La historia de los 9 nueves (si el mundo fuera un cristal de silicio…)

Hay comparaciones fabulosas en la Ciencia porque nos hacen reflexionar sobre lo grande que es el Universo, o lo pequeños que son los átomos, o lo improbable que son ciertos sucesos, o lo asombroso que es lo que podemos hacer con la materia. Siento predilección por esas comparaciones que nos hacen más comprensible lo que escapa a nuestra intuición. Y es que nuestro cerebro tiene ciertas limitaciones.

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El Universo en escala logarítmica. (Imagen de Pablo Carlos Budassi basada en datos de la NASA)

En nuestro sistema de referencia humano, por ejemplo, tenemos grandes dificultades para imaginar tiempos superiores a los 1000 años, porque nuestra vida en la Tierra es bastante inferior a eso. Por eso, cuando se dice algo como “13800 millones de años” (que es la edad del Universo) nadie entiende realmente esa cantidad de tiempo. Nos hacemos una idea de lo que significa gracias a las matemáticas, que nos permiten jugar con potencias de 10 y escalas logarítmicas. Sin embargo éstas son escalas “peligrosas”, porque te hacen creer que ciertas cosas son comparables a otras cuando en realidad son mucho mayores, y un brillante ejemplo de esto es esta bonita versión del Universo comprimido de Pablo Carlos Budassi.

En otro orden de cosas, con las escalas de distancia también tenemos muchos problemas para entender lo verdaderamente pequeño o lo asombrosamente grande. Respecto a lo muy grande siempre me ha gustado esta progresiva comparación de tamaños de planetas y estrellas. Empieza en la Luna y acaba en la hipergigante roja VY Canis Majoris.

Respecto a lo más pequeño tengo debilidad por las comparaciones relativas al tamaño de un átomo. Hay muchos buenos ejemplos, sobre todo para reflejar lo pequeño que es el núcleo frente al tamaño total que ocupan los electrones y entender que somos prácticamente espacio vacío.

nano-particlesSin embargo, leí del propio Schrödinger (en su interesante libro ¿Qué es la vida?) una que me encanta porque junta nuestra falta de intuición en lo más pequeño con nuestra dificultad para entender la probabilidad de ciertos sucesos. La comparación, por ser precisos, no es del propio Schrödinger sino que en realidad proviene de Lord Kelvin, y dice así:

Supongamos que pudiéramos marcar las moléculas de un vaso de agua; vertamos entonces el contenido del vaso en el océano y agitemos de forma que las moléculas marcadas se distribuyan uniformemente por los siete mares; si después llenamos un vaso de agua en cualquier parte del océano, encontraremos en él alrededor de un centenar de moléculas marcadas.

De verdad, este tipo de analogías me parecen fascinantes. Es para pensar horas en ellas… Hay una versión parecida, también ingeniosa, sobre el mismo tema que parte de la pregunta: ¿qué probabilidad tienes de estar respirando una molécula del último suspiro de Julio César? Pregunta que está muy relacionada con un tema de actualidad: la ridícula idea de la homeopatía, sobre la que sólo puedo recomendar este excelente video de James Randi.

Pues bien, otra de las comparaciones que me gusta contar para que la gente tome conciencia de lo que representa la nanotecnología y el grado de control que exige es la historia de los 9 nueves (9N). Veréis, la mayor parte de la electrónica actual que manejamos (ordenadores, móviles, televisores…) está basada en el silicioun material semiconductor que se puede obtener en abundancia porque el 60% de nuestra corteza terrestre es óxido de silico. Ahora bien, para hacer que un semiconductor se comporte adecuadamente hay que crearlo con una calidad altísima, porque sus propiedades conductoras dependen precisamente de las impurezas introducidas.

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Imagen de alta resolución de un cristal de Si de grado electrónico (cada punto es un átomo de Si)

¿Qué es altísimo? Pues para empezar a producir Si lo que se hace es quemar arena de cuarzo (SiO2) con C a unos 2000 ºC. Eso genera un silicio que se llama metalúrgico  y que tiene cerca del 98% de pureza. Con ese Si no se puede hacer ningún componente electrónico porque tiene demasiados metales indeseados (fundamentalmente Al, Fe y B), así que para refinarlo se usa un complicado proceso de destilación (que lleva más de 300 horas). Después de ese proceso se alcanza un silicio de grado solar, que como su nombre indica tiene aplicaciones para dispositivos como células solares. Su pureza es de un 99.999%, pero no, eso es todavía demasiado poco para hacer un chip comercial.

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Método Czochralski para crecer Si electrónico y ejemplo de un lingote industrial (Fuente original desconocida)

El silicio de grado electrónico con el que se hacen los chips se produce en hornos especiales (por un método llamado Czochralski) dentro de salas que son más limpias que un quirófano. En esos hornos se hace girar una semilla  ultrapura que se mezcla con silicio fundido y que gira a una cierta velocidad para formar lingotes monocristalinos del tamaño de una persona. Esta tecnología es tan sofisticada que el silicio producido, señoras y señores…, tiene 9 nueves de pureza: 99.9999999%.

¿Qué significa eso en una escala que podamos entender? Pues aquí va la comparación que da título a esta entrada: eso significa que si el mundo fuera un cristal de Si de grado electrónico, y cada uno de nosotros un átomo dentro de ese cristal, ¡SÓLO 7 PERSONAS SERÍAN IMPUREZAS! ¿Podéis imaginar lo difícil que sería encontraros con una de ellas por la calle? Pues así de difícil es la ciencia que nos da la tecnología que usamos a diario.

World Population

Densidad de población en el mundo. Población actual: 7400 millones de personas. (Fuente: http://all-that-is-interesting.com/map-population-density).

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