El silicio, un elemento revolucionario

Manos y arena Derechos de autor de la imagen BBC World Service

La próxima vez que esté en una playa, póngase a pensar cuánto de la economía mundial está hecha de arena... y no estoy diciendo que metafóricamente todo es "un castillo de arena", por cierto que pueda ser. Me refiero a las tres revoluciones tecnológicas que se han basado literalmente en esos granos.

Probablemente ya adivinó cuál es el elemento que está en el corazón de estas revoluciones: el silicio, el principal componente de la arena.

La primera revolución de silicio fue la del vidrio.

La humanidad empezó a explorar sus propiedades hace un millón y medio de años, cuando nuestros ancestros descubrieron que la obsidiana era útil.

Cuando ese vidrio volcánico, de color negro profundo que se forma cuando la lava se enfría rápido, se rompe queda con un borde muy afilado, bueno para armas y herramientas.

Derechos de autor de la imagen BBC World Service
Image caption El filo de la obsidiana quebrada le ganó apreciación.

Pero no fue sino hasta que las primeras civilizaciones surgieron en las planicies de Mesopotamia que aprendimos a hacer vidrio.

Para preparar vidrio

La receta es simple pero hay que seguirla con cuidado: ha tomado 5.000 años perfeccionar el proceso.

El ingrediente principal, dióxido de silicio o sílice, está en todas partes. El 75% de la corteza de la Tierra está hecha de este compuesto de oxígeno y silicio.

El sílice es la base de la mayoría de las rocas: lo que las diferencia es el proceso de formación y el hecho de que el dióxido de silicio crea cristales distintos dependiendo de los otros compuestos.

Una vez uno tiene sílice, usualmente en forma de arena, lo calienta a unos 1.600ºC hasta que se derrita. Se le agrega un poco de ceniza de soda y una pizca de roca caliza. La mezcla se debe enfriar rápido.

Con un poco de suerte, el resultado es un "sólido amorfo", que es precisamente lo que es el vidrio.

Eso significa que los átomos en el vidrio están fijos en su posición, pero en vez de formar cristales ordenados, están organizados aleatoriamente.

Por eso el vidrio es rígido, como un sólido, pero la organización de sus moléculas es desordenada, como las de un líquido.

Un mundo de cristal

Derechos de autor de la imagen BBC World Service
Image caption Miniatura flamenca o alemana que retrata una fábrica de vidrio del siglo XV.

Al descubrir cómo crear este increíble material duro pero transparente se abrieron las puertas a un nuevo mundo.

Piense en lo que sería la vida sin ventanas, parabrisas y botellas, y en qué habría sido de los científicos sin sus lentes para los microscopios y telescopios.

Y la química también depende mucho del vidrio, como Andrea Sella, del University College London (UCL), me señala entusiasmado en su laboratorio.

Me lleva al taller de vidrio de la universidad, donde el soplador de vidrio en jefe, John Cowley, crea vasos de precipitación, buretas, tubos de ensayo y pipetas.

Mientras Cowley infla un espectacular matraz sobre una llama de gas, Sella explica que la siguiente revolución del silicio se basó en una forma muy diferente del elemento.

99,9999999% puro

Hablamos, por supuesto, de la revolución informática impulsada por microprocesadores grabados en un chip de silicio.

En estos chips se usa sílice al que se le han eliminado sus dos moléculas de oxígeno y refinado hasta tornarlo en uno de los materiales más puros del planeta.

Sella saca un pedazo de algo que parece un metal plateado de una caja. Es, me dice maravillado, silicio 99,9999999% puro, el índice de pureza estándar en la industria de los microprocesadores.

Pero, ¿por qué silicio?

Por el hecho de que es un semiconductor, una sustancia cuya conductividad eléctrica puede ser manipulada.

Los chips de computador son esencialmente unas pistas de obstáculos para los electrones.

"Toda la industria de los semiconductores", explica Sella, "está basada en añadir impurezas deliberadamente para ajustar la conducta del silicio".

"Esas impurezas crean pequeños obstáculos para que los electrones los sorteen. Uno puede prender y apagar esos obstáculos para controlar la conducta de los electrones y grandes cantidades de estos obstáculos nos permiten hacer todas las funciones lógicas asociadas con un procesador de computador".

Los obstáculos son conocidos como transistores.

Placas milagrosas

Derechos de autor de la imagen BBC World Service
Image caption La libreta de notas y dos de los primeros circuitos integrados de Jack Kilby, hechos de germanio.

El primer circuito integrado -como se le decía a los chips de computador- era relativamente simple.

Fue creado por un ingeniero llamado Jack Kilby de Texas Instruments y presentado el 12 de septiembre de 1958. Estaba hecho de germanio, otro elemento semiconductor.

En cuestión de meses, un equipo de una compañía rival, Fairchild Electronics, liderado por Robert Noyce, creó un chip basado en silicio.

La industria entera de la computación moderna puede trazar su linaje hasta ese chip, aunque los modernos son millones de veces más complejos.

Ciertamente, el milagro del microprocesador moderno es el vasto número de transistores que la industria aprendió a meter en una placa diminuta de silicio. Y es gracias a ello que incluso los aparatos más pequeños tienen un poder de computación increíble hoy en día.

De 1.200 a mil millones

Derechos de autor de la imagen BBC World Service
Image caption Los chips son pistas para carreras de obstáculos de electrones.

El primero en darse cuenta de cuán rápido se iba a multiplicar el poder de las computadoras fue un colega de Noyce, Gordon Moore. Unos pocos años después de que se creara el primer chip, predijo que el número de transistores que contendrían se doblaría más o menos cada dos años.

Sin embargo, ni siquiera él anticipó que lo que ahora se conoce como la ley de Moore se mantendría durante más de dos décadas. Pero eso es lo que ha sucedido gracias, en buena parte, a las innovaciones de la compañía que él y Noyce fundaron: Intel, el fabricante más grande de computadoras del mundo por sus ingresos.

En el museo de la compañía hay una exhibición que ilustra la ley de Moore en acción. El primer chip, producido en 1969, contiene 1.200 transistores. Para 1972 esa cantidad se había más que doblado a 2.500. Y siguió doblándose sin cesar hasta los últimos chips de Intel, que tienen mil millones de transistores o más en un sólo chip diminuto de silicio.

Casi 50 años después de que Moore formuló su ley, seguimos preguntándonos por cuánto tiempo continuará esta increíble miniaturización.

"He estado en la industria por el tiempo suficiente para recordar cuando los expertos decían que no se era posible hacer aparatos de menos de 100 nanometros", dice Mark Bohr, quien está a cargo de encontrar la manera de que Intel pueda meter aún más transistores en hojas todavía más pequeñas de silicio.

"Ahora estamos haciendo aparatos de 10 nanometros y aún no hemos llegado al límite".

Para tener una idea de la escala, un glóbulo rojo humano mide unos 4.000 nanometros de diámetro.

El chip cerebral

No obstante, se van a necesitar tecnologías completamente nuevas si los chips siguen encogiéndose. Los aparatos futuros quizás ya no se vayan a basar en el flujo de grandes cantidades de electrones sino de la modulación de la rotación de estos.

Derechos de autor de la imagen THINKSTOCK
Image caption Otros elementos compiten con el silicio pero es el preferido por la facilidad para encontrarlo.

"En 20 años no se hablará de cuántos transistores se pueden meter en un chip sino en un volúmen cúbico", anticipa Bohr.

Hasta el momento, todos los microchips tienen circuitos grabados en un plano bidimensional; si es posible fabricar un chip tridimensional, se podría multiplicar la conectividad.

Según Bohr, el chip funcionaría más como un cerebro humano.

Pero el experto se pregunta si el silicio mantendrá su dominio en el mundo de la alta tecnología. Hay mucha investigación con materiales alternativos, compuestos que contienen galio, carbón, molibdeno, indio y arsénico, entre otros.

Sin embargo, el bajo costo y la disponibilidad del silicio significa que probablemente seguirá siendo la base en la que se depositen todos esos nuevos elementos.

La tercera revolución

El silicio también es la piedra angular de la última de mis tres revoluciones tecnológicas, la única que probablemente usted no adivinó.

Esta tecnología ya es una de las industrias de más rápido crecimiento en Estados Unidos, crea decenas de miles de empleos y, como la industria informática, tiene su hogar en Silicon Valley.

Los primeros consumidores no fueron los tecnonerds, sin embargo, sino un puñado de hippies cultivadores de cannabis en las lomas de California que se extasiaron con los paneles solares.

El hombre que los hizo enamorarse de la energía del Sol fue John Schaeffer, quien había dejado San Francisco en los 70 para unirse a una comuna hippy.

Poco después notó que sus compañeros en la aventura de vivir de una manera alternativa necesitaban un lugar donde comprar las palas y las lentejas con las que se construyen las nuevas utopías, así que abrió una tienda.

Un día llegó un hombre en un Porsche y le preguntó si estaba interesado en un nuevo negocio. Curioso, se acercó al auto.

"Sacó un par de fotovoltaicas que había rescatado del Programa Espacial", cuenta Schaeffer. "Las conectamos y rápidamente todos esos hippies del bosque empezaron a aparecer en la tienda y se enloquecieron con esas cosas".

Gerentes en territorio hippy

Esos primeros paneles solares eran muy modestos para los estándares modernos.

Con sólo 9 vatios, a duras penas podían encender la linterna más pequeña, y eran costosos: US$900 cada uno. Pero estos hippies eran ricos gracias a la producción de marihuana y estaban comprometidos con la idea del estilo de vida verde. En unas pocas semanas Schaeffer vendió mil paneles.

"Poco después, ejecutivos de Arco Solar, la primera compañía solar de Los Ángeles, se montaron en sus aviones privados y llegaron en sus trajes de negocios a la tienda de los hippies para ver qué estaba pasando", recuerda y se rie de cuán ridículo era todo.

Desafortunadamente, el resto del mundo no era ni tan rico ni tan idealista.

Tras el entusiamso inicial, el desarrollo de la industria ha sido largo y lento.

El problema es que los primeros paneles solares eran demasiado caros.

Electrones sin causa

Derechos de autor de la imagen BBC World Service
Image caption Silicio para hacer paneles solares: manipular sus electrones torna luz en electricidad.

Así como los chips tienen la ley de Moore, otra ley exponencial anticipó que el precio de los paneles solares iba a bajar cien veces desde que ese hombre en un Porsche llegó a la puerta de la tienda de Schaeffer hasta ahora.

La ley fue formulada por un ingeniero y pionero de la energía solar fotovoltaica llamado Dick Swanson, a quien conocí en su fábrica Sun Power en Silicon Valley.

Swanson explica que, como el chip de computador, las células fotovoltaicas aprovechan el hecho de que el silicio puro es un semiconductor.

"El silicio tiene una propiedad interesante: cuando la luz llega, puede hacer que se desprendan los electrones que mantienen a los átomos juntos".

Y cuando los electrones quedan libres, "no saben a dónde deben ir, así que vagan sin destino", explica.

Su trabajo es darle a esos electrones un propósito.

"Ponemos materiales en la superficie de la célula para que si un electrón se acerca, lo saque", continua. Cada electrón que los rayos desplazan deja lo que el llama "un hueco".

"El truco es diseñar una célula solar eficiente para convencer a los electrones de que salgan por un cable y a los huecos, de que salgan por el otro", revela. Y el reto para los ingenieros es hacerlo progresivamente más eficiente y barato.

La energía en la arena

Derechos de autor de la imagen BBC World Service
Image caption Si ésta ultima revolución colma su potencial, el mundo volverá a cambiar radicalmente.

Swanson se sonroja cuando menciono la "ley de Swanson". No quiere reclamar el mérito pero él fue el primero en darse cuenta de cuán pronto iban a bajar los precios de los paneles solares.

Lo que predijo fue que cada vez que el número de células solares en el mundo se doblara, el costo de hacer cada una bajaría un 20%. Y esta ley ha resultado ser increíblemente precisa. Los precios han caído como plomo desde los años 70: de US$100 por vatio en ese entonces a menos de US$1 hoy día.

Esa reducción exponencial en el precio explica la razón por la que la industria solar ahora sí está empezando a despegar.

En los lugares soleados donde la electricidad es relativamente cara -como Hawaii, California, Japón o Italia- el costo de suplir un vatio de energía con una célula solar en la actualidad es muy similar al de generarlo usando carbón, gas o energía nuclear.

Y, según Swanson, el precio podría caer aún más, lo que quiere decir que pronto esta industria podrá ofrecer energía barata y abundante sin las consecuencias de la contaminación que generan las otras formas de generación de energía.

Eso sería realmente revolucionario... y todo gracias al potencial de lo que guarda la arena con la que jugamos en la playa.