En el capítulo anterior
contamos con la extraordinaria colaboración de Montserrat Calleja,
que además de dirigir el Departamento de Dispositivos,
Sensores y Biosensores del Instituto de Microelectrónica de Madrid,
centro que pertenece
al Consejo Superior de Investigaciones Científicas,
es promotora y cofundadora de Mecwins,
una empresa que se dedica a comercializar tecnologías,
con grandes aplicaciones en el campo de la medicina.
Son realmente sorprendentes
los avances que está permitiendo la nanotecnología en este ámbito,
llegando a desarrollar nuevas herramientas
para la detección precoz de enfermedades,
como por ejemplo, el cáncer de mama.
En este capítulo hablaremos con: José Luis Costa Kramer,
investigador del Departamento
de Fabricación y Caracterización de Nanoestructuras
del Consejo Superior de Investigaciones Científicas.
Actualmente se encuentra trabajando en un proyecto muy interesante
sobre detectores de radiación con materiales superconductores.
Esto que suena tan complejo,
en la práctica consiste en el desarrollo
y fabricación de dispositivos para la Agencia Espacial Europea
en misiones que salen al espacio.
Pero, mejor que nos lo cuente el propio Kramer.
-Hola José, estamos aquí,
en el Instituto de Microelectrónica de Madrid.
En todas las entrevistas hemos empezado con unas preguntas fáciles,
de cultura general, de nanocultura general,
y a ti también te voy a hacer una muy fácil
y es qué diferencia hay entre la microelectrónica
y la nanoelectrónica.
-Una cuestión de tamaño, obviamente.
La micra es la millonésima parte del metro,
el nanómetro es mil veces más pequeño,
pero no sólo es una cuestión de tamaño,
sino que es también una cuestión de concepto.
A esas escalas la materia deja de portarse
del modo que estamos acostumbrados a verla en el mundo macroscópico,
el mundo que el ser humano está acostumbrado a manejar.
Es donde el reino de la mecánica cuántica
donde se hacen patentes los efectos de la mecánica cuántica.
-Entonces no funciona igual un dispositivo microelectrónico
que nanoelectrónico, las leyes son muy diferentes.
-Son diferentes y sorprendentes.
Un dispositivo microelectrónico es como un dispositivo macroscópico
del orden de un metro de grande
y las leyes de la física que se observan
son prácticamente las mismas.
En un dispositivo nanoelectrónico uno puede observar
efectos que no son predecibles
con la teoría clásica de entender la materia.
-Eso significa que las leyes que nos enseñan en el instituto
o en la universidad, como la ley de Ohm y demás...
-Exactamente, la ley de Ohm no funciona a esas escalas,
las partículas pueden aparecer en sitios
donde no se espera que aparezcan
y otra serie de cosas sorprendentes en principio.
Entre los dispositivos que se fabrican, procesadores, etc,
uno de los que son más habituales entre los chavales
es tener un reproductor de música con unas memorias y demás
que cada vez somos capaces de hacer los bits,
la unidad de información, más pequeña.
¿Cuál es el límite para ese bit?
¿Qué ejemplo podrías poner extremo de hasta dónde podemos llegar?
¿Cuál sería el almacenamiento extremo?
-El almacenamiento extremo ahora mismo, digamos la unidad de ladrillo,
y hay demostraciones en concreto de una empresa conocida,
es el tamaño del átomo.
Uno podría en una superficie,
y hay demostraciones muy bonitas de esto,
colocar un átomo en un lugar predeterminado
y la ausencia o presencia del átomo sería un bit de información.
La representación física de un bit no es más que un código binario
y tiene diferentes representaciones físicas dependiendo del dispositivo.
En el caso de una memoria magnética es la dirección de la emanación,
en el caso de una ram es el estado de carga de un condensador,
pero uno puede utilizar cualquier principio físico
para definir estado o ausencia de.
En el caso último sería sencillamente
un átomo en una superficie si está o no está,
ése sería el bit minúsculo de información más pequeño posible.
-Para hacer cosas tan pequeñas,
que hemos visto que se van escapando las técnicas top down
han ido sorteando y somos capaces de hacer cosas más pequeñas,
pero hay otras alternativas como dip pen, nanoimpresión,
¿en qué consiste, por ejemplo, la técnica de nanoimpresión?
¿O la técnica de dip pen?
¿Qué diferencia hay con la litografía convencional óptica?
¿Dónde pueden ser útiles,
si es que algún día lo van a ser desde el punto de vista industrial?
-Pueden ser seguro, porque a la hora de definir patrones
la inventiva también es un ingrediente.
Hasta ahora lo que se ha hecho es irradiar a través de una máscara
y los diseños se hacían en las máscaras
y la gente que ha hecho grabado es bastante común.
En el caso del nano imprint o el dip pen,
en lo que uno se gasta el dinero es en hacer el estampe, el sello,
entonces uno puede hacer un sello con el cual después hacer
muchas impresiones consecutivas
y en ese sello puede hacer tamaños bastantes más pequeños
de los que puede hacer uno ópticamente.
-Sería como un estampado textil, pero en escala nanométrica.
Y en vez de estampar tinta y un motivo, sería un circuito.
Y con todas estas herramientas,
¿qué futuro hay para los dispositivos?
Hace 20 años era imposible pensar que íbamos a tener un celular.
¿Cómo van a ser los dispositivos del futuro,
un televisor, un móvil, existirán?
-Existir, existirán.
Yo creo que van a ser más ergonómicos.
Mojarse en este sentido siempre es arriesgado.
Hacer predicciones..., hay un dicho alemán que dice:
"el diablo sonríe cuando los hombres hablan del futuro".
Realmente, el cómo van a ser al final es difícil decirlo.
Sí van a estar más integrados,
van a ser energéticamente más eficientes.
Para ver una televisión ahora mismo, las pantallas planas, ultraligeras,
creo que seguirán existiendo,
pero quizá la revolución vaya a integrar dispositivos
o en una gafa o dentro del ojo
que te den una perspectiva más amplia,
implantar obviamente las tres dimensiones,
el hacer proyecciones, etc.
Yo creo que van a ir más a reducir el coste material y energético
de las pantallas y de ese tipo de cosas,
y hacerlas más integradas en el ser humano.
-A medida que las cosas son más pequeñas
se ha mencionado antes que ibas a tener efectos cuánticos,
que la física ahí cambia,
y una de las cosas que aparentemente emerge,
que es una propiedad que no suele estar a nuestra escala,
digamos que es el tema del espín.
El espín que es una cosa que aparece en los libros de física
cuando uno estudia y parece que es una cosa de los átomos,
puede tener utilidad una práctica real,
entonces está todo esto de la espintrónica.
¿En qué consiste la espintrónica, cómo podemos saber espín,
primero qué es el espín y cómo se puede utilizar?
-El espín es un momento magnético intrínseco,
pero el magnetismo no se explica
hasta la llegada de la mecánica cuántica
y se puede pensar que todas las partículas pequeñas
tienen un pequeño momento magnético, son pequeños imanes.
Hasta ahora, casi todos los dispositivos que se han fabricado,
más o menos electrónicos, hacen uso de la carga del electrón
y el espín da un grado de libertad extra que además tiene una ventaja,
por ejemplo todo el mundo tiene un disco duro en casa
y sabe que las memorias magnética,
uno, no le hace falta fuente de energía para mantenerlas,
entonces uno tiene en su CPU un condensador que es la memoria
que utiliza para calcular,
pero en el momento que uno apaga el ordenador, esa memoria desaparece.
Sin embargo, el espín puede mantener su orientación durante más tiempo.
La espintrónica lo que intenta es hacer
uso de ese grado de libertad de la materia para hacer cálculos
y procesar información de igual manera
que se ha hecho hasta ahora con la carga.
No sé si me he explicado...
-Pero los circuitos tienen que ser distintos
¿valdrían los mismos circuitos o son conceptos radicalmente diferentes?
-Totalmente diferentes.
Las arquitecturas serían totalmente diferentes.
Cuando uno se aventura,
y tiene que ver con la pregunta que me has hecho antes,
a decir cómo van a ser en el futuro los dispositivos,
ahora mismo hay una inercia que tiene la industria semiconductora,
a seguir fabricando semiconductores
con las mismas herramientas que son carísimas.
Ahora mismo para fabricar un circuito integrado se gasta muchísimo dinero.
Si la industria semiconductora...
para llegar a una tecnología disruptiva,
uno tiene que cambiar órdenes de magnitud,
digamos el beneficio, si no la industria semiconductora
va a seguir intentado mantener los dispositivos.
Ahora mismo se trabaja en esas arquitecturas,
hay que cambiar un poquito el concepto,
pero no está claro cuál va a ser la arquitectura finalmente vencedora.
Y entran no sólo parámetros puramente científicos sino económicos.
Sin ninguna duda.
-También conectada con la nanotecnología,
las propiedades cuánticas y la disrupción,
aparecen conceptos como computador cuántico,
que no es propio de la nanotecnología,
pero está conectado de alguna manera
y ¿qué será esto de un computador cuántico?,
¿qué ventajas tendrá?, ¿por qué se busca?.
-El computador cuántico es otra sorpresa inesperada
y es que la cuántica,
que en principio es un objeto nebuloso
y un poquito donde hay indeterminación, incertidumbre,
se ha demostrado que es mucho más eficiente
para realizar cierto tipo de cálculos que clásicamente no se pueden hacer.
Y eso está debido
un poco a que la información no está codificada en un sitio
como antes que preguntabas, un bit, dónde está, hay un átomo o no.
En la cuántica la información está en los enlaces entre las cosas,
es una cosa como mucho más nebulosa.
Y estamos empezando a entender cómo se pueden hacer cálculos
con conceptos cuánticos,
lo que se llama una cosa muy bonita en la cual se está investigando ahora
que es el qubit, el bit cuántico.
¿Cuál va a ser el objeto
en el que uno va a poder almacenar información, pero cuánticamente?
Está por ver,
pero lo que sí está probado ahora mismo
es que van a ser mucho más eficientes
en resolver ciertos tipos de problemas.
Y es inevitable la llegada a la cuántica
si realmente vamos bajando los tamaños,
como decía antes en cuanto uno tiene ya unos pocos átomos,
ahí lo que funciona ya no son las reglas de la mecánica clásica
sino la mecánica cuántica.
-Has mencionado antes que cuando hacemos los circuitos electrónicos
más pequeños nos encontramos con que las leyes que nos enseñaban
en el bachillerato y en la carrera, la ley de Ohm, no funciona,
habrá que seguir usándolo en el mundo diario.
Luego aparece el uso del espín,
ahora puede aparecer el uso de la lógica cuántica
en vez del álgebra de Boole.
¿Qué futuro les espera a los ingenieros dentro de 15 o 20 años
que siguen trabajando y enseñando esos conceptos?,
es decir, la revolución va a ser total
en el ámbito del diseño, por ejemplo, de ordenadores.
-Sin duda.
Hay nichos donde las comunicaciones totalmente seguras,
el mundo cuántico ya provee aplicaciones directas
como comunicaciones totalmente seguras, etc.
El futuro va a estar
en aprender las leyes de la física a escala pequeña.
El futuro va a ser la ingeniería de unos pocos átomos,
el saber fabricar puertas lógicas en esas escalas,
el saber diseñar y hacer ese tipo de cosas.
Sin duda, vamos.
-Yo conozco tu trayectoria profesional de hace mucho tiempo,
has trabajado desde manipular átomos hasta hacer nanohilos
y trabajar sobre sistemas magnéticos en la nanoescala, etc,
y en los últimos años, creo,
estás orientándote en otra dirección,
¿qué es lo que estáis trabajando en estos momentos?
-Ahora mismo he intentado, con poco éxito,
hacer dispositivos sensores de radiación superconductores.
Para llegar a los límites de detección ahora mismo de fotones,
sean de rayos X, sean del infrarrojo, etc,
estamos intentando desarrollar materiales superconductores
funcionando a temperaturas ultra bajas.
Para vencer los límites de resolución,
sobre todo el ruido térmico,
tenemos que enfriar muchísimo los dispositivos
y ahí los super conductores dan muchas ventajas.
En principio estamos intentando fabricar cosas para la ESA,
para la Agencia Espacial Europea en misiones que salen al espacio.
Paradójicamente el espacio se ha abierto y gracias,
sobre todo a avances de científicos japoneses, a las bajas temperaturas.
Ahora mismo se están lanzando al espacio detectores enfriados
para mirar en la frontera de los agujeros negros,
en los núcleos de las galaxias, etc.
-Y estás técnicas de construcción, estas metodologías de fabricación,
se hacen en unos sitios especiales que denomináis salas blancas,
¿en qué consiste una sala blanca?
-Una sala blanca es un espacio estanco, o casi estanco,
bueno la gente que trabajamos aquí necesitamos aire,
por tanto aire tiene que haber,
pero se intenta que haya el mínimo posible
de polvo y de partículas, impurezas, etc.
Cuando uno piensa en una pista de 100 nanómetros, una décima de una micra,
una partícula de polvo tiene el tamaño de una micra.
Los seres humanos tenemos muchísimo polvo encima,
sobre todo en zapatos, pelos, jerseys, etc,
y lo que hace la sala blanca es filtrar permanentemente el aire
y conseguir que ese número de partículas baje al mínimo posible.
Ahora mismo creo que andan por el orden de mil las salas blancas.
Tienen categorías, mil, diez mil, etc,
y se refieren al número de partículas por metro cúbico.
En una sala blanca tipo mil, por ejemplo,
hay mil partículas de polvo por metro cúbico.
Lo obvio es que si te cae una partícula de polvo
en medio de una pista, el proceso de fabricación,
el dispositivo no funciona.
-De acuerdo.
Muchas gracias por invitarnos a estar aquí en vuestro centro
y ya hemos terminado.
-De nada, un placer.
Nos despedimos hoy de Costa Kramer,
quien nos ha dado una gran lección de cómo y dónde
se fabrican diferentes nanoestructuras,
con innovadoras aplicaciones
tanto allá en el espacio como aquí en la Tierra.
En el próximo capítulo hablaremos con María del Puerto Morales,
investigadora del Instituto de Ciencia de los Materiales del CSIC
que actualmente está trabajando
en nanotecnología aplicada a la medicina,
en concreto en el estudio de nanopartículas magnéticas
para el diagnóstico y tratamiento del cáncer.
No os lo perdáis. Os esperamos.