Cuando echamos una mirada al cielo en una noche despejada sentimos nuestra pequeñez frente a la inmensidad del universo. Sin embargo, la inmensidad y el misterio no son monopolio de las escalas cósmicas. Hay un mundo incluso más vasto, más impactante, más extraño, en las profundidades microscópicas de la materia.
“¿Por qué no podemos escribir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler?”. Cuando el reconocido físico Richard Feynman planteó esa pregunta durante un discurso en diciembre de 1959, no buscaba una versión portátil de la Enciclopedia, él llamaba la atención sobre el problema de manipular las cosas a una escala más pequeña. Mientras se adentraba en el tema, Feynman se atrevió a decir: “… en el futuro podremos arreglar los átomos de la manera que queramos”. Sería la visión de una Legolandia atómica, en donde se podría construir todo tipo de cosas extraordinarias. Podríamos hacer un material sucesor del silicio (como el grafeno), que nos permita seguir dando cada vez más poder de cómputo a los pequeños dispositivos. Inventar una sustancia que mejore las celdas solares o baterías, así que podríamos almacenar toda la energía limpia que deseemos. Incluso lograríamos desencadenar reacciones químicas que son imposibles hoy en día.
El primer problema con la miniaturización es que el universo químico tiene una resolución pequeña: la escala atómica. Difícil imaginar un método de escritura o cualquier tecnología funcional a escalas como ésta, tanto que más de un millón de átomos de hierro caben en la cabeza del alfiler. Hemos comenzado a mover los átomos individuales y con asombrosa precisión. Ahora sólo tenemos que averiguar dónde ponerlos. La nanotecnología trabaja con estas escalas mínimas, creando -o queriendo crear- dispositivos de tamaños similares al de átomos y moléculas.
Durante la mayor parte de la historia humana, nos conformamos con las cosas que la naturaleza nos dio. Luego encontramos las maneras de realzarlo, tomando metales y agregando una pizca de otros elementos para crear aleaciones como el acero. Incluso hemos logrado diseñar materiales que pueden controlar el flujo de electrones, creando los microchips que alimentan nuestro teléfono inteligente y la laptop. Pero no importa cuán astutamente combinemos los ingredientes disponibles, parece que no podemos descifrar la receta para materiales termoeléctricos baratos. Los paneles solares comerciales todavía no superan el 20% de eficiencia y los imanes para los motores de los autos eléctricos aun no son fiables. Para crear cosas con las propiedades que deseamos, necesitamos construir nuevos materiales a partir de cero y eso significa construir con átomos, como Feynman imaginó hace casi 60 años.
Entonces, ¿es posible manipular la materia a escala atómica? En la época en que Feynman dio su charla, la miniaturización de la Enciclopedia Británica era algo que podía hacerse sólo «en teoría», ya que en 1959 no existía tecnología capaz de llevarlo a cabo. De hecho, él prometió un premio de mil dólares al primero que fuese capaz de reducir en 25 mil veces un texto. Esto ocurrió en 1985, cuando Tom Newman escribió la primera página de la novela Historia de dos ciudades, de Charles Dickens, en la cabeza de un alfiler, utilizando haces de electrones. Un año después Gerd Binnig y Heinrich Rohrer ganaban el Premio Nobel de Física por un invento conocido como el microscopio de efecto túnel, instrumento que permite observar la superficie de un material con resolución atómica y manipular átomos individuales. La microscopía de efecto túnel nos permitió “ver” los átomos por primera vez, abriendo nuestros ojos al mundo de lo pequeño. Pero ver era sólo el comienzo, pronto se hizo evidente que los microscopios podían seleccionar átomos y moverlos.
En 1989, un equipo de IBM Research Almaden en California movía 35 átomos de xenón sobre una superficie de níquel para crear el logotipo más pequeño del mundo. Fue una demostración impresionante, pero todavía muy lejos de la manipulación de muchos miles de átomos, que es lo que necesitamos hacer para fabricar nuevos materiales. Con la habilidad para manipular uno a uno los átomos se generó de inmediato un gran entusiasmo. Éste fue el sueño que describía Eric Drexler, a fines de los 80, en su libro Máquinas de la creación. Allí predecía los «nano-robots», capaces de construir átomo por átomo cualquier cosa. Imaginaba, como en la clásica película Viaje Fantástico (1966), que un robot podría entrar a nuestro organismo y reparar las estructuras más pequeñas de nuestro cuerpo. Más allá de la ciencia ficción, la comunidad entendió que las posibilidades eran ilimitadas.
Más recientemente, se realizó un estudio donde se notó que los iones cloro eran fáciles de empujar sobre una superficie de cobre y programaron un algoritmo para automatizar el movimiento de 60.000 de estos átomos. El resultado fue un dispositivo de memoria que almacena datos colocando átomos individuales de cloro en patrones para codificar cada bit. Si se escala hasta 1 centímetro cuadrado, este chip reescribible podría contener aproximadamente 10 terabytes de datos, órdenes de magnitud mayor respecto a los mejores chips de hoy. Más importante aún, es que es una prueba que sugiere que estamos a punto de ser capaces de manipular los átomos de acuerdo con nuestros deseos. Pero uno de los mayores problemas es que tendríamos que reunir alrededor de 1023 átomos para obtener gramos del material. Usando un microscopio de efecto túnel para arrastrar cada uno cuidadosamente a su lugar, capa por capa, lo que tomaría demasiado tiempo.
Para agilizar este procedimiento, se necesita una forma de simular nuevos materiales por modelado informático. Pero aún no somos capaces de ejecutar simulaciones a escala de átomos individuales. ¿Así que el sueño de Feynman está destinado a permanecer en sólo eso? No exactamente. Lo que necesitamos es una computadora cuántica, un dispositivo que explota las “extrañas” propiedades de la mecánica cuántica para lograr el tipo de poder de procesamiento que necesitamos.
El concepto es bastante simple. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de “cuanto”. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez (bit cuántico o qubit). El problema es que todavía no tenemos una computadora cuántica, aunque no es por falta de intentarlo. Google está desarrollando un dispositivo basado en circuitos de aluminio superconductores, mientras que Microsoft quiere utilizar «qubits topológicos».
Pero, incluso una vez que tengamos computadoras cuánticas produciendo recetas de materiales prodigiosos, cualquiera que quiera construir desde el átomo tendrá un último reto: la escala de la computadora. Estos problemas científicos del mundo cuántico, en donde concurren diversas disciplinas, despiertan un interés natural, intrínseco, dan curiosidad, puesto que al final, como en toda ciencia, la motivación primordial, su objetivo es el conocimiento.
