Días antes de entrar en los años sesenta, el físico Richard Feynman todavía estaba decidiendo el título de su conferencia que había preparado para el congreso anual de la Sociedad Americana de Física (APS) celebrado en Caltech, California. Finalmente se decantó por titularla There’s Plenty of Room at the Bottom. Su charla pasaría desapercibida durante un tiempo y su publicación en la revista Engineering and Science Magazine sería citada únicamente siete veces en los veinte años posteriores. Muy pocos asistentes serían conscientes de que estaban presenciando el nacimiento del concepto de la nanotecnología.

«La próxima pregunta es: ¿cómo lo escribimos? No tenemos una técnica estándar para hacer esto ahora. Pero permítanme discutir que no es tan difícil como podría parecer. Podemos revertir las lentes del microscopio de electrón con el fin de reducir, pero también de ampliar. Una fuente de iones, enviados a través de las lentes revertidas del microscopio, podrían ser capaces de enfocar un punto muy pequeño. Podríamos escribir con ese punto como escribimos en un osciloscopio de rayos catódicos de una televisión». 

A lo largo de la conferencia, toda la sala permanecería en silencio y algunos de los allí presentes le escucharon con gran escepticismo. Sin embargo, treinta años después de su muerte, Feynman (Premio Nobel de Física en 1965 por sus contribuciones al campo de la electrodinámica cuántica) es ahora considerado como uno de los padres de los términos nanotecnología y nanociencia.   

«El microscopio electrónico no es lo suficientemente bueno; con el mayor cuidado y esfuerzo, solo puede resolver casi 10 angstroms. Quisiera intentar inculcarle, mientras estoy hablando de todas estas cosas en una escala pequeña, la importancia de mejorar el microscopio electrónico en cien veces. No es imposible; no está en contra de las leyes de difracción del electrón. La duración de la onda del electrón en un microscopio semejante es solo de 1/20 de un angstrom. Entonces, ¿debería ser posible ver los átomos individuales? ¿De qué serviría ver átomos individuales distintamente?».

Veinte años más tarde, en 1981, el sueño de Feynman de conseguir visualizar átomos se haría realidad gracias al Microscopio de Efecto Túnel (STM) inventado por el alemán Gerd Binnig y el suizo Heirich Rohrer en Zurich. Esta técnica permitiría manipular directamente los átomos actuando a escala nanoscópica, es decir, del orden de la milmillonésima parte de metro. Diez años más tarde, en 1991, Don Eigler y Eric Schweizer serían capaces de escribir el nombre de su empresa (IBM) manipulando 35 átomos de xenón en una superficie con el uso de una versión mejorada del STM. Había nacido la era de la nanotecnología.      

«Yo no sé cómo hacer esto en una escala pequeña de manera práctica, pero sí sé que las máquinas de computación son muy grandes; llenan habitaciones. Por qué no las hacemos muy pequeñas, hacerlas de pequeños alambres, pequeños elementos y por pequeños, quiero decir pequeños. Por ejemplo, los alambres deberían ser de 10 o 100 átomos de diámetro y los circuitos deberían ser de unos pocos miles de angstroms transversalmente. Todos quienes han analizado la teoría lógica de las computadoras han llegado a la conclusión que las posibilidades de las computadoras son muy interesantes si pudieran ser construidas varios órdenes de magnitud más complejas».

A inicios de los años ochenta, Feynman también propondría el primer modelo teórico de un ordenador cuántico después de observar que las computadoras tradicionales solo servían en la simulación de problemas clásicos. La computación cuántica se basaría en el uso de qubits (del inglés quantum bit) en lugar de bits dando lugar a nuevas puertas lógicas y algoritmos. Los qubits, sistemas cuánticos con dos estados propios, constituirían las unidades básicas de información que podrían estar en una superposición de ambos estados al mismo tiempo logrando realizar muchos más cálculos simultáneamente.

«Considere cualquier máquina, por ejemplo, un automóvil y pregunte acerca de los problemas de hacerla infinitesimal. Supóngase, en el diseño particular de un automóvil diminuto, necesitamos una precisión, supongamos, de un 4/10000 de una pulgada. Si las cosas fuesen menos precisas, no llegaría a funcionar muy bien».

En 1984, Feynman repetiría el mismo discurso que realizó en 1959 pero titulado Tiny Machines y desde una perspectiva más moderna tras el descubrimiento del microscopio STM. En esta conferencia propondría cómo se podrían construir máquinas diminutas átomo a átomo. En 2016, Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart y Ben L. Feringa ganaron el Premio Nobel de Química por el diseño y síntesis de máquinas moleculares. Entre ellas, se incluye un coche molecular con motor, sintetizada por el grupo de Feringa, que se mueve a lo largo de una superficie.

«Un amigo mío (Albert R. Hibbs) sugiere una posibilidad muy interesante para máquinas relativamente pequeñas. Él dice que, aunque es una idea salvaje, sería interesante en cirugía si usted pudiera digerir al cirujano. Usted coloca el cirujano mecánico dentro de su vaso sanguíneo y este va dentro de su corazón y mira alrededor (por supuesto, la información tiene que ser suministrada). Descubre que válvula está dañada y toma un pequeño cuchillo y la rebana. Otras máquinas pequeñas podrían ser incorporadas permanentemente en el cuerpo para asistir a algún órgano que funciona inadecuadamente».

Dentro del campo de la nanomedicina, la administración dirigida de fármacos es a día de hoy uno de los métodos más estudiados donde los nanomateriales son capaces de transportar los fármacos y, solamente cuando reconocen los tejidos enfermos, liberan una mínima dosis como respuesta a cierto estímulo para reducir los efectos secundarios. Para ello, es necesario la apropiada encapsulación de los fármacos para que no actúen en el resto del cuerpo.

«Quizás esto no los anime a realizarlo y solo la economía lo hará. Yo quiero hacer algo al respecto; pero no puedo hacerlo en la actualidad porque no existen los medios adecuados. De aquí en adelante, ofrezco un premio de 1000 $ para el primero que pueda tomar la información en la página de un libro y colocarla en un área 1/25000 más pequeña, de tal manera que pueda ser leída por un microscopio de electrón».

En 1985, más de veinte años más tarde, Tom Newman ganaría este desafío siendo capaz de escribir la primera página del libro Historia de dos ciudades de Charles Dickens en la cabeza de un alfiler utilizando un haz de electrón en una escala de reducción de 1/25000.

«Y quiero ofrecer otro premio de otros 1000 $ para el primero que haga un motor eléctrico rotativo que pueda ser controlado desde el exterior y, sin contar los cables de entrada, que sea solo de 1/64 de pulgada cúbica. No espero que los premios tengan que esperar mucho tiempo para ser reclamados». 

En junio de 1960, el ingeniero William McLellan leyó el discursó de Feynman y aceptó el desafío. Después de cinco meses de trabajo utilizando herramientas casi irrisorias, como un mondadientes y un pincel de calibre muy fino, McLellan ensambló 13 componentes para construir un motor eléctrico de una sexagésima cuarta parte de pulgada de un lado. Pesaba 250 microgramos y generaba la millonésima parte de un caballo de fuerza. «Pareces muy interesado en ese pequeño motor. Yo soy el hombre que lo hizo», le dijo McLellan a Feynman cuando se lo mostró.

«Cuando lleguemos al mundo muy muy pequeño —digamos, circuitos de siete átomos— tendríamos muchas cosas que representarían oportunidades completamente nuevas para el diseño. Los átomos en una escala pequeña se comportan como nada en una gran escala, pues satisfacen las leyes de la Mecánica Cuántica. Por lo tanto, mientras descendemos y perdemos el tiempo con los átomos allí debajo, estamos trabajando con leyes diferentes, y podemos esperar hacer cosas diferentes. Podemos fabricar de maneras diferentes».

Con motivo del centenario del nacimiento de Richard Feynman (1918-1988)

Referencias

—Transcripción del discurso “There’s Plenty of Room at the Bottom” ofrecido por Richard Phillis Feynman el 29 de diciembre de 1956 en la reunión anual de la American Physical Society en Caltech.  
—‘Plenty of room revisited’. Nature Nanotechology 2009, 4, 781.