas”. El centro, cuya estructuración cuenta este año con recursos del orden de los 3 millones de dólares, comenzará a operar en 2003.

El deseo de los físicos

Todos los físicos del mundo desean ver su investigación publicada en la Physical Review Letters, o sencillamente la PRL, una de las más importantes –sino la más importante– revista científica en dicha área. Pero eso no es nada fácil. El prestigio de esa publicación, editada por la American Physical Society (APS), de Estados Unidos, se basa en una rigurosa selección de los artículos. “Physical Review Letters solamente acepta trabajos que representen efectivamente avances relevantes”, reitera José Roberto Leite, presidente de la Sociedad Brasileña de Física (SBF). Desde 1988, el índice de aceptación de trabajos para su publicación oscila entre un 37% y un 41% anual. En 2001, salieron publicados 71 artículos de investigadores de instituciones brasileñas en la PRL. De dicho total, 30 eran de São Paulo.

La revista empezó a circular en 1º de julio de 1958, con el objetivo de divulgar los resultados de investigaciones de interés general para los físicos de cualquier área –desde la atomística a la cosmología. Y no paró más de crecer, alcanzando en 1999 el récord de artículos publicados en un año (2.800, seleccionados entre los 7.650 recibidos) y se apresta a superarlo este año, al prever la publicación de 3.100 artículos y de 11.800 páginas a lo largo de sus 52 ediciones. Su índice de impacto –que brinda una dimensión de la importancia de la revista en el medio científico, medida por el número de citas dividido por el número de artículos publicados– es de 6,10, uno de los más altos en el área de física.

No se recomienda llamar a la publicación tan solo Physical Review, a causa de las otras publicaciones de la American Physical Society, que publica también las Physical Review A, B, C, D y E, destinadas a la divulgación de resultados de investigaciones en áreas más específicas todavía: la Physical Review Special Topics y la Review of Modern Physics.

Los Proyectos
1. Centro de Microscopía Electrónica de Alta Resolución (96/04241-5); Modalidad: Programa de Infraestructura – Equipamiento Multiusuario; Coordinador: Daniel Mário Ugarte – Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón; Inversíon: R$ 5.075.635,07
2. Estudios de Materiales: Propiedades Electrónicas y Estructurales (98/16536-5); Modalidad: Línea regular de auxilio a la investigación; Coordinador: Adalberto Fazzio – Instituto de Física de la USP; Inversíon: R$ 143.061,48

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