Dispositivos mecánicos ultra pequeños: los MEMS

En el otro extremo de las técnicas de fabricación tenemos el método llamado de “top-down” que corresponde a la realización de estructuras micrométricas (1 m=1000 nm =10-6 m) a partir de un proceso de reducción y moldeado de materiales de dimensiones mayores. Este es el método típico de fabricación de dispositivos propios de la microelectrónica y que gracias al avance de las técnicas de litografía permite alcanzar hoy en día escalas submicrométricas.

Para fijar ideas podemos decir que en el microprocesador de una computadora actual tenemos unos 50 millones de transistores por cm2, lo que implica una dimensión típica de 1 m2 por transistor, con un detalle de los contornos del orden de los 100 nm. Esta miniaturización ha permitido reducir componentes electrónicos voluminosos dando a lugar a equipos portátiles, que de otra manera no se emplearían (radios personales, notebooks, teléfonos celulares, etc.) con un panorama de aplicaciones increíble.

¿Y qué tal si lográramos reducir máquinas enteras?
Se podrían construir, por ejemplo, pequeños dinamómetros (sensores de fuerza) que colocados en las patas de una cucaracha nos permitirían entender cómo efectúa y distribuye las fuerzas para lograr un desplazamiento tan eficiente en superficies no horizontales. Esta información nos llevaría eventualmente a construir nuevos dispositivos mecánicos en la escala humana para simular las técnicas de desplazamiento de estos insectos. También se podría armar, en dimensiones muy reducidas, un dispositivo ubicado en el cuerpo de un paciente (“lab on chip”), que analizara su sangre y que, en función de los resultados, inyectara fármacos en las dosis adecuadas, y hasta podría enviar una señal de alerta para que el paciente fuera atendido de urgencia. Estas máquinas funcionarían en definitiva como pequeños robots que nos permitirían la realización de un conjunto de tareas hasta hoy inaccesibles en un mundo de escala micrométrica.

La miniaturización de máquinas electromecánicas o MEMS ya es una realidad de nuestros días. Efectivamente, estos microdispositivos ya se emplean para la realización de acelerómetros, presentes en los airbags de los autos para determinar el momento justo en que se produce un choque y disparar así el mecanismo de inflado de las bolsas. Este mismo tipo de MEMS se emplean como elementos de navegación, particularmente en la industria aeroespacial, pero también se prevén aplicaciones como sensores de presión, temperatura y humedad. Se los ha incorporado en marcapasos, para sensar la actividad física del paciente y modificar su ritmo cardíaco. Para evitar falsificaciones de firmas, se ha pensado incorporar estos acelerómetros en lapiceras. De esta manera, no sólo estaría registrado el trazo particular de la firma sino también las velocidades y aceleraciones que le imprimió la mano a la lapicera mientras se firmaba, lo cual haría mucho más difícil su falsificación. También se emplean MEMS en los cabezales de las impresoras de chorro de tinta, produciendo la evaporación controlada de la tinta en el momento justo, y gracias a la entrega localizada de calor. Además de la ventaja del tamaño de estos dispositivos está el hecho de que se los puede fabricar de a miles abaratando notablemente su costo de fabricación.

Los MEMS, como toda nueva tecnología, han tenido un impacto importante a la hora de favorecer el acceso a nuevo conocimiento científico. Este es el caso de la llamada óptica adaptable. La luz de los objetos astronómicos que llega a los telescopios terrestres pasa necesariamente a través de la atmósfera, variando su camino óptico por las variaciones de densidad del aire y de temperatura. Como resultado se obtiene una imagen borrosa, con mala resolución angular. Para evitar este problema, una solución costosa es la de ubicar los telescopios en el espacio (como es el caso del Hubble). Otra solución menos costosa e interesante por su capacidad de emplear telescopios grandes, no limitados por las dimensiones que se pueden manejar en los transportes espaciales, es la que aportó el desarrollo de espejos cuya superficie se deforma mediante MEMS, corrigiendo las distorsiones que produce la atmósfera terrestre.

Esquema del dispositivo que corrige las deformaciones de la imagen producidas por la turbulencia de la atmósfera terrestre. La óptica adaptable, realizada mediante MEMS, permite neutralizar este efecto y obtener una resolución angular adecuada como para distinguir objetos estelares que de otra manera se encontrarían confundidos en una imagen borrosa.

Otra aplicación científica de los MEMS fue la realización de instrumentos de medición de fuerzas entre dos objetos cuyas superficies se encuentran a distancias submicrométricas (< 1um). Uno de los objetivos era poner en evidencia posibles desviaciones de la ley de gravitación universal respecto de la ley establecida por Newton, como predicen algunos modelos teóricos. Según estos modelos, estas desviaciones se podrían hacer más evidentes cuanto menor sea la distancia entre los objetos. El problema es que a cortas distancias también aparecen otras interacciones, como la que surge del llamado efecto Casimir. Este efecto, ligado a la aparición de una fuerza atractiva entre objetos conductores, cuyo origen se relaciona con una propiedad cuántica (oscilaciones de punto cero), se manifiesta principalmente a distancias nanométricas y depende de la geometría de los objetos en cuestión. Los MEMS han aportado las herramientas para evaluar estas fuerzas y corroborar las leyes y sus desviaciones en un rango de distancias hasta ahora no explorado.

En esta imagen, obtenida mediante un microscopio electrónico de barrido (SEM), se puede apreciar un conjunto de bobinas de tamaño micrométrico realizadas mediante técnicas litográficas.