Amistad Europea Universitaria

Nanofísicos en “El Fuerte de Marbella”


Coincidiendo con el Nanomeet que se celebrará en El Fuerte de Marbella el 15 y el 16 de junio, acaba de aparecer en la revista Louvain (1) un número monográfico consagrado “Al descubrimiento del nanomundo”.

En este número aparece la opinión sobre el origen histórico y la evolución actual de la nanofísica del profesor de física Juan-Cristóbal Charlier, uno de los nanofísicos de la brillante escuela de física lovaniense, heredera directa de la astrofísica y de la cosmología de George Lemaitre. Según él, la materia presenta a escala nanométrica propiedades diferentes de las observadas en nuestro mundo macroscópico. La aparición de las nanotecnologías, cuya novedad consiste en explotar industrialmente estas propiedades, nos deja entrever una revolución: la concepción de materiales a escala atómica y molecular.

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La física en el nanomundo

Por Juan-Cristóbal Charlier, investigador calificado del FNRS y profesor de Física en la Universidad católica de Lovaina (UCL)(1). Traducción y adaptación de Salvador García Bardón.

A escala nanométrica la materia presenta propiedades diferentes de las observadas en nuestro mundo macroscópico. La superficie de una hoja de loto, las alas de una mariposa, el comportamiento de un electrón o también los nanotubos de carbono son tantos nanosistemas naturales o creados por el hombre, cuyos fenómenos físicos se revelan asombrosos.
Hace cerca de 2400 años, el filósofo griego Démocrito predecía que nuestro mundo material estaba constituido por átomos, es decir, de pequeñas cantidades de materia insignificantes e insecables. Una gota de agua contiene ya 1000 000 000 000 000 000 000. El tamaño de un átomo equivale en realidad a un décimo de nanómetro (el cual es una mil millonésima parte de metro). Con el fin de representarse la dimensión de los átomos, se puede proceder a comparaciones fáciles como, por ejemplo, la de la relación entre el diámetro del átomo de carbono y el de una bola de tenis, que equivale a la relación entre el diámetro de la bola de tenis y el de la tierra.

En los años ochenta, fue posible por primera vez “imaginar” los átomos gracias al microscopio a efecto túnel. Este instrumento revolucionario, basado en un efecto puramente cuántico, permite barrer la superficie de un material conductor y registrar las variaciones de la corriente “túnel” entre la punta del microscopio y la superficie del material, si se aplica previamente entre ellas dos una tensión eléctrica. Una reconstrucción de la superficie sobrevolada permite así la observación de los átomos. La estructura atómica de un material aislante (polímero, cerámica, material biológico) puede, por su parte, ser observada por microscopía a fuerza atómica: la punta del microscopio, en ese caso, se fija en un brazo de palanca flexible que barre y frota la superficie del material, que debe observarse siguiendo el relieve. La deformación de la palanca permite así imaginar la estructura atómica de la superficie.

Aunque inicialmente concebido para la observación, el microscopio a efecto túnel también ha sido utilizado para desplazar átomos uno a uno, como una “pinza a átomos”. Con ayuda de la punta del microscopio, un átomo puede cogerse, desplazarse sobre la superficie y depositarse en el lugar deseado (véase abajo los ejemplos (2).

El microscopio a fuerza atómica permite también desplazar, sobre un substrato liso, objetos como moléculas biológicas. Esta manipulación de átomos o moléculas individuales permite la construcción de sistemas ultraminiaturizados (técnica de enfoque down- top ‘de abajo arriba’). Si estos dos microscopios son hoy en día herramientas fiables de caracterización para las nanotecnologías, las técnicas de fabricación que se les asocian permanecen a escala del laboratorio, ya que no permiten una producción industrial de nanosistemas complejos. Ésta puede obtenerse mediante otra técnica de elaboración, que consiste en construir el nanosistema a partir del material macroscópico, en primer lugar grabado y reducido por la mano del hombre y luego por sus instrumentos (enfoque top-down ‘de arriba abajo’). Es el procedimiento que utiliza, por ejemplo, la electrónica desde hace varios años (leer el artículo Nano, el ipod?).

La construcción de estos nanosistemas y el estudio de las propiedades de estos últimos permitió la observación de fenómenos físicos intrínsecamente muy vinculados a las bajas dimensiones del material. La nanociencia es pues un nuevo enfoque vinculado a la comprensión y al control de las propiedades de la materia a escala nanométrica. A esta escala, en efecto, la materia presenta propiedades a menudo asombrosas y diferentes de las observadas en nuestro mundo macroscópico.

La vida como inspiración

Las nanotecnologías en la naturaleza: las alas de la mariposa, el ocelo de la pluma de pavo real y la edelweis. Para la edelweis (‘flor de nieve’), los finos filamentos blancos que lo cubren absorben los rayos ultravioletas, protegiendo así naturalmente la planta. Una propiedad que le es muy útil en altitud.

Una primera ilustración de la nanociencia se inspira en el mundo vegetal: la observación de la superficie de la hoja de loto revela la presencia de minúsculos pilares que hacen pensar a un tablero sembrado de clavos. Las gotas esféricas de agua, sostenidas por estos pilares, no pueden extenderse y mojar la superficie del tablero. Lo mismo sucede con los granos de polvo, que no pueden adherirse a la superficie y serán arrastrados por la lluvia.

Fabricar por biomimetismo, es decir, fabricar imitando la naturaleza tales superficies artificiales, con la ayuda de nanomateriales, (leer el artículo Las lecciones de la naturaleza) es una apuesta tecnológica considerable, ya que las aplicaciones potenciales de estos recubrimientos nanomodificados serán numerosas: cristales antisuciedad, para ventanas y automóviles, pinturas autolimpiadoras, recubrimientos antibacterianos para la cocina y las instalaciones sanitarias, etc.

El mundo de la vida presenta también una gran diversidad de colores. Numerosas especies vivas se dotaron con sistemas de tratamiento de la luz extremadamente elaborados. Estos sistemas tienen por objeto producir distintos mensajes visuales, a veces destinados al reconocimiento mutuo en una misma especie o a la constitución de barreras instintivas en los depredadores. Un coleóptero puede parecer verde o azul. Juega con la luz que refleja sobre varias capas de un nanoestructura de quitina, que es el biopolímero con el que se fabrica el esqueleto externo del insecto. Los colores tornasolados de las alas de las mariposas o de los ocelos de las plumas del pavo real también provienen de interferencias creadas por la luz y de la estructura íntima que las constituye a la escala nanométrica. A veces también, las nanoestructuras se producen en intercambios más sutiles, facilitando la absorción térmica o la protección contra las radiaciones ultravioletas. Para la edelweis, los finos filamentos blancos que lo cubren poseen una propiedad útil sobre todo en altitud: absorben en masa los rayos ultravioletas, protegiendo así naturalmente la planta contra estas radiaciones peligrosas. El estudio de estos dispositivos creados por la vida es una fuente constante de inspiración para las ciencias de los materiales.

La aparición de las nanotecnologías nos deja entrever una revolución: la concepción de materiales a escala atómica y molecular.

En estas estructuras muy finas, resulta posible observar el comportamiento ondulante del electrón, como lo describe la teoría cuántica. Los fenómenos de transporte electrónico en las nanoestructuras difieren, en efecto, de la conducción eléctrica habitualmente observada en los sistemas macroscópicos, lo cual engendra un trastorno convulsivo de las ideas recibidas, por falsificación de nuestros prejuicios. La conductancia (facilidad con la cual los electrones se desplazan en los sólidos) se cuantifica, es decir, va a evolucionar por saltos sucesivos. A baja temperatura, la distancia recorrida por el electrón pasa a ser del mismo orden de magnitud que la dimensión de la nanoestructura. El electrón no sufre ya o sufre poco de “choques” con las vibraciones atómicas, y el transporte electrónico se convierte en “balístico”.
En esta situación, inyectar un electrón por un lado de la nanoestructura implica que se encuentra automáticamente del otro lado - una onda electrónica se propaga en un nanoestructura - y que se le ofrecen varios caminos - aparecen fenómenos de interferencia, que modulan de manera periódica la propiedad medida a baja temperatura -. Así pues, desde hace una veintena de años, el desarrollo de las nanotecnologías ha permitido explorar el transporte coherente de los electrones en el marco de una nueva ciencia, llamada física mesoscópica.

El "espín" (‘la vuelta’) del electrón

Numerosos científicos ven en las nanotecnologías una buena oportunidad de poner a punto un tipo completamente nuevo de electrónica. Uno de los grandes retos de la electrónica es sustituir el transistor clásico por una nanoastructura específica o por una molécula que funcione como un interruptor eléctrico. Esta miniaturización del transistor permitiría fabricar ordenadores más pequeños, mucho más rápidos y que consumirían menos electricidad. La electrónica de hoy está basada solamente en la carga que es transportada por el electrón. Pero este último posee también otra propiedad interesante: su vuelta. La vuelta del electrón es una clase de movimiento de rotación del electrón en torno a su eje como un trompo. Gracias a esta minúscula aguja magnetizada, el electrón puede obrar recíprocamente con un campo magnético. Una aplicación de la “spintrónica” o magnetoelectrónica está ya presente en la vida de todos los días: los nuevos discos duros poseen cabezas de lectura móviles con diodo láser, para finas capas, que descubren, sobre la base de la enorme resistencia magnética, minúsculos ámbitos magnéticos, permitiendo así densidades de almacenamiento muy elevadas.

A veces, la nanotecnología vuelve a dar vida a ideas antiguas, que habrían desaparecido debido a la ineficacia de los materiales disponibles, como la producción de corriente termoeléctrica. Descubierta en el siglo XIX, la termoelectricidad consiste en la producción de electricidad a partir del calor (efecto Seebeck) o inversamente, en la producción de calor a partir de la electricidad (efecto Peltier). La nanotecnología permite hoy desarrollar nuevos materiales que garantizan una utilización de la termoelectricidad a niveles de eficacia muy elevados.

Por fin, el descubrimiento inesperado de nanoobjets como las moléculas de fullerenos C60 (1985) (3) y los nanotubos de carbono (1991) tuvo un impacto muy importante en la toma de conciencia del enorme potencial industrial de las nanotecnologías.

El nanotubo de carbono es una nanoestructura artificial, creada por el hombre, que consiste en una hoja de grafito compuesta de átomos de carbono dispuestos en red hexagonal, como un nido de abejas, y envueltos sobre sí mismo como un cilindro. Su diámetro es del orden del nanómetro, mientras que su longitud puede alcanzar varios micrómetros (una millonésima de metro).

Gracias a su estructura muy simple y muy estable, el nanotubo posee propiedades mecánicas sorprendentes: es 100 veces más resistente que el acero siendo 6 veces más ligero. Además, el nanotubo es extremadamente flexible; es pues el candidato ideal para fabricar materiales compuestos de alto resultado. Desde el punto de vista eléctrico, el nanotubo de carbono es alternativamente un excelente conductor o un semiconductor, en función del ángulo de enrrollamiento de la hoja de grafito. Por lo tanto, se convierte automáticamente en el ladrillo elemental para la nanoelectrónica del mañana. Por fin, cuando se somete a una diferencia de potencial, el nanotubo emite electrones, lo cual hace que se utilice ya como nanocañón, en las pantallas planas de algunos televisores y ordenadores.

Elaborar nuevos materiales y componentes cada vez más pequeños, construir átomo por átomo nuevas arquitecturas y montarlas, para realizar nuevas funciones, son los retos para los próximos años. Llevada a hombros por la simulación numérica, que permite predecir la estructura y las propiedades de tales nanoobjetos, la experiencia deberá poner de relieve los nuevos fenómenos que aparecen a escala del nanomundo, explotarlos con el fin de desarrollar las nanociencias y ponerlos al servicio de la sociedad del mañana.

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(1) Louvain 163, A la découverte du nanomonde, UCL, Alumni et amis, mai 2006.

(2) Así, por ejemplo, 48 átomos de hierro han sido desplazados y dispuestos en un círculo de 15 nm de diámetro sobre una superficie de cobre. Esta imagen del “corral cuántico”, obtenida gracias a un microscopio a efecto túnel, pone de manifiesto que los electrones se comportan como ondas: forman una nube concéntrica que ondula como la superficie del agua en la cual se habría lanzado una piedra.

Imagen de un “corral cuántico” en forma de estadio, obtenida con el microscopio de efecto túnel, al posicionar átomos de hierro sobre una superficie de cobre. (Foto, cortesía de Don Eigler, IBM).

(3) Descubrimiento de los fullerenos.

Curl, Robert F. (1933 - ), químico estadounidense, contribuyó al descubrimiento de una nueva familia de moléculas de carbono conocidas como fullerenos. Este descubrimiento conjunto le valió el premio Nóbel de Química 1996.

Se licenció en 1954 en la Universidad de Rice, Houston (Texas), y se doctoró en la Universidad de California, Berkeley, en 1957. Al año siguiente volvió a Rice para unirse al Departamento de Química, donde se convirtió en catedrático en 1967.

En Rice, Curl se especializó en espectroscopia de infrarrojos y microondas, separando y analizando agregados (clusters) de átomos de una gran variedad de sustancias. A menudo colaboró con su compañero Richard E. Smalley, que había construido un láser para crear y estudiar clusters de casi cualquier tipo.

Curl se mantuvo a menudo en contacto con un químico británico y espectroscopista de microondas, Harold W. Kroto de la Universidad de Sussex. Desde principios de la década de los setenta Kroto había estado analizando las nubes de gas del espacio interestelar y había descubierto cadenas largas de carbono y de nitrógeno. Curl sugirió que el láser de Smalley podría servir para reproducir las condiciones bajo las que estas cadenas se forman en el espacio.

En septiembre de 1985 Kroto viajó a Rice. Durante once días Curl, Kroto y Smalley, junto con los estudiantes graduados de Rice James R. Heath y Sean C. OBrien, crearon clusters de carbono con el aparato de Smalley. Irradiaban la muestra de grafito con el láser y el aparato separaba los átomos de carbono y los mezclaba con helio, un gas inerte. Los clusters de carbono se formaban cuando la mezcla gaseosa se enfriaba en una cámara de vacío.

El análisis espectroscópico de los experimentos sorprendió al equipo: no encontraron las esperadas cadenas largas, sino lo que parecía ser una disposición simétrica y cerrada de átomos donde la estructura más común era la que contenía sesenta átomos de carbono. Los miembros del equipo sugirieron que la estructura de esta molécula era similar a la de un balón de fútbol. También se parecía a las cúpulas geodésicas diseñadas por el arquitecto e inventor estadounidense R. Buckminster Fuller, por lo que le dieron el nombre de buckminsterfullereno.

Cuando Curl y el resto del equipo publicaron sus resultados a finales de 1985, muchos científicos se mostraron escépticos ante la idea de nuevas moléculas de carbono de geometría esférica. Hasta 1990, cuando otro grupo consiguió sintetizar grandes cantidades de moléculas de fullerenos, no se confirmó la teoría del equipo.

Científicos de todo el mundo comenzaron a estudiar entonces este nuevo campo de la química, desarrollando unas 5.000 variaciones de fullerenos. Éstas incluyen estructuras en forma de tubos muy fuertes que probablemente tendrán aplicaciones muy importantes en electricidad, ciencia de materiales e incluso en medicina. Mediante la introducción de átomos específicos en el interior de los fullerenos, los científicos esperan desarrollar nuevos modos de suministrar fármacos a lugares concretos del cuerpo humano. La química de los fullerenos tiene un prometedor futuro por sus posibles aplicaciones, y ha proporcionado a los científicos un modo totalmente nuevo de racionalizar la química del carbono.

Fuente de esta nota: Fisicanet
http://www.fisicanet.com.ar/nove/nobelquimica/nobel_quimica_1981_2000.php

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(1) Prof.Dr Jean-Christophe Charlier: Centres d'intérêt scientifiques/ Scientific Interests et/and Liste des publications/ List of publications


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