Los bloques de construcción a escala atómica que se han comparado con el Lego microscópico permiten a los investigadores jugar con las propiedades de los materiales comunes. y las posibilidades son tan grandes que podría mantener ocupados a los científicos durante los próximos 50 años.

De la Edad de Piedra a Silicon Valley, Los materiales han definido las capacidades tecnológicas de las civilizaciones.

El profesor Andre Geim de la Universidad de Manchester en el Reino Unido conoce bien la caja de herramientas disponible en la actualidad. En 2010, fue galardonado con el Premio Nobel de Física por extenderlo con una forma exótica de carbono conocida como grafeno.

A diferencia de los materiales de origen natural, el grafeno es una creación de la ciencia. Se desprende grafito en motivos de panal delgados como un solo átomo. Las leyes cuánticas que prevalecen en estas pequeñas escalas hacen que los electrones se muevan a través del grafeno de formas inusuales.

'El grafeno puede ser más fuerte que el acero, más conductivo que el cobre y tan transparente como el vidrio, dijo el profesor Geim. "No se parece a ninguna sustancia que se encuentre en la naturaleza".

Ahora, como parte del proyecto ARTIMATTER financiado por el Consejo Europeo de Investigación de la UE, El profesor Geim está adaptando la materia con características aún más extravagantes al apilar grafeno sobre otros materiales atómicamente delgados.

Mezclar y combinar capas bidimensionales hechas de diferentes elementos da lugar a propiedades físicas notables. Según el profesor Geim, la combinación correcta de bloques de construcción puede convertir los materiales aislantes en conductores, afina los colores que absorben, y sincronizar el comportamiento de los electrones en su interior.

Estas capacidades se derivan de profundas alteraciones en el comportamiento de los materiales. Aprovechado correctamente, podrían superar las barreras establecidas en la electrónica moderna, como reducir el tiempo de respuesta de los detectores de infrarrojos lejanos, o tal vez incluso manteniendo la superconductividad a temperatura ambiente.

Los novedosos bloques de construcción también proporcionan herramientas para probar teorías científicas y explorar nuevos fenómenos. Lo que aprendamos de sus excentricidades podría tener un impacto en la tecnología futura tan profundamente como la física de semiconductores ha transformado el sector de la informática y las telecomunicaciones en la actualidad.

Posibilidades infinitas

'Científicamente hablando, el grafeno está hecho. Ahora entendemos cómo funciona y estamos encontrando aplicaciones para ello, dijo el profesor Geim. Pero las posibilidades de combinar grafeno con otros materiales atómicamente delgados son casi infinitas. No veo que este trabajo de Lego se termine en los próximos 50 años ''.

Una razón por la que es difícil anticipar los resultados potenciales de los bloques de construcción nanoscópicos es que las computadoras que calculan cómo encajan entre sí no son lo suficientemente poderosas como para tener en cuenta toda su complejidad.

Dra. Barbara Capone de la Universidad de Viena, Austria, y la Universidad Roma Tre, Italia, está trabajando en polímeros:largas cadenas de átomos que repiten millones de veces la misma secuencia.

Aunque los procesadores de datos pueden predecir cómo se comportan estos bloques de construcción cuando están solos o en grupos densos, no pueden seguir las reacciones que tienen lugar cuando se entremezclan concentraciones dispersas de polímero.

'Podemos simular cómo se comportan los átomos individuales en moléculas individuales, y para concentraciones densas, podemos promediar miles de millones de errores y peculiaridades, dijo el Dr. Capone. "Pero lo que sucede entre estos extremos sigue siendo un misterio porque hay demasiadas moléculas para rastrear y muy pocas para generalizar".

Del tamaño de un bocado

El Dr. Capone ha pasado años refinando métodos estadísticos en física teórica para ayudar a las computadoras a aceptar la complejidad. En lugar de seguir cada pieza del rompecabezas simultáneamente, ella agrupa las reacciones en regiones del tamaño de un bocado y modela las interacciones entre sus promedios locales. Cuando se aplica a concentraciones escasas de polímero, sus simplificaciones revelan gemas entre el desorden.

'Estos polímeros son bloques de construcción notables, dijo el Dr. Capone. 'Dependiendo de cuán largos y densos los hagamos, o cómo nos injertamos las cadenas, se pliegan en formas completamente diferentes ”.

En principio, la mezcla correcta de ingredientes podría formarse espontáneamente en las columnas cúbicas de cristales semiconductores comunes, la red amorfa de vidrio, o incluso la estructura alveolar del grafeno.

Esta es una buena noticia para cualquiera que trabaje en materiales para electrónica. Esculpir las rejillas atómicas perfectas necesarias para construir transistores o células solares de alta calidad actualmente requiere una gran cantidad de tiempo y energía.

Los colegas del Dr. Capone están dando pasos experimentales hacia otra aplicación. Como parte del proyecto NANODRIVE financiado con fondos europeos, producirán polímeros en forma de estrella que colapsan al reaccionar con un compuesto dado y luego liberan su carga al alcanzar el ambiente deseado.

Básicamente, así es como las drogas liberan sustancias químicas, sólo lo hacen con moléculas tortuosamente complicadas. La simplificación de los componentes podría hacer que el proceso sea más económico y versátil.

'Las oportunidades son infinitas, 'dijo el Dr. Capone, que lanzará NANODRIVE este mes. 'Con algunos ajustes, estos polímeros podrían formar estructuras que encapsulan los contaminantes y los filtran fuera del agua potable ”.

La Dra. Capone dice que está entusiasmada tanto con los beneficios sociales que una tecnología de este tipo podría aportar a situaciones de emergencia como con la información que los bloques de construcción básicos pueden ofrecer en el ámbito físico, procesos químicos y biológicos que tienen lugar a nanoescala.

'Siempre me ha interesado encontrar la forma más sencilla de hacer algo complicado, dijo el Dr. Capone. "A menudo es la mejor manera de entender cómo funciona".