fronteras de la física: nanociencia y materiales multifuncionales


La conferencia de hoy (ver transparencias) ha tratado un tema que desconocía completamente, el de los nanomateriales. La exposición, de lo más amena (se notaba que el ponente disfrutaba con el tema), ha sido a cargo del profesor Fernando Rodríguez González. Grupo de Altas Presiones y espectroscopía, Dpto. de ciencias de la tierra y Fisica de la Materia Condensada de la UC.

Por lo visto, lo que se pretende es construir materiales a partir de unos pocos átomos combinados y estructurados de elementos químicos de manera que manifiesten a nivel microscópico propiedades eléctricas, magnéticas, mecánicas y ópticas con el objeto de cumplir una función determinada previamente establecida. De alguna manera se pretende construir una suerte de átomos (entendidos por unidades básicas funcionales sobre las que desarrollar materiales) a medida. Para eso hay que manipular la materia a nivel atómico, en el orden del nm y de ahí la nanotecnología y la nanociencia.

Se empezó afirmando que existe una ciencia de los materiales. Una ciencia multidisciplinar que abarca química, física, ingeniería, … El departamento del ponente trabaja en ese campo y está metido en un grupo español de excelencia de investigación en este campo llamado MALTA-Consolider. Además este campo es una de las líneas estratégicas dentro del plan de investigación y desarrollo. En Europa, el presupuesto dedicado a este campo es mayor que el de otros como tecnologías de la información o energía. También se criticó de alguna manera el abandono a nivel regional de la investigación y desarrollo, en especial es este campo, donde disponemos de científicos y una producción científica superior a lo que cabría esperar del precario esfuerzo económico que se realiza.

Entrando ya en la parte científica, la materia a escala atómica (nm) está formada por combinaciones de elementos químicos (de la tabla de elementos) que forman ligaduras entre ellos utilizando los electrones más exteriores. Además los átomos así unidos forman estructuras con una determinada posición espacial. Todo esto confiere a dichos compuestos con estructura ciertas propiedades. El estudio de los materiales así formados, que componen todo lo que podemos ver a escala macroscópica, se realiza tanto en grandes instalaciones científicas (ESRF, ILL) como en pequeños laboratorios. Y los resultados de las investigaciones no tienen porqué venir de las primeras. De hecho, el último premio nobel de física vino del resultado de investigaciones hechas en un pequeño laboratorio. Al final ha resultado que los materiales a nivel de unos pocos átomos se comportan de distinta manera y tienen propiedades emergentes diferentes a sus equivalentes en escalas macroscópicas, de tal suerte, que se pueden conseguir comportamientos atómicos respecto a las cuatro propiedades: eléctrica, magnética, mecánica y óptica, sorprendentes, interactuando entre sí dichas propiedades.

El ponente hizo un repaso histórico en donde se vio claramente como los materiales y su dominio han sido esenciales en el progreso de la humanidad. Desde las primeras herramientas de sílex, al dominio de las aleaciones y transformaciones de metales mediante el fuego (altas temperaturas) que dio nombre a periodos importantes de la humanidad como la edad del bronce y la edad del hierro. Fue en el siglo XIX cuando el método científico, la química moderna y la búsqueda sistemática hizo avanzar la ciencia de los materiales. Se identificaron las propiedades fundamentales: eléctricas, magnéticas, mecánicas y ópticas (transmisión y emisión de luz) Sin duda alguna, el boom del estudio de los materiales se produjo en el siglo XX gracias a los avances teóricos de la física (la teoría cuántica) y técnicas experimentales microscópicas (difracción de rayos X, espectroscopía, microscopía más allá de la luz visible, modelización matemática y computacional de conjuntos de átomos, …) La transformación de los materiales a través de sus cambios de fase, que se pueden visualizar en las gráficas de temperatura y presión se ha estudiado muy detalladamente para ciertos elementos (por ejemplo el hierro y también para compuestos más complejos como óxidos y materiales cerámicos) Al final, se ha convertido en una ciencia multidisciplinar, visualizada en el tetraedro metodológico.

Los resultados prácticos del estudio de los materiales van más allá del mero conocimiento científico. Por poner un ejemplo real, el gran avance en los sistemas de almacenamiento de información se ha producido por el avance en la generación de luz coherente (laser) de una longitud de onda cada vez más pequeña (y por lo tanto más energética), lo cual supuso la aparición del CD y su evolución hacia el DVD y el BlueRay; y especialmente, en el caso de los discos duros, por el avance en el estudio de las propiedades ferromagnéticas de los materiales. Una memoria flash está hecha de un material cerámico.

Los cuatro hitos más importantes que señaló el ponente en el avance de la ciencia de los materiales son:

(1) La construcción del primer transistor práctico, en 1948, por parte de William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain. El ponente indicó que este hito fue gracias al trabajo de muchos científicos además de los que se llevaron el crédito, entre ellos los químicos que diseñaron los procedimientos de purificación para obtener materiales semiconductores verdaderamente utilizables.

NOTA: como nota curiosa John Bardeen recibió dos premios nobel de física. El primero por el transistor y el segundo por explicar la superconductividad (de la que se habló más adelante en la presentación) con la teoría BCS.

(2) La fabricación del primer láser de rubí (luego vinieron las investigaciones en otros materiales, en concreto semiconductores, para obtener láseres de otros colores/longitudes de onda, como el GaN para el azul, utilizado en discos BlueRay; finalmente han aparecido los materiales que emiten luz al paso de una corriente eléctrica, utilizados en los LEDs)

(3) La superconductividad, primero a bajas temperaturas y luego en temperaturas cada vez más altas con materiales basados en tierras raras y óxidos metálicos; parece ser que con estos materiales se ha alcanzado el límite de temperaturas y se están buscando otros materiales (indicó alguno en concreto que concentra todas las esperanzas, pero no recuerdo cuál es) Todo este afán por conseguir materiales superconductores a temperaturas cada vez más altas deriva del hecho de lo que se podría llegar a construir con esos materiales (dispositivos que no disipan calor, líneas de transmisión de energía sin pérdidas, …)

(4) La magnetorresistencia gigante, descubierta por Albert Fert y Peter Grünberg, por la que recibieron el premio nobel de física. Sus experimentos demostraron que colocando capas muy finas de pocos átomos de materiales con momentos magnéticos alternados (ferromagnéticos) y neutros (no ferromagnéticos) se podía conseguir variar a voluntad la resistencia eléctrica del material. Esto ha tenido como consecuencia discos duros de almacenamiento de gran tamaño. Además este control fino de los efectos magnéticos ha dado nacimiento a una nueva ciencia emergente llamada spintronics.

Para ilustrar la escala de manipulación y de “visualización” de lo que se manipula que hay que conseguir, que es del orden del nm, el ponente planteó un esquema a partir de la sección de un cabello humano (me gustaría recordarla con precisión)

Finalmente la charla derivó en los materiales multifuncionales. Reconozco que ahí me perdí bastante y aunque intuía ciertas cosas, me temo que no cogí del todo la explicación de muchos de ellos. Lo que pongo a continuación seguramente es una relación desordenada de notas, probablemente incorrectas y seguramente incompletas de lo que se habló (la iré mejorando si puedo)

CdSe nanocrystals
Nanomateriales basados en carbono:, fulerenos, nanotubos, aplicaciones (?)
– Materiales multiferroicos
– Multifuncionales Fe2+ (magnetismo, óptica y estructura; la luz hace que el material pase a ser de magnético a diamagnético)
– CuMoO4 (¿cambia de color según el tamaño de sus partículas?)
Hidrógeno metálico (el hidrógeno presionado de tal manera que sus átomos se dispongan en una estructura especial, de la misma manera que ocurre al grafito para convertirse en diamante, es un candidato para ser superconductor a temperatura ambiente.)
Diamantes superconductores

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5 comentarios en “fronteras de la física: nanociencia y materiales multifuncionales

  1. Resulta que la nanotecnología tiene aplicaciones en muchos campos, como demuestra dos noticias que he encontrado por Internet, en concreto en la revista electrónica EETimes.

    La primera en el campo de los superconductores:

    EE Times corrects story on silane as a potential superconductor

    EE Times
    (03/24/2008 8:00 PM EDT)

    (Editor’s note: A March 17 story about new research on the potential superconducting properties of the material silane contained numerous errors. They are corrected below.)

    A Canadian-German research team has reported what they say is the first evidence that superconductivity can occur in a common gaseous hydrogen compound — silane — when compressed to a solid at very high pressure.

    La segunda en el campo de la energía:

    Nanotechnology boosts thermoelectric effect

    R. Colin Johnson
    EE Times

    (03/20/2008 2:21 PM EDT)

    PORTLAND, Ore. — Thermoelectric coolers and power generators were handed a 40-percent boost in performance recently by a nanotechnological reconstruction of a classic bulk material. The technique is suitable for mass production, according to its inventors at Boston College and the Massachusetts Institute of Technology (MIT). This makes it of use in both industrial and consumer cooling applications from semiconductors to nanoscale power generators.

  2. La interacción de la luz con a materia, que se aplica creo a algunos de los materiales funcionales que se explicaron en la conferencia (en concreto a materiales que se están investigando en la Universidad de Cantabria) se puede estudiar mediante la óptica cuántica que aplica la mecánica cuántica a la misma luz y a sus interacciones con la materia.

    En España, se trabaja en ese campo, en el Institut de Ciéncies Fotóniques (ICFO) de Barcelona. Este instituto colabora con el Grupo de Óptica de la Universidad de Cantabria, como demuestra la siguiente noticia que he encontrado en la hemeroteca de noticias de la Universidad de Cantabria:

    21 de febrero de 2006

    El Grupo de Óptica colaborará con el Instituto de Ciencias Fotónicas de Cataluña para investigar con nanotecnologías.

    Los profesores Fernando Moreno y Francisco González visitaron el centro

    Fernando Moreno y Francisco González, profesores e investigadores del Grupo de Óptica de la Universidad de Cantabria, visitaron recientemente el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Cataluña. Fruto de esta visita, el equipo cántabro ha establecido una línea de colaboración con uno de los grupos de investigación del ICFO en nanotecnología, liderado por el profesor Gonçal Badenes. Además, Moreno y González impartieron sendos seminarios para dar a conocer al Grupo de Óptica de la UC.

    Para iniciar la citada colaboración en I+D, el grupo del profesor Badenes proporcionará muestras de nanopartículas metálicas depositadas sobre sustratos metálicos/dieléctricos, y el Grupo de Óptica aplicará a esas muestras sus técnicas de análisis de la luz difundida en campo lejano. Así se pretende encontrar la correlación entre los efectos observados por el ICFO en campo cercano (distancias mucho menores que la micra) y los observados a campo lejano (distancias muy superiores a la micra), área en la que el equipo de la UC es experto.

    Respecto a los seminarios, los profesores de la institución cántabra contaron las aportaciones del Grupo de Óptica en lo referente a su investigación básica en difusión de luz por superficies y sistemas de partículas en el rango micrométrico. También expusieron sus contribuciones en el terreno aplicado, en colaboración con empresas de Cantabria y tanto en Óptica Fisiológica (Instituto Cántabro de Oftalmología) como en Tecnología del Color (HIRSA y Textil Santanderina).

    En el primer ámbito se enmarca un proyecto de modelización del ojo mediante trazado de rayos y sus implicaciones en operaciones quirúrgicas (LASIK, cataratas, etc.), y en el segundo estarían el desarrollo de materiales vítreos fosforescentes para seguridad y decoración, y la aplicación de técnicas colorimétricas para resolver problemas concretos de color (a la carta, mezcla de colores, etc.).

    El ICFO tiene un campo de investigación bastante activo en nanotecnología aplicada a la óptica (nanophotonics)

  3. Una noticia que he leído hoy en la sección de noticias del Colegio de Ingenieros Técnicos de Telecomunicación demuestra la relación entre la nanotecnología y los sistemas de almacenamiento masivos de información digital, cosa que se comentó en la conferencia:

    (Diarioti.com)

    Almacenarán 1.000 terabytes en un CD

    Equivalente a 200.000 DVD.

    Científicos de nanotecnologías consideran viable poder almacenar el equivalente a 200.000 DVD en un solo DVD. Samsung anuncia que tales discos estarán disponibles comercialmente dentro de 10 años.

    A juicio de muchos, el CD es un soporte de almacenamiento que se acerca a la obsolescencia. Sin embargo, la situación podría ser revertida.

    El catedrático Min Gu de la Universidad Swinburne, en Melbourne, se dedica las investigaciones en el ámbito de la nanotecnología. Gu está abocado a un proyecto de 5 años de duración orientado al tema del almacenamiento en CD.

    Gu aspira a optimizar la tecnología de almacenamiento en discos del tamaño de los actuales CD. El equipo anuncia una solución que permitirá almacenar en cada disco asombrosos 1.000 terabytes. Esta capacidad equivale a 20.000 veces la capacidad de un disco Blu-ray de alta definición, o 200.000 la de un DVD corriente.

    Uno de los métodos descritos por el científico consiste en almacenar los datos en varias capas en los discos. Según indica, la tecnología DVD solo usa cuatro capas, mientras que su laboratorio ya ha llegado a las 52 capas y espera alcanzar las 200 o 300.

    Samsung ya ha suscrito un acuerdo con los investigadores para la producción y distribución comercial de los discos. Según Samsung, los primeros modelos estarán disponibles en un horizonte de 10 años.

  4. Otra noticia que demuestra que la tecnología alrededor de la spintronics está dando sus frutos y se espera que comercialmente se empiece a notar en 10 años:

    (Elpais.com)

    La capacidad de tu MP3 multiplicada por 100

    14/04/2008

    IBM desarrolla un chip que permite a un reproductor MP3 como iPod almacenar medio millón de canciones o 3.500 películas.

    Científicos del grupo IBM han desarrollado un nuevo tipo de memoria flash que permitirá guardar en aparatos como teléfonos móviles y reproductores de MP3 cientos de veces más información que en la actualidad. Aunque su puesta en escena en el mercado se antoja lejana, 10 años habrá que esperar para poder ver las bondades del producto en las tiendas.

    En un estudio publicado en la última edición de la revista Science, los científicos explican que este chip usa además menos energía, costará menos producirlo, funciona durante semanas sin recargarse y es prácticamente irrompible porque no tiene partes sueltas. Su inmensa capacidad de almacenamiento “abre la puerta a la creatividad para desarrollar aparatos y aplicaciones que nadie había imaginado hasta ahora”, asegura Stuart Parkin, director del proyecto. Además este tipo de memoria “lee 16 bits de datos a través de un sólo transistor”, lo que le permite interpretar y escribir información 100.000 veces más rápido que las memorias flash utilizadas en la actualidad.

    Ello supondrá, por ejemplo, que un reproductor de MP3 como el iPod podrá almacenar medio millón de canciones o 3.500 películas. En la actualidad, el iPod con mayor capacidad, el iPod Classic de 160GB, permite guardar hasta 40.000 canciones.

    Llamada Racetrack, esta memoria utiliza el movimiento giratorio de los electrones para almacenar datos, una tecnología conocida como spintronics y por cuyo estudio los científicos Albert Fert y Peter Grunberg ganaron el pasado año el Nobel de Física.

    Los autores del estudio reconocen que Racetrack se encuentra aún en fase de desarrollo y que llevará “dos o tres años” fabricar un prototipo. No obstante, añaden, esperan que los primeros aparatos con este tipo de memoria lleguen al mercado en una década.

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