TEMES

Hi ha gaire espai allà al fons?: pintant i explorant el nanomon

Seguim al seminari There is plenty of room at the bottom, seguim a finals del 1959. La conferència de Feynman ha començat trencadora. Com continuarà?

Des de la nanolitografia a les tècniques nanoscòpiques

Seguim al seminari, seguim a finals del 1959. La conferència de Feynman ha començat trencadora. Com continuarà?
Al primer post, havíem començat a explorar el repte que ens va aportar Feynman, la manipulació atòmica. En aquest segon post, parlarem de com ho podem fer i com ho podem testar.

Tècniques de nanoescriptura: la nanolitografia

“Si poguéssim escriure d’aquesta forma, podríem llegir-ho utilitzant tècniques convencionals.”

“La següent qüestió és: Com ho escrivim? No tenim cap tècnica estàndard per fer això actualment. Deixeu-me argumentar, però, que no és tan difícil com sembla a primera vista. Processos fotogràfics i ions metàl·lics.”

“Una manera més senzilla podria ser aquesta (tot i que no estic segur que pugui funcionar): agafem llum i, a través d’un microscopi òptic funcionant a l’inrevés, la focalitzem en una pantalla fotoelèctrica molt petita. Aleshores, de la pantalla en sortirien electrons d’allà on la llum estigués incidint. El feix d’aquests electrons es focalitzaria, a través de les lents del microscopi electrònic, fins a colpejar directament la superfície del metall. Podria aquest feix eliminar part del metall si funciona durant un temps suficientment llarg? No ho sé. Si no funciona en la superfície d’un metall, ha de ser possible trobar algun tipus de superfície amb què recobrir el cap de l’agulla original per tal que, on els electrons bombardegin, es produeixi un canvi que després puguem reconèixer.”

A dia d’avui ja controlem tècniques d’escriptura atòmica i la nanolitografia n'és el paradigma. La litografia és la transferència d'un patró d'una placa / màscara a un altre material. Avui en dia, la litografia òptica, el procés de passar la llum a través d'una màscara per modelar una pel·lícula de polímer, és fonamental per a la producció massiva de circuits integrats. No obstant això, fa uns anys, va caldre reinventar la litografia perquè la propera generació de dispositius elèctrics, unitats d'emmagatzematge de dades, sensors, sistemes de lliurament de medicaments i ginys començaven a situar-se a la nanoescala. Això vol dir que aquests dispositius s'han de fer a partir de components de pocs nanòmetres, de forma que siguin perfectament reproduïbles i es fabriquin en gran nombre. Això ho ha permès la 'nanolitografia'. El terme nanolitografia deriva de les paraules gregues nános, que significa 'minúscul';  líthos, que significa 'roca'; i graf que significa 'escriure'. Per tant, la traducció literal és "escriptura minúscula en roques". La nanolitografia és la ciència del gravat, l'escriptura o la impressió per modificar una superfície material amb estructures de menys de 100 nm. Així, mitjançant l'ús d'electrons, ions o fotons, a més de fer servir microscopis de sonda pròxima per modificar químicament, físicament o tèrmicament capes superficials de material amb precisió a escala nanomètrica, el propòsit principal de la nanolitografia és la disminució dels dispositius electrònics, que permeten que més parts electròniques puguin situar-se en espais més reduïts, és a dir, circuits integrats més petits que generen dispositius més petits, que són més ràpids i més econòmics de fabricar, ja que es necessita menys material. Això també augmenta el rendiment i els temps de resposta, perquè els electrons només necessiten viatjar a distàncies molt mes curtes.

examples nanolitography

Diverses tècniques litogràfiques s'utilitzen per modelar a nanoescala. Aquestes tècniques inclouen: fotolitografia, litografia amb feix d'electrons (EBL), litografia amb feix d'ions enfocat, litografia de raigs X, litografia ultraviolada extrema (EUVL), nanolitografia d'acoblament lleuger (LCM), litografia amb microscopi de sonda d'escaneig (SPM), litografia de nanoimpressió i nanolitografia dip pen (imatge), entre d’altres.

Dip pen litography

Hi ha molt d’espai allà al fons: l’exemple de la biologia

“Ara bé, el nom d’aquesta xerrada és “Hi ha espai de sobra al fons” –no només “Hi ha espai al fons”. Per ara, el que he demostrat és que hi ha espai –que pots reduir la mida de les coses de forma pràctica. Ara vull demostrar que hi ha espai de sobra. No discutiré com ho farem, però només el que en principi és possible –en altres paraules, què és possible d’acord amb les lleis de la física. No estic inventant l’antigravetat, fet que només seria possible algun dia si les lleis no són tal com pensem. Us estic parlant d’allò que sí que es podria fer si les lleis fossin tal com pensem; d’allò que no estem fent de moment simplement perquè encara no ens hi hem posat.”

“…he suposat que al món hi ha uns 24 milions de llibres i cada un dels llibres és tan gran com un volum de l’enciclopèdia, i he calculat, aleshores, quants bits d’informació hi ha en aquests llibres (1015). Per a cada bit considero 100 àtoms. Resulta que tota la informació que l’ésser humà ha acumulat curosament a tots els llibres del món es pot escriure d’aquesta manera en un cub de material amb una amplada d’una mitja centèsima part d’una polzada [1,13 mil·límetres] –que és la més diminuta partícula de pols que pot distingir l’ull humà. Per tant, hi ha espai de sobra al fons!“

Però... quanta informació acumula el genoma humà en comparació amb la memòria d’un ordinador?

Per representar una seqüència d'ADN en un PC, hem de ser capaços de representar els 4 parells de bases en un format binari (0 i 1). Aquests 0 i 1 bits generalment s'agrupen per formar una unitat més gran, la més petita de les quals correspon a un byte, que representa 8 bits. Per tant, cada parell de bases ocupa un mínim de 2 bits, la qual cosa implica 4 combinacions de bits diferents (00, 01, 10 i 11). Cada combinació de 2 bits representaria un parell de bases d'ADN. Un sol byte (o 8 bits) pot representar 4 parells de bases d'ADN. Per representar tot el genoma humà en termes de bytes, podem realitzar els següents càlculs:

Tenim 6 × 109 parells de bases / genoma x 1 byte / 4 parells de bases = 1,5 × 109 bytes o 1,5 gigabytes! O prou petit per cabre 3 genomes separats en un DVD estàndard!

I quina quantitat de dades ocuparia tot l'organisme?

Per simplificar, ignorem el microbioma (totes les cèl·lules no humanes que viuen en el nostre cos) i analitzem només les cèl·lules que componen el nostre cos. Les estimacions per al nombre de cèl·lules en el cos humà oscil·len entre 10 bilions i 100 bilions. Agafem 100 bilions de cèl·lules com a estimació. Llavors, atès que cada cèl·lula conté 1,5 GB de dades (això és molt aproximat, ja que solament estic comptabilitzant algunes cèl·lules i ignorant els espermatozoides i els òvuls, per exemple), la quantitat aproximada de dades emmagatzemades en el cos humà és: 1,5 GBx 100 bilions de cèl·lules = 150 bilions de GB o 150 × 1012 x 109 bytes = 150 zettabytes (10 ^ 21) !!!

Microscopis millors: els ulls del nanomon

“Si he escrit en un codi, en un volum de 5 per 5 per 5 àtoms per cada bit, la pregunta és: com ho podria llegir, avui? El microscopi electrònic no és suficientment bo: amb la màxima cura i esforç té un límit resolutiu al voltant dels 10 àngstroms. M’agradaria intentar deixar-vos clara, mentre parlo de totes aquestes coses a escala petita, la importància de millorar el microscopi electrònic 100 vegades”

La mesura de la capacitat de diferenciar dos punts es diu poder de resolució. El límit de la grandària que pot fer distingible un microscopi el determina la longitud d'ona utilitzada. Així, la longitud d'ona de la llum visible utilitzada en els microscopis òptics està entre 400 i 700 nanòmetres (nm), cosa que fa que el poder de resolució dels microscopis òptics d'alta qualitat es limiti a aproximadament 200 nm. Per millorar aquesta resolució, podem utilitzar electrons, que tenen una longitud d'ona molt més petita que la de la llum. La microscòpia electrònica de rastreig és una de les possibilitats i utilitza electrons amb energies d'uns pocs milers d'electronvolts (eV).

limit

Microscopi electrònic de rastreig (SEM)

En un microscopi electrònic, els electrons es produeixen amb un canó d'electrons, similar al d'un televisor. Després, els electrons s'acceleren a través de la placa de l'ànode i s'enfoquen amb la lent magnètica. Les bobines d'exploració obliguen el feix d'electrons a escanejar ràpidament una àrea de la mostra. La resolució aproximada màxima és lleugerament inferior als 10 nm. La mostra analitzada es pot veure amb electrons retrodispersats o secundaris. Els retrodispersats donen informació sobre les diferències de composició del material. Les imatges electròniques d'electrons secundaris produeixen una profunditat de camp que revela la topografia de la superfície. A part, tenim un altre microscopi electrònic amb resolucions superiors, el microscopi de què parlava Feynman a la conferència, el microscopi electrònic de transmissió (TEM).

SEM

Microscopi electrònic de transmissió (TEM)

En un TEM els electrons s'acceleren de manera molt similar a la del SEM, però viatgen a través de la mostra. La mostra ha de ser molt plana i prima (aproximadament 0,1 micròmetres o menys). Treballen de forma similar a un projector de diapositives, els electrons passen millor a través de regions menys denses que no pas per les regions més denses. La imatge es visualitza en una pantalla de fòsfor quan els electrons utilitzats per a la mesura xoquen contra la mostra, la qual cosa genera llum i produeix la imatge corresponent. També podem tenir un patró de difracció de la mostra en cas de tenir mostres cristal·lines. La informació de difracció també es visualitza en una plataforma separada. Els microscopis TEM poden representar imatges d'àtoms individuals i la seva ubicació relativa i poden proporcionar informació de composició química.

TEM

La microscòpia electrònica de transmissió (TEM) es basa en el principi de la difracció electrònica. El descobriment del TEM va obrir nous horitzons per visualitzar estructures materials molt per sota de la resolució aconseguida en la microscòpia òptica. El TEM és una de les millors eines per visualitzar directament l'estructura, localitzar i identificar el tipus de defectes i estudiar transicions de fase estructural en sòlids. Té característiques úniques com a tècnica microanalítica. La característica més important del TEM és que la longitud d'ona dels electrons és molt menor que les separacions atòmiques en els sòlids i, per tant, en teoria és possible veure detalls de cristall molt per sota de les mides atòmiques. Tanmateix, la resolució del TEM està limitada per aberracions esfèriques i cromàtiques de les lents magnètiques utilitzades. Avui en dia tenim microscopis TEM moderns que corregeixen l'aberració i amb una capacitat resolutiva que arriba a 0,5 Å. Els nous desenvolupaments per augmentar la resolució en microscòpia electrònica d'alta resolució han estat l'ús d'un monocromador i d'un corrector per arribar a resolucions puntuals per sota de 0,5 Å (aquests microscopis TEM s'anomenen HRTEM). El mode d'imatge en microscòpia electrònica de transmissió d'alta resolució (HRTEM o HREM) permet la imatge directa de l'estructura atòmica de la mostra. El segon avantatge d'un TEM és l'important factor de dispersió atòmica de l'electró, que és ~ 10 000 vegades el de la radiografia. Permet millorar les capacitats d'anàlisi de la difracció de raigs X, sobretot des del punt de vista d'anàlisi cristal·logràfica. A causa d'això, el microscopi TEM s'ha convertit en una poderosa eina per investigar la simetria cristal·lina i els grups espacials.

HRTEM

Continuarà...

NOTA: Aquest és el segon de 4 posts que publicaré sobre la conferència There is plenty of room at the bottom, a la qual molts atribueixen l'origen de la nanotecnologia moderna.