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FÍSICA

Adiestramiento de nanotubos

En un experimento se emplean redes aleatorias de cilindros de carbono para realizar operaciones matemáticas

Evolución: pulsos eléctricos alineando nanotubos (en azul) sumergidos en cristal líquido con electrodos de oro (en amarillo)

Diogo Volpati/ IFSC/ USPEvolución: pulsos eléctricos alineando nanotubos (en azul) sumergidos en cristal líquido con electrodos de oro (en amarillo)Diogo Volpati/ IFSC/ USP

Imagínense un relojero chiflado que, en lugar de idear muelles, engranajes y analizar cómo encajar esas piezas para construir un reloj, trabajara con un método poco convencional, disponiendo las piezas en una caja y sacudiéndola hasta que las mismas se encajen y se conviertan en un mecanismo que funcione perfectamente. Algo similar fue lo que obtuvo un equipo de la Universidad de Durham, en Reino Unido, en un trabajo conjunto con el físico brasileño Diogo Volpati, del Instituto de Física de São Carlos, en la Universidad de São Paulo (USP). Los investigadores elaboraron un filme muy delgado valiéndose de un polímero (polimetacrilato de butilo) conteniendo un enmarañado de nanotubos de carbono, estructuras cilíndricas formadas por hojas de carbono de tan sólo un átomo de espesor enrolladas sobre sí mismas, un material de gran interés por sus propiedades eléctricas y mecánicas.

Con el filme listo, el equipo aplicó una secuencia de pulsos eléctricos en el material para alterar la capacidad de conducción eléctrica de los nanotubos y detectar cómo podría utilizarse la red para procesar informaciones. Los investigadores denominan a esa estrategia como “adiestramiento” del material. Ello permite trabajar con el filme de nanotubos para ejecutar una tarea que solamente logra un circuito electrónico de computadora: el procesamiento de señales eléctricas para la realización de operaciones lógicas.

“Se trata de un nuevo abordaje para la fabricación de nanodispositivos electrónicos, en la frontera entre la ciencia de la computación, la ciencia de materiales y la ingeniería eléctrica”, dice Volpati. “En lugar de montar placas de circuitos electrónicos para procesar información, nosotros ‘adiestramos’ a un material inicialmente desorganizado para que ejecute la tarea deseada”.

Este modo de producción de nuevos materiales que se comportan como circuitos electrónicos se inspira en la forma en que evolucionan los organismos vivos. En 2004, el físico Julian Miller, de la Universidad de York, en el Reino Unido, bautizó a esa estrategia como evolución en materiales (evolution in materio). La misma, permite la obtención de circuitos electrónicos sin necesidad de contar con un control total sobre el montaje de la estructura. Físicos, ingenieros y científicos de la computación consideran que la evolution in materio es uno de los caminos para superar un problema que inquieta a la microelectrónica: el límite de miniaturización de los chips de las computadoras. En las últimas décadas, la capacidad para procesar la información ha aumentado permanentemente porque se ha logrado tallar cada vez un mayor número de circuitos electrónicos en espacios cada vez menores. Pero se está alcanzando el punto en el que deja de ser físicamente posible manipular la materia para lograr una reducción aún mayor en los circuitos.

Ese es el objetivo de Miller y otros investigadores en el Proyecto de Ingeniería a Nanoescala para una Nueva Computación Empleando la Evolución (Nascence), que abarca a cinco universidades europeas y desde 2012 fomenta la colaboración entre científicos de la computación, físicos e ingenieros en la búsqueda de nuevos materiales y diferentes maneras de adiestrarlos.

Como experto en la fabricación y clasificación de nuevos materiales, Volpati recibió una invitación de Michael Petty, líder del grupo de Durham en el proyecto Nascence, para participar en los experimentos con el material elaborado con nanotubos de carbono mezclados con polímero. Bajo ciertas condiciones, los nanotubos pueden desempeñar el papel de hilos eléctricos microscópicos. Así, el enmarañado en el interior del polímero funciona como un circuito electrónico, aunque todo revuelto antes de que comience el experimento.

En las pruebas, un trocito del material se conecta a computadoras convencionales mediante una serie de electrodos. La función de algunos de ellos consiste en disparar pulsos eléctricos que representan los datos de entrada ‒una secuencia de números, por ejemplo‒ para un cálculo matemático. Esos pulsos atraviesan la red de nanotubos de carbono y son captados en el otro extremo. Los pulsos recogidos a la salida corresponden a la solución para el problema matemático.

Realineamiento
No obstante, como los nanotubos se encuentran desordenados, al comienzo de los experimentos la red desordena las señales eléctricas de entrada. Como resultado, los datos de salida brindan una respuesta errónea al problema. La capacidad para solucionar el problema mejora a medida que electrodos adicionales disparan señales eléctricas producidas por un programa de computadora cuyo objetivo consiste en identificar la configuración de pulsos eléctricos capaz de modificar la orientación espacial de los nanotubos. El trabajo de ese programa, al que se conoce como algoritmo evolutivo y se realiza mediante prueba y error, demora solamente algunos segundos y permite descubrir la mejor manera de orientar los nanotubos y procesar una determinada información en un conjunto de circuitos eléctricos con estructura desconocida.

Mediante la utilización de esa estrategia, Mark Massey, posdoctorando en la Universidad de Durham, Volpati y sus colegas, probaron diferentes composiciones de polímeros con nanotubos de carbono. En un artículo publicado en abril en la revista Journal of Applied Physics, ellos mostraron que el material sólo efectúa una determinada operación matemática si la concentración de nanotubos de carbono dispersos entre las moléculas del polímero varía entre 0,11% y 1%. “Tan sólo en esas concentraciones el material posee las propiedades físicas necesarias para la realización de la tarea”, explica Volpati.

El cálculo efectuado por el material en ese experimento fue bastante sencillo. El enmarañado de nanotubos realizó tan sólo tres tipos de suma: 0 + 0; 1 + 1; y 1 + 0. Entretanto, en 2014, el equipo de Petty ya había utilizado el mismo material para resolver un tema un tanto más complejo, al que se conoce como problema del viajante: determinar el camino más corto para que un representante de ventas recorra una serie de ciudades vecinas. El filme de nanotubos permitió resolver el problema hasta para 12 ciudades, dispuestas en círculo en un mapa. “Esas son las pruebas iniciales”, explica Volpati. “El desafío actual consiste en desarrollar una porción de material capaz de reemplazar la plaqueta de circuitos electrónicos que controla a un robot, por ejemplo”.

Una de las dificultades con que se topan los investigadores consiste en que los filmes de nanotubos de carbono son rígidos, con una seria limitación: el aprendizaje es pasajero. Sólo funcionan como circuitos electrónicos mientras los pulsos del algoritmo de búsqueda evolutivo se están aplicando. Cuando se desconectan esos pulsos, el material pierde las propiedades eléctricas que le permiten actuar como un circuito.

En otro artículo que se publicó este año en el Journal of Applied Physics, Volpati y sus colaboradores lograron sustituir la matriz rígida del polímero por una elaborada con cristal líquido. A diferencia de las moléculas del polímero, que no se mueven, las moléculas del cristal líquido se desplazan bajo la influencia de los pulsos eléctricos emitidos por el algoritmo evolutivo. “Los cristales líquidos alteran la orientación espacial de los nanotubos, modificando permanentemente las propiedades del material”, explica Volpati. “También demostramos que, una vez que orientamos los nanotubos en la dirección que deseamos, ellos no se mezclan más y el material no pierde su capacidad”. En la actualidad, los científicos intentan usar los nanotubos inmersos en el cristal líquido para realizar operaciones matemáticas.

Proyectos
1. Análisis espectroscópico de la orientación molecular en el volumen y en las interfaces de filmes delgados orgánicos depositados sobre diferentes superficies (nº 2012/ 09905-3); Modalidad Beca de Posdoctorado; Investigador responsable Osvaldo Novais de Oliveira Junior (IFSC-USP); Becario Diogo Volpati; Inversión R$ 168.972,87 (FAPESP).
2. Control molecular en filmes nanoestructurados de nanotubos de carbono (nº 2013/ 08864-4); Modalidad Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior – Posdoctorado; Investigador responsable Osvaldo Novais de Oliveira Junior (IFSC-USP); Becario Diogo Volpati; Inversión R$ 202.700,20 (FAPESP).

Artículos científicos
MASSEY, M. K.et al. Computing with carbon nanotubes: Optimization of threshold logic gates using disordered nanotube/ polymer composites. Journal of Applied Physics. v. 117, n. 13. 6 abr. 2015.
VOLPATI, D. et al. Exploring the alignment of carbon nanotubes dispersed in a liquid crystal matrix using coplanar electrodes. Journal of Applied Physics. v. 117, n. 12. 24 mar. 2015.

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