Oinarriak: hipotesi atomikoa

Gizakiak betidanik aurkitu nahi izan ditu materiaren oinarrizko osagaiak. Orain dela bi mila urte baino gehiago, filosofo greziarrek joera hori erakutsi zuten Unibertsoaren konplexutasuna haren oinarrizko osagaietara laburbiltzeko ahaleginak egin zituztenean. Democrito filosofo greziarrak mundu materiala izaki zatiezinez osaturik dagoelako hipotesia plazaratu zuen orain dela 2.400 urte baino gehiago; ordutik hona, osagai horiei atomo izena eman zaie, antzinako grezieraz atomos hitzak zatiezin esan nahi baitzuen (atomo). Alabaina, atomoaren ideiari ez zitzaion arreta berezirik eskaini XIX. mendera arte. Kimikaren jaiotzaz, teoria atomikoa gaur egungo pentsamendu zientifikoan barneratzen hasi zen, era sistematikoan behinik behin, Daltoni eta Avogadrori esker, batez ere. John Daltonek elementu kimikoak atomo-mota jakinekin parekatu zituen. Atomoek pisu ezberdinak dituztela eta konposatuak osatzeko proportzio jakinez biltzen direla postulatuz, Daltonek Prousten proportzio definituen legea azaldu ahal izan zuen, eta proportzio anizkoitzen lege berria plazaratu zuen. Hipotesi atomikoa gero eta oinarri sendoagoa hartzen ari zelarik, 1869. urtean Dimitri Mendeleievek elementu kimikoen taula periodikoa aurkeztu zuen; atomoak elementu kimiko horien unitate txikienak ziren.

XIX. mendearen bukaerako zenbait aurkikuntzak agerian utzi zuten atomoa ez dela materiazko partikula solido eta zatiezina. 1895. urtean, Wilhelm Conrad Roentgen zientzialari alemaniarrak berunezko xafla meheak zeharkatu zitzaketen X izpien aurkikuntza iragarri zuen. 1896. urtean, Antoine Henri Beckerel fisikari frantziarrak egiaztatu zuen substantzia jakin batzuek, uraniozko gatzek, adibidez, jatorri ezezaguneko izpiak sorrarazten zituztela. Eta 1897. urtean, J. J. Thomson fisikari ingelesak elektroia aurkitu zuen, edozein atomok baino masa askoz txikiagoa zuena. Agerian zegoen atomoek osagai txikiagoak izan behar dituztela. Atomoa zatiezina ez dela egiaztatu bezain laster, XX. mendearen hasierako fisikariak atomoen egiturari buruzko ikerketan aritu ziren buru-belarri. Izan ere, Niels Bohr fisikariak 1913an plazaratu zuen eredu atomikoa abiapuntu harturik, teoria kuantikoaren garapenari bultzada geldiezina eman zitzaion. Hamarkada bakar batean, naturaren ikuspegia erabat aldatuko zuen iraultza zientifikoa gauzatu zen. Teoria kuantikoa XX. mendeko kontzeptu-iraultza handietako bat izan zen, eta paradigma zientifikoaren aldaketa horrek aurreikusita ez zegoen iraultza teknologiko ikaragarria ekarri zuen (mekanika kuantiko).

Gaur egun, gauza jakina da materiaren oinarrizko osagaiak (quarkak eta leptoiak) subatomikoak direla (eredu estandar). Izan ere, XX. mendean zehar, osagai subatomikoen ikerketari arreta berezia eskaini zaio; Leherketa Handia (Big Bang) gertatu bezain laster, quark eta leptoiz osaturiko zopa kuantikoa besterik ez zegoen; gaur egungo atomoak zopa haren etengabeko hoztearen ondorioak ditugu. Alabaina, helburu askotarako, atomoak materiaren oinarrizko osagaitzat har ditzakegu. Elementu jakin baten atomoak Lurrean eta kosmosaren beste edozein zokotan berdinak dira, Leherketa Handiaren ondoren osatu ziren atomo haiek bezalakoak, hain zuzen ere. Bizitzaren sorrera eta garapena atomoetan eta elkarrekintza elektromagnetikoan oinarritzen dira. Atomoak bilduz oso egitura konplexuak sortzen dira, hala nola molekulak eta kristalak, eta, egitura horietan oinarrituz, materia konplexutasun-maila ezberdinetan antolatzen da, eskuartean ditugun gorputzak (hedatuak, jarraituak eta propietate-mota ezberdinekoak) osatu arte. Teoria atomikoa gizateriaren lorpen handienetakoa da; gaur egungo fisika, kimika eta, neurri handi batean, biologia teoria atomikoan oinarritzen dira. Richard Feynman fisikari bikainaren iritziz, hondamendi baten ondorioz hurrengo belaunaldiei esaldi bakar bat helarazi beharko balitzaie, informazio gehien izango lukeena hipotesi atomikoa izango litzateke, alegia, gauza guztiak atomoz eginak daudela. Hau da, materia osoa fisikaren legeei jarraituz jokatzen duten atomoz osaturik dagoela jakiteak naturaren fenomeno guztiak azaltzea ahalbidetzen digu.

Sorrera

Richard Feynman Nobel saridunak, 1959. urtean Kaliforniako Teknologia Institutuan (CALTECH) emandako hitzaldian (“Hondoan leku asko dago: fisikaren arlo berri bati hasiera emateko gonbidapena”), hauxe baieztatu zuen: “Fisikaren oinarriek, neuk ikusten ditudan bezala, ez dute ukatzen gauzak atomoz atomo manipulatzeko aukera. Ez da legerik hausten; izatez egin daiteke, baina, praktikan, ez da egin, handiegiak garelako. […] Jar itzazu atomoak kimikari batek dioen lekuan, eta substantzia bat egin duzu. Kimikaren eta biologiaren arazoak erraz konpon litezke, egiten duguna ikusteko eta gauzak eskala atomikoan egiteko dugun ahalmena gara bagenezake; garapen hori ekidinezina da”. Urte hartan, Feynmanek aurrea hartu zuen, gaur egun nanoteknologia hitzaz ezagutzen duguna plazaratuz, nanoteknologiaren oinarria atomo eta molekulen manipulazioa baita, material, gailu eta makinak sortzeko asmoz. Feynmanek hitzaldian Encyclopaedia Britannicaren hogeita lau liburukiak orratz baten puntan idazteko erronka plazaratu zuen.

Nanoteknologia hitza Tokioko Zientzia Unibertsitateko Norio Taniguchi irakasleak sortu zuen 1974. urtean, mikrometro batetik beherako silizio-ekoizpena deskribatuko zuen “Nanoteknologiaren oinarrizko kontzeptuaz” izeneko artikuluan. Baina Feynmanen erronka ez zen gauzatzen hasi 80. hamarkadara arte. Batzuen arabera, erronka horrek gailuen eraikuntzaren miniaturizazioaren ahaleginetara eraman zituen zientzialari eta teknologo asko, top down (goitik behera) ikuspegitik abiatuta. Beste batzuen arabera, Feynmanen erronkak Massachusettseko Teknologia Institutuko Eric Drexler ingeniariaren ideiak ahalbidetu zituen; Drexlerrek makina molekularren eraikuntza proposatu zuen 1981. urtean, bottom up (behetik gora) ikuspegitik abiatuta, mihiztadura molekularraren bitartez. Automihiztadura molekularrak sistema nanoskopiko funtzionalak eraikitzeko aukera ematen zuen, eta etorriko zenaren lehen seinale bilakatu zen: beharrezkoa zen nanoeskalako arazoei aurre egiteko jakintza-alor anitzeko ikuspegia. Drexlerrek 1986. urtean plazaratu zuen Engines of Creation (Sorkuntza-makinak) liburua nanoteknologiaren lehen aurkezpen sistematikotzat hartu ohi da, nahiz eta idazlan horretan azaltzen diren ideiek eta proposamenek kritika zorrotzak jasan dituzten, Richard Smalleyren eskutik bereziki. Smalley kimikariak Nobel saria lortu zuen (Curl eta Krotorekin batera), 1986. urtean, fullereno izeneko nanoegiturak aurkitzeagatik.

Nanoteknologiaren historiaren gertaerarik garrantzitsuena ekorketazko tunel-mikroskopioa (STM, scanning tunneling microscope) asmatzea izan zen. Mikroskopio hori Gerd Biningek eta Heinrich Rohrerrek asmatu zuten 1981. urteko martxoan, Zuricheko IBMko ikerketa-laborategian lan egiten zutelarik. Haiek eraikitako tunel-mikroskopioaz baliatuz, bereizmen atomikoko hiru dimentsioko lehen irudiak lortu zituzten. Tunel-mikroskopioa asmatzeagatik Fisikako Nobel saria lortu zuten 1986. urtean. Urte hartan bertan, AT&Bell laborategietako Russel Beckerrek eta haren kolaboratzaileek tunel-mikroskopioaz baliaturik germanio-kristal baten gainean materia ezarri zuten; 1987. urtean, Kaliforniako IBMko ikerketa-laborategian John Fosterrek eta haren taldekoek grafito-gainazal baten gainean molekula organikoa ezarri ahal izan zuten; eta, bi urte beranduago, IBMko ikerketa-laborategi hartan bertan, Donald Eiglerrek eta Erhard Schweizerrek frogatu zuten tunel-mikroskopioa banakako atomoen posizioak maneiatzeko balia daitekeela. Ikerlari horiek 35 xenon-atomo erabiliz nikel-gainazal baten gainean idatzi zituzten IBM letren irudia mundu osoan famatua bilakatu zen.

D.M. Eigler eta E.K. Schweizerrek 1989an ekorketazko tunel-mikroskopioaren bidez atomoak posizionatuz egindako irudia (iturria: jatorriz IBM Corporationek sortutako irudia)

Tunel-mikroskopioaren ondoren, zundazko beste ekortze-mikroskopio batzuk (SPM, scanning probe microscope) asmatu ziren, hala nola indar atomikozko mikroskopioa (AFM, atomic force microscope). Mikroskopio horiez baliaturik, nanometroen eskalako hainbat objekturen irudiak bereizmen atomikoarekin lortu ahal izan dira, eta objektu horiek era askotako substratuen gainean maneiatu ahal izan dira.

Nanoeskalaren zientzia eta teknologiari esker aurrerapauso erraldoiak eman litezkeenaz jabetuz, Amerikako Estatu Batuetako Mihail C. Roco ikerlariak 1996. urtean unibertsitateko, industriako eta ikerketa-laborategi federaletako hainbat eragile bildu zituen, nanoteknologiaren garapenerako nazio-estrategia abian jartzeko asmoz. 1999. urtean, garai hartan Amerikako Estatu Batuetako lehendakaria zen Bill Clintonen kontseilariak konbentzitu ahal izan zituen nanoteknologiaren aldeko apustua egiteko. Izan ere, Rocoren proposamen hark 490 milioi dolar jaso zituen, eta Amerikako Estatu Batuetako nanoteknologiako ekimena 2000. urtearen atarian iragarri zuten. Ekimen hura Amerikako Estatu Batuetako nanozientzietako ikerketako erreferente bilakatu da, eta herrialde hori, nanoteknologiaren garapenaren lider. Beste herrialde batzuek ere nanoeskalaren teknologiaren aukerari heldu zioten XX. mendearen bukaera aldera, hala nola Japoniak (Amerikako Estatu Batuetakoaren mailako aurrekontuekin), Europar Batasunak (seigarren eta zazpigarren esparru-programen bidez) eta, berriki, Txinak. Lux Research ikerketa-enpresak kaleraturiko txostenaren arabera, 2005. urtean munduan zeharreko herri-administrazioek, korporazio pribatuek eta arrisku-kapitaleko inbertitzaileek 9.000 milioi euro baino gehiago jarri zituzten nanoteknologiaren inguruko ikerketan, 2004. urtean baino % 10 gehiago. Gaur egun zalantza izpirik ez dago nanoteknologia XXI. mendeko hazkuntza ekonomikoaren eragile nagusietako bat izango denaz. Are gehiago, nanoteknologia dugu gizateriaren etorkizuneko garapenaren oinarri izan beharko lukeen jasangarritasunaren gakoetako bat.

Jakintza-esparru berria

Nano aurrizkiak grezieraz txikia adierazten du. Nanometroa milimetro-milioirena da, hau da, zentimoko txanpon-ertzaren milioirena edo giza hilearen diametroaren ehun milarena.

Naturako eskalak (iturria: Office of Basic Energy Sciences − U.S. Department of Energy)

Txikienetik hasita, nanometroa sei karbono-atomo edo hamar hidrogeno-atomo lerrokaturen tamainakoa da gutxi gorabehera edo DNA helizearen diametro-erdiaren neurrikoa. Objektuak nanotzat hartu ohi dira, haien dimentsioetako bat gutxienez atomo bat (0,1 nm inguru) baino handiagoa denean eta, aldi berean, mikroeskaletan eta makroeskaletan (100 nm ingurutik gora) agertzen direnak baino ezaugarri nabarmenki desberdinagoak erakusteko bezain txikiak direnean. Nanoeskala horretan, gaien ezaugarriak aldatu egiten dira, bai kuantu-mugaketagatik, bai azalen gero eta eragin handiagoen bitartez. Izan ere, txikia “ezberdina” dela esan ohi da. Baieztapen horren arabera, goragoko eskaletan gertatzen denetik ezin eskalatu daitekeen fenomenologia berria sortu da nanoeskalan; hots, ez da aski sistema fisikoek eskala handietan duten jokamoldeari begiratzea atomo gutxi batzuetako mailetan gerta daitekeena iragartzeko. Kristalitoek, esaterako, hainbat ezaugarri mekaniko dituzte, eta metal geldoek, urreak, kasu, jarduera katalitiko izugarria izan dezakete. Nanoeskalan, metodo kimiko, mekaniko eta elektrikoak ezin dira makroeskalan edo mikroeskalan bezala bereizi. Gainera, oinarrizko osagai biologikoen berezko neurrietan gaude, eta prozedura biologikoetatik zer ikasi handia dago materialen ezaugarrien ingeniaritza egiteko. Nanoeskalan aritzeak jakintza-adar klasikoen (fisika, kimika, biologia eta materialen zientzia eta ingeniaritza) konbergentzia dakar. Horrela, nanometroaren eskalako materiaren azterketa eta manipulazioa helburutzat dituen jakintza-esparru berria dugu nanozientzia. Beraz, nanoeskalak erronka bat ezartzen du zientziaren alorrean, eta industriaren alorrean ekoizpen eta onura sozial handiak ekarriko dituen nanoteknologiaren oinarri ere bada.

Materiaren fenomenoak eta manipulazioa eskala nanometrikoan aztertzen dituen zientzia berri horri nanozientzia deritzo. Nanoeskalako objektu eta sistemen ingeniaritza eta ekoizpenari nanoteknologia deitu ohi zaio. Nanozientzia eta nanoteknologiarena hainbat jakintza-arlo biltzen dituen diziplina arteko esparrua izaki, ezagutzaren eta teknologiaren aurrerapauso handi baten aurrean gaude eta, aldi berean, erronka handi baten aurrean: urtetan era independentean aritu diren komunitate zientifikoak elkarrenganatu behar izatea.

Makina molekularra: molekulak mihiztatzeko higidura-kontrolagailu zehatza (iturria : © IMM − Institute for Molecular Manufacturing; www.imm.org)

Nanoteknologia iraultzailea da

Gizakiak gauzak ekoizteari ekin zionetik, gauza handietatik (harriak, egurra, mineralak eta abar) abiatu izan da beti haren helburua lortzeko. Nanoteknologian, aldiz, atomoak eta molekulak eurak dira taldekatu eta egituratu egiten direnak, gure helburuak lortzeko. Horixe da, izan ere, izaki bizidunetan berez egiten dena: erribosoma zelularrek, RNAn transkribaturiko DNAren informaziotik abiatuz, zenbait aminoazido mihiztatzen dituzte proteinak osatzeko; proteina horiek gure gorputza osatuko duten oinarrizko adreiluak ditugu. Erribosomak —30 nm-koak dira— lantegi molekularrak ditugu, eta Drexlerrek aurreikusitako mihiztatzaile molekularren adibideak dira.

Gauza handienetik abiatuta (top down prozedura), gero eta objektu txikiagoak ekoitzi ahal izan dira doitasun handiz, baina sarritan hondakinak eta kutsadura sortzen dira, eta energia anitz kontsumitzen da. Teknologiaren aurrerapenarekin, hondakin- eta kutsadura-sorkuntza txikiagotu egin da, baina prozedura orokorra aldatu gabe.

Gauza txikienetik abiatuta (botton up prozedura), doitasun bikaina lor daiteke (ezin hobea, manipulazioa atomoz atomo gauzatuz gero), prozesuen kontrol ia osoa (osoa, doitasun atomikoaren kasuan), hondakin-kantitate arbuiagarria eta energia-kontsumo txikia. Prozedura horrek, bada, CO2-aren igorpen txikiagoa dakar, berotegi-efektu txikiagoa eta abar. Prozedura horri jarraiki, ingeniaritza molekularra gauzatu ahal izango da, non nanogailuak, nanomakinak eta nanorobotak izango ditugun, biologia molekularreko makromolekulen antzera arituko direnak.

Nanoteknologiari esker, materia artifizialki alda dezakegu naturak berak egiten duen bezalaxe: atomoz atomo, behetik gora. Nanoteknologiaren etorkizuna materialen propietate eta funtzioen konbinazio berriak sortzeko ahalmenean datza, eta hori erronka handia da, orain arte lortezina izan dena egin ahal izango baita. Hau da, nanoteknologiak neurrira egindako materialak eta sistemak ahalbidetuko ditu, atomoen manipulazioaz baliaturik, ohiko kimikak eskaini ahal izan duena baino haratago. Horrek malgutasun paregabea ekarriko du materialen diseinu eta ekoizpenean. Eta halaxe izango da, prozesuak bereizmen atomikoaz gauzatu ahal izango baitira, materia- zein energia-kontsumo txikiagoarekin eta hondakin-sorkuntza murriztuarekin. Laburbilduz, nanoteknologiaren etorkizuna honetan datza: gutxiren truke, asko ematea.

Nanoteknologiak material eta prozesu berriak eskainiko ditu, inguratzen gaituzten objektu guztietan egongo direnak. Konputagailu azkarragoak eta gailu elektroniko txikiagoak izango ditugu; eraikinak nahiz ibilgailuak sentsorizatu ahal izango dira; eta garraioa hobetuko da, erregaien ezaugarriak hobetuz eta materialak arinduz kontsumoak eta gas-igorpenak txikiagotuko baitira. Nanoteknologiaren eragina handia izango da medikuntzan ere: medikamentuak selektiboagoak izango dira, eta albo-efektuak txikiagoak, terapia berriak ahalbidetuko dira, eta diagnostikoaren tresnak hobetuko dira. Nanoteknologia, zalantzarik gabe, garapen jasangarriaren gakoetako bat izango da, ekoizpena materia- eta energia-kontsumo txikiagoarekin eta hondakin-sorkuntza murriztuagoarekin gauzatuko baita.

Erronka handia

Nanoeskalako egiturak bereizmen atomikoarekin manipulatzeko eta kontrolatzeko ahalmena lortu izanak ekoizpen-era berriak ahalbidetuko ditu. Horren ondorioz, industria berriak sortuko dira, eta, aldi berean, beste batzuk, halabeharrez, desagertu egingo dira. Ekoizpen industrialeko kateetan nanoteknologia oraindik ez da barneratu. Alabaina, badaude merkatuan nanoteknologian nolabait oinarriturik dauden produktuak; besteak beste, hauek aipa ditzakegu: ibilgailuen erregaientzako katalizatzaileak, titanio-dioxidoko eta zink-oxidoko nanopartikulak dituzten eguzkitik babesteko kremak, urraduraren aurkako estaldurak, nanobuztinez sendoturiko konposite polimerikoak, automobilgintzan eta bilgarrietarako erabiltzen direnak, ura uxatzen duten zuntzak, beira autogarbitzaileak eta lainoaren aurkako ispiluak.

Nanoteknologiaren ezaugarri nagusietako bat horizontaltasuna dugu. Ez dago nanoteknologiari etekina aterako ez dion sektorerik. Edonola ere, badirudi nanoteknologian oinarrituriko industriaren garapenaren hasieran trakzio-efektu handiena eragingo duten sektoreak hauek direla: elektronika, kimika, farmazia eta materialen ekoizpena (plastikoak, metalak, beirak, zuntzak eta abar). BASF etxearen aurreikuspenen arabera, nanoteknologiaren merkatua % 10-15 haziko da datozen urteetan. Lux Researchek igorritako azken txostenaren arabera, 2015. urterako nanoteknologia barne hartzen duten produktuen salmenta manufaktura-sektorearen fakturazioaren % 15 izatera helduko da, 2004. urtean % 0,1 besterik ez bazen ere.

Alabaina, etorkizuneko nanomakinak, nanorobotak eta/edo mihiztatzaile molekularrak oraindik urruti ditugu. Nanoteknologiak agintzen duena bete dadin, erronka ikaragarria dugu gure aurrean. Erronka horren adibide, hauxek ditugu: nanoosagaien neurri eta eiteen banaketa kontrolatu behar izatea, egitura eta kimika ezberdineko faseen arteko fasearteek betetzen duten zeregina eta, zer esanik ez, nanomaterialen eta nanogailuen eskala handiko ekoizpena.

Azkenik, gogora dezagun ezen “txikia ezberdina” delarik nanomaterialak ezin har ditzakegula mikroeskalako eta makroeskalako materialak bezalakoak izango balira bezala, haien propietateak, tamainaren araberakoak direnak, erabat ezberdinak baitira. Horrela, bada, nanomaterialek eta nanosistemek gizakiaren eta ingurugiroaren gainean izango duten eragina ez da izango ohiko materialek eta sistemek duten eragina bezalakoa. Beraz, beharrezkoa izango da, nanoteknologiaren garapenarekin batera, estandar berriak definitzea, terminologian, saioetan eta tresnerian eragina izango dutenak. Eta hori baldintza beharrezkoa izango da, nanoteknologiak ahalbideturiko produktuak merkaturatu ahal izateko eta, bereziki, kontsumitzailearen eta ingurugiroaren babeserako.

Nanoteknologiako zenbait teknika

Ekorketazko tunel-mikroskopioa (STM, scanning tunneling microscope)

Ekorketazko tunel-mikroskopioa (STM, scanning tunneling microscope) elektroiek klasikoki iragazgaitzak diren eremuetan zehar iragazteko duten ahalmen mekaniko kuantikoan (tunel-efektua) oinarritua dago. Metalezko punta bat (ikus hurrengo irudia), nanometro bakar batzuetako erradioa duena eta atomo bakar batez bukatzen dena, “ikusi” nahi den laginaren gainetik higiarazten da laginaren azala ukitu gabe. Punta horren eta laginaren potentzial elektrikoa ezberdinak baldin badira, hots, bien arteko potentzial-diferentzia ezarriz gero, tunel-efektuari esker elektroiek jauzi egingo dute puntatik laginera (edo laginetik puntara, polarizazioaren arabera), eta horrela sorturiko korronte elektrikoak sentikortasun ikaragarri handia izango du puntaren eta laginaren azalaren arteko distantziarekiko, tunel-korrontearen tunel-distantziarekiko menpekotasuna esponentziala baita; eta puntatik laginerako distantziarekiko sentikortasun esponentzial horrek laginean zeharreko 0,1 nm-ko ezaugarriak bereiztea ahalbidetzen du, hau da, laginaren azaleko atomoak banan-banan ikus ditzakegu. Bereizmena puntaren neurriaren araberakoa dugu. Tungsteno-punta lodiak berotuz eta eremu elektriko bortitz baten eraginpean kokatuz, muturrean atomo bakar bat duten puntak sortzen dira; izan ere, eremuak geruzaz geruza erauzten ditu atomoak, eta puntan atomo bakarra uzten du.

Ekorketazko tunel-mikroskopio edo tunel-efektuko mikroskopioaren eskema orokorra

Laginaren azala ekortzeko ohiko eran, puntari eusten dioten euskarri piezoelektrikoek, antolaketa bereziari esker, tunel-korrontea nabaritzen dute, eta puntari gora edo behera eragiten diote, korrontea (eta, beraz, gainazalarekiko distantzia) konstante gorde dadin. Prozesu horretan zehar euskarri piezoelektrikoei aplikatzen zaizkien tentsioek laginaren azalaren topologiaren erregistroa ematen dute.

Atomo-mailako irudi-eraketa

Beste erabilera batean, tunel-mikroskopioaren puntaren bidez banakako atomoak edo atomo-sortak manipulatzen dira, eta laginaren azalean zehar higiarazten dira. Manipulazio atomiko hori egin ahal izateko, zenbait parametro (eremu elektrikoa, tunel-korrontea eta Van der Waalsen indarrak, besteak beste) era egokian doitu behar dira. Van der Waalsen indarrak punta-lagina separazioa aldatuz doitu daitezke. Manipulazioa lateralki nahiz bertikalki egin daiteke. Manipulazio lateralean, punta erabiltzen da atomoak banan-banan gainazala utzi gabe posizio jakinetara higiarazteko. Manipulazio bertikalean, puntak lehenik atomoa hartu egiten du, ondoren posizio jakinetara eramaten du eta, azkenik, gainazalean uzten du berriro.

Manipulazio atomikoa

Indar atomikozko mikroskopioa (AFM, atomic force microscope)

Gainazal isolatzaileen irudiak egiteko erabili ohi da, bai eta indarrak neurtzeko ere. Korronte bat erabili ordez, gainazalak jauzi-ohol bat bezalako hegal baten gainean eragiten duen indarraren efektua neurtzen da, eta horrek gainazalaren irudikapena dakar. Halako hegalaren 0,1 nm-ko desplazamendu txikiak detektatuz, indar atomikoak neur daitezke.

AFM batzuetako hegala silizioaren edo silizio-oxidoaren zati bat izaten da, 100-200 μm luze eta 1 μm lodi. Hegalaren higidura detektatzen duen sentsoreak 0,1 nm baino desplazamendu txikiagoak bereiz ditzan, hegala laser argiaz argiztatu, eta, argi-detektatzaile baten bidez, sorta islatuaren posizioa erregistratzen da. Argi-detektatzaileak oinarri piezoelektrikoa —lagina gainean daukana— aktibatzen du, eta oinarri hori korronte batek kontrolatzen du, laginaren eta puntaren arteko distantziak konstante iraun dezan. Laginaren higidurak, bada, gainazalaren irudia dakar.

AFMek ingurune ugaritan lan egin dezakete: airean, uretan, tenperatura baxuetan edo hutsean. AFMak aminoazidoak, DNA, proteinak eta antzeko molekula biologikoak irudikatzeko erabiltzen dira, bai eta prozesu kimiko batzuk gertatu ahala irudikatzeko ere. AFMen bidez, halaber, grafitoaren, mikaren, sodio kloruroaren eta beste material anitzen azalen eskala atomikoko egitura iker daiteke.

Diogun, azkenik, AFMen bidez neur daitezkeen indarrak atxikidura-indarren ikerketan erabilgarriak direla, eta molekulen arteko bana-banako elkarrekintzak aztertzea ahalbidetzen dutela. Bestalde, material bigunen nanoindentazioaren azterketak egin daitezke; horren bidez, laginaren propietate elastiko eta biskoelastikoak eta elastikotasun-modulua karakteriza daitezke. Banakako atomoak ere maneia daitezke metodo mekaniko hutsez, korronte elektrikoa tartean duten metodoak erabili beharrean.

Beste zenbait teknika

• Fotolitografia. Metodo honek argia erabiltzen du, batez ere gailu erdieroaleak eta zirkuitu integratuak sortzeko. Prozesu honetan, patroi bat transferitzen da fotomaskara batetik fotografia-substratu batera.

• Elektroi-izpien bidezko litografia (Electron Beam Lithography). Fotolitografia bezalakoa da, baina argiaren ordez elektroi-izpiak erabiltzen ditu.

• Ioi-izpien bidezko litografia (Focused Ion Beam). Ekorketazko elektroi-mikroskopia eta elektroi-izpien bidezko litografia bezalako teknika da, baina ioi-sorta fokalizatua erabiltzen du —galio-ioiak erabili ohi dira—. Erabilera anitzeko teknika da. Irudi-teknika gisa erabil daiteke, bai eta litografian, jalkitzean eta transmisiozko elektroi-mikroskopiarako laginen prestakuntzan. Teknika honek laginaren gainazala hondatzen du, eta ioi-ezarpena sortzen du.

• Automihiztadura molekularra (Molecular Self-Assembly). Molekulak eta nanoegiturak kanpo-eragilerik gabe mihiztatzen dira. Sistema bizidunek automihiztadura erabiltzen dute multzo supramolekularrak eta egiturak eraikitzeko. Automihiztadurako tekniketan naturaren estrategiak imitatzen dira, atomo eta molekulekin hasita egitura berriak eraikitzeko; hauxe da, izan ere, nanoteknologiaren bottom-up tresna nagusia.