El titular de esta entrada puede parecer muy rebuscado, pero sigue la línea del artículo técnico “Building micro-soccer-balls with evaporating colloidal fakir drops,” arXiv:1203.4361, enviado primero a Physical Review Letters, pero que ha acabado apareciendo en PNAS, como Álvaro G. Marín et al, ”Building microscopic soccer balls with evaporating colloidal fakir drops,” PNAS 109: 16455-16458, October 9, 2012. Álvaro es un físico sevillano que tras obtener su doctorado en el grupo de Antonio Barrero Ripoll (1947-2010), como muchos jóvenes, tuvo que emigrar para continuar su brillante carrera investigadora. Tras tres años en la Univ. de Twente, Holanda, ahora se encuentra en la Univ. Bundeswehr de Múnich, Alemania. Su trabajo en micro- y nano-fluidos es realmente interesante. La sección ¡Eureka! de La Rosa de los Vientos, Onda Cero, de este fin de semana ha estado dedicado a su trabajo. Si te apetece escuchar el audio, sigue este enlace.
Almacenar información binaria en un solo átomo es uno de los objetivos de la espintrónica, el problema es cómo acceder a dicho átomo para leer y cambiar cada bit. Una cadena unidimensional de átomos, un nanohilo, podría ser una solución, pero hasta ahora ninguna propuesta es robusta a la presencia de impurezas e inestabilidades de carga lo que impide su uso práctico. Nader Zaki (Universidad de Columbia) y sus colegas han descubierto que en un nanohilo de átomos de cobalto sobre un substrato de cobre, a muy baja temperatura, los átomos de cobalto son acoplan en parejas, formando una cadena de dímeros robusta ante impurezas y capaz de sobrevivir a las inestabilidades de carga. Más aún, para sorpresa de los propios investigadores, la razón por la que se forman estos dímeros es la inestabilidad de carga o CDW (charge-density-wave) que induce una transición de fase en el nanohilo a un estado ferromagnético, lo que han demostrado comparando simulaciones por ordenador y datos experimentales obtenidos mediante un microscopio de efecto túnel de baja temperatura (LT-STM). La longitud del enlace que une dos átomos de cobalto en un dímero es de 2,0 ± 0,1 Å, un valor menor que la distancia entre cada dos átomos de cobre en el substrato, de 2,56 Å, y que la distancia entre dos átomos de cobalto en configuración triangular sobre el mismo substrato, de 2,50 Å. Los dímeros de cobalto son magnéticamente independientes entre sí, aunque no están electrónicamente aislados, por lo que los autores creen que sus nanohilos de cobalto “dimerizados” podrían permitir el desarrollo de memorias binarias unidimensionales en las que el espín de cada dímero almacenaría un bit y su estado se podría controlar aplicando corrientes eléctricas apropiadas; por supuesto, el desarrollo de estas memorias espintrónicas a baja temperatura requerirá avances futuros. El artículo técnico es Nader Zaki (Columbia University) et al., ”Spin-exchange-induced dimerization of an atomic 1-D system,” arXiv:1208.0612, Subm. 2 Aug 2012.
Esta imagen del microscopio de efecto túnel (LT-STM) muestra la interacción de una impureza (una molécula de CO) con la cadena dimerizada de cobalto. Se observa claramente la inactividad de la cadena y la gran robustez de estos nanohilos ante la presencia de la impurezas. La “dimerización” de la cadena ha sido observada a 5 K pero se mantiene hasta temperaturas tan altas como 81 ± 4 K; los autores creen que hay una temperatura crítica alrededor de 91 K a partir de la cual se destruye el efecto y se instabiliza el nanohilo, como muestran las imágenes de abajo obtenidas mediante una técnica de substracción del substrato. La física de esta transición de fase todavía no se entiende en detalle y será objeto de futuros estudios específicos.
Se publica en Nature un nuevo método para fabricar partículas esféricas de tamaño diverso, desde unos 20 nanómetros hasta unos 2 milímetros, basado en la inestabilidad de Rayleigh-Plateau en un chorro líquido, la que hace que un grifo gotee. En la fabricación de fibras ópticas por estirado de una preforma calentada en un horno, la velocidad de estirado no puede superar cierto valor crítico, pues en caso contrario aparece esta inestabilidad y el núcleo de la fibra colapsa. Pero este grave problema ha sido convertido en virtud, pues permite la fabricación de microgotas esféricas. El núcleo de la preforma, que se convertirá en las partículas esféricas negras de la figura, es triseleniuro de diarsénico, mientras que el recubrimiento es de un polímero, de color ámbar en la figura, polietersulfona (PES). Hay otros métodos de fabricación de microgotas esféricas, pero pocos son tan eficientes para generar una suspensión de nanopartículas de decenas de nanómetros. Las aplicacicones, sobre todo en biomedicina, son muy prometedoras. Nos lo cuentan Ali Passian, Thomas Thundat, “Materials science: The abilities of instabilities,” Nature, Published online 18 July 2012, que se hacen eco del artículo técnico de Joshua J. Kaufman et al., ”Structured spheres generated by an in-fibre fluid instability,” Nature, Published online 18 July 2012.
Esta figura muestra la fabricación por estirado de la fibra. La preforma (a) se calienta en un horno a cierta altura hasta que se licúa y cae por la gravedad como caería un chorro de leche condensada. La fibra se solidifica al caer y su núcleo es muy pequeño comparado con el revestimiento, como muestra la figura (b). El estirado se logra enrollando la fibra en un tambor que hace rotar a gran velocidad (a). La novedad viene más allá de este tambor, donde se coloca otro tambor que estira más aún la fibra provocando la aparición de la inestabilidad de Rayleigh-Plateau y el goteo del núcleo de la fibra (c). En función del diámetro del núcleo de la preforma, el perfil de temperatura del horno y la velocidad de estirado se logra fabricar una gran variedad de micropartículas esféricas, tanto en la microescala (e) como en la nanoescala (f).
Este vídeo muestra una simulación tridimensional de la evolución de la inestabilidad que provoca la formación de las gotas en el interior de la fibra de polímero; se han simulado las ecuaciones de Navier-Stokes para el chorro líquido compuesto para bajos números de Reynolds. La gran limitación del método de Kaufman y sus colegas es el tipo de materiales que se pueden utilizar para fabricar las nanopartículas. Cualquier material que cambie sus propiedades al ser calentado, que se degrade o cambie de estado, provocará inestabilidades anteriores a la formación de las gotas. Otra gran limitación es la dificultad de encapsular substancias en las nanopartículas.
Kaufman y colegas han demostrado además que es posible sintetizar micropartículas de dos materiales con dos caras, lo que los autores llaman “partículas de Jano” (por el dios de la mitología romana que tenía dos caras). Para ello basta introducir la estructura de Jano en el núcleo de la preforma, como muestra la figura. Estas partículas son muy interesantes porque se pueden utilizar en sensores, actuadores y dispositivos de conversión de energía, así como bloques de construcción para la auto-ensamblaje de estructuras. Obviamente, el procedimiento de fabricación de estas “partículas de Jano” requerirá importantes avances técnicos antes de llegar a aplicaciones comerciales.
Los cristales fotónicos son materiales ópticos estructurados que repiten cierto patrón en una escala nanométrica, por debajo de la longitud de onda de luz. En la Naturaleza son muy comunes (por ejemplo, en los ópalos o en las alas de las mariposas). Se publica hoy en Science que los conos (fotorreceptores) de la retina de los peces elefante (Gnathonemus petersii) se agrupan formando macrofotorreceptores de tipo cristal fotónico. Gracias a ello se incrementa su sensibilidad para detectar estímulos coloreados en un ambiente muy ruidoso, permitiéndoles ver colores a través de las aguas turbias del hábitat en el que viven. El artículo técnico es Moritz Kreysing et al., “Photonic Crystal Light Collectors in Fish Retina Improve Vision in Turbid Water,” Science 336: 1700-1703, 29 June 2012.
Este vídeo muestra una reconstrucción tridimensional de cómo 6 conos (células fotorreceptoras) se agrupan formando un macrorreceptor hexagonal con forma de copa o jarrón. Las paredes de esta copa están formadas por cristales de guanina y melanina. Os recuerdo que en la retina hay dos tipos de fotorreceptores, los bastones (para ver en blanco y negro) y los conos (para ver en color). Los bastones permiten ver en un ambiente muy oscuro, pero los conos son “ciegos” en dicho ambiente. Por ello de noche no podemos distinguir bien los colores y vemos como en blanco y negro. Los macrorreceptores de la retina de los peces elefante permiten que sus conos sean capaces de ver colores en un ambiente con una luz muy tenue, como el agua turbia. Ya se sabía que algunos peces podían ver colores en estas circunstancias, pero no se conocía la razón última.
El nuevo artículo en Science propone una solución muy razonable a este problema, que se ha comprobado con simulaciones por ordenador mediante el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD). La parte interior de las “copas” formadas por los sesis conos, gracias a la presencia de cristales de guanina y melanina, actúa como un espejo parabólico que amplifica la luz en ciertas regiones donde se encuentran fotopigmentos para los colores verde (536 nm) y rojo (615 nm). Gracias a ello, los peces Gnathonemus son capaces de observar colores rojos en aguas muy turbias. La Naturaleza, gracias a la evolución por selección natural, encuentra soluciones sorprendentes que ofrecen muchas oportunidades a los ingenieros especializados en biomimética.
Hace tan solo 10 años, cuando un físico confesaba que trabajaba en plasmones, todos le miraban como un bicho raro. ¡Plasmones, no habrá cosas mucho más útiles en las que trabajar! Algunos cambiaron de opinión cuando en 2003 se publicó la idea teórica del láser de plasmones o spaser (SPASER es el acrónimo de “Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation”). Otros no. ¡Estos teóricos ya no saben que inventar! El gran problema del láser es el límite impuesto por la difracción de la luz que impide concentrar la luz en espacios más pequeños que la mitad de su longitud de onda. Los plasmones superficiales son oscilaciones electrónicas colectivas en una interfaz metal-dieléctrico con una longitud de onda mucho menor que la de la luz que los excita o de la luz que emiten. Un láser de plasmones podría superar la barrera de la difracción. Todavía nadie ha logrado fabricar un spaser, pero muchos nanotecnólogos lo está tratando. Una fuente nanométrica de luz coherente promete infinidad de aplicaciones. Nos lo contó Volker J. Sorger, Xiang Zhang, “Spotlight on Plasmon Lasers,” Science 333: 709-710, 5 August 2011.
El primer intento experimental serio de lograr un spaser fue el “dedo láser de oro” que se publicó en Nature Photonics en 2007 (Martin T. Hill et al., “Lasing in metallic-coated nanocavities,” Nature Photonics 1: 589 – 594, 2007; gratis aquí). Una heteroestructura semiconductora (dispositivo formado por varias capas de materiales en forma de sandwich) recubierta por una delgada capa de oro que se comportaba como un láser (convencional) cuando recibía una corriente de electrones. No se trataba de un dispositivo plasmónico, por lo que estaba limitado por la difracción, pero fue el punto de partida para desarrollar el primer nanoláser plasmónico en 2009 (Martin T. Hill et al., “Lasing in metal-insulator-metal sub-wavelength plasmonic waveguides,” Optics Express 17: 11107-11112, 2009; gratis aquí también). Este nanoláser utilizaba plata en lugar de oro y tenía enormes pérdidas por lo que solo funcionaba a temperaturas criogénicas (la mayoría de los resultados del artículo eran para 78 Kelvin).
El primer spaser que se publicó con tal nombre, en Nature, utilizó un enfoque diferente, nanopartículas esféricas de 40 nm con un núcleo de oro de 14 nm que se encontraban en suspensión coloidal en agua. Al bombear estas nanopartículas con luz láser, se excitaban plasmones localizados en su superficie metálica. El gran problema de este spaser es lo difícil que es implementar conexiones electrónicas con él. Además, la emisión óptica de este spaser era casi omnidireccional (algo que se puede mitigar).
Ya se han publicado otras variantes, pero aún podemos considerar estos éxitos como preliminares (aunque muy interesantes). ¿Son los spasers versiones nanométricas de los láseres convencionales? En principio no, ya que los mecanismos físicos de un láser de plasmones son diferentes. ¿Qué aplicaciones se esperan para los spasers? Como los láseres de plasmones son de tamaño muy pequeño y muy rápidos ofrecen gran números de aplicaciones. Por ejemplo, en sistemas de computación completamente ópticos (integrados en chips fotónicos ultrarrápidos, como sustitutos de los chips electrónicos convencionales) para incrementar la velocidad y funcionalidad de las redes de comunicaciones. Por su pequeño tamaño, casi molecular, se auguran aplicaciones de diagnóstico en biomedicina de ultraalta resolución. También pueden servir para sistemas de almacenamiento de datos, tanto ópticos como magnéticos, cuya capacidad de integración extrema les haría no tener competencia en el mercado de la electrónica de consumo.
Todas las partículas (elementales) que conocemos son bosones o fermiones. En un sólido se observan excitaciones que se comportan como partículas, las cuasipartículas, que pueden ser bosones o fermiones, pero también hay otras posibilidades. Mourik et al. publican en Science la observación de una cuasipartícula en un superconductor nanoestructurado que se comporta como una partícula de Majorana (dos partículas de Majorana acopladas se comportan como un fermión de Dirac). Una partícula (también llamada fermión) de Majorana es idéntica a su antipartícula, al contrario que un fermión de Dirac, cuyas cargas son opuestas a las de un antifermión. Hoy en día no se sabe si los neutrinos son fermiones (de Dirac) o son partículas de Majorana, pero la mayoría de los físicos apuesta por la primera posibilidad. Poder estudiar cuasipartículas de Majorana en superconductores promete aplicaciones en computación cuántica topológica. Nos lo cuenta Piet W. Brouwer, “Enter the Majorana Fermion,” Science 336: 989-990, 25 May 2012, que se hace del artículo técnico de V. Mourik et al., “Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices,” Science 336: 1003-1007, 25 May 2012.
Los electrones en un superconductor están apareados formando bosones (pares de Cooper) que se encuentran todos en el mismo estado energético +ε (formando un condensado de Bose-Einstein). Además de los electrones, en un superconductor los huecos (la ausencia de un electrón se comporta como una partícula) también se pueden aparear formando pares de Cooper, pero de energía opuesta −ε. La teoría predice la posible existencia de un par de Cooper con ε=0, que se comporta como una partícula de Majorana. La existencia de este estado está protegida topológicamente porque no hay ninguna perturbación continua que pueda deformar el espectro de energía de los pares de Cooper con y sin este estado. La figura muestra los niveles de energía del superconductor sin el estado de Majorana (izquierda) y con dicho estado (derecha); no hay ninguna transformación continua que transforme los niveles energéticos a la izquierda ne los de la derecha, pues siempre faltará un nivel energético dado. En el experimento de Mourik et al. se ha utilizado un nanohilo semiconductor de InSb recubierto con un superconductor NbTiN colocado en un gran campo magnético paralelo al nanohilo. Para cierta densidad de electrones, el nanohilo de InSb se vuelve superconductor y muestra el estado de Majorana; una vez que aparece este estado es robusto ante cambios en el campo magnético aplicado lo que demuestra que se trata de un estado topológico. Los resultados obtenidos por los autores se corresponden con las predicciones teóricas, lo que confirma que se trata de un estado de Majorana.
En ciencia hay muchos descubrimientos casuales que parecen imposibles de creer; mientras no haya una explicación convincente, debemos ser escépticos. Un estudio publicado en la revista Biomaterials de la editorial Elsevier afirma que administrar por vía oral un aceite que contiene buckybolas (fulerenos esféricos C60) logra duplicar la esperanza de vida en ratas. Investigadores de la Universidad de París y sus colegas sugieren que la razón es el efecto del C60 como antioxidante. Estudios farmacocinéticos realizados durante los últimos 25 años han mostrado que el C60 disuelto es absorbido por el tracto gastrointestinal y eliminado en unas pocas horas, por lo que su toxicidad es muy baja; por ello, se había propuesto su uso para la encapsulación de ciertos fármacos (en aplicaciones biomédicas como las terapias contra el cáncer y enfermedades neurodegenerativas). Pero de ahí a que la administración oral de C60 disuelto en aceite de oliva (0,8 mg/ml) en dosis reiteradas pueda duplicar la esperanza de vida de las ratas hay un paso enorme; por ello creo que debemos ser escépticos respecto a este estudio hasta que no sea confirmado por otros investigadores. Aún así, me ha llamado la atención y me han sorprendido mucho sus resultados. El artículo técnico es Tarek Baati et al., “The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of [60]fullerene,” Biomaterials 33: 4936–4946, June 2012 [copia pdf gratis]. Me he enterado gracias a un tuit de J.J. Gallego (@Raven_neo): “Esto es coña, ¿no? “Duplican esperanza de vida de ratones usando fulerenos”.” Ciertamente, lo parece. Pero ya sabéis que a mí me encantan los resultados dignos de un Ig Nobel.
Lo primero que quiero destacar de este estudio es un dato importante que hay que tener presente. Las ratas de control fueron tratadas con agua. Puede parecer un dato de menor importancia pero no lo es. La esperanza de vida media estimada para las ratas tratadas con C60 fue de 42 meses, para las tratadas solo con aceite de oliva fue de 26 meses y para las tratadas solo con agua de solo 22; pero hay que recordar que la esperanza de vida de esta especie animal está entre 30 y 36 meses. Estos datos, que aparecen en la página 4 del artículo, columna derecha, arriba, dan que pensar, al menos a mí, que no soy experto en estas lides. Las ratas tratadas con C60 vivieron un 30% más de lo esperado, pero el doble que las ratas tratadas con agua (que vivieron menos de lo esperado). Como decimos los “borrachos,” beber agua mata (quiero decir beber agua en exceso). Un médico una vez me dijo que un “borracho” es quien bebe más de una copa de vino o una cerveza al día (me lo dijo para recomendarme beber más agua y menos cerveza); así que lo confieso, soy un “borracho” pues es raro el día que no bebo dos cervezas (también es raro el día que bebo más de tres). Al grano, el aceite de oliva extiende la vida de las ratas con respecto al agua con una probabilidad de 0,99, mientras que aceite de oliva con C60 disuelto la extiende (respecto a las tratadas con agua) con una probabilidad de 0,999 (y respecto a las tratadas con aceite de oliva de 0,995).
Lo segundo que vemos en la figura que abre esta entrada es que la administración de aceite de oliva incrementa la esperanza de vida de las ratas. Me gustaría recordar que en humanos ya se han realizado estudios sobre este tema que han concluido lo mismo, pero con una “pequeña” salvedad. En humanos se estima que el incremento debido a un consumo diario de aceite de oliva es de unos 2 años, como mucho; es decir, si en Alemania, pongamos, donde se consume poco aceite de oliva, la esperanza de vida es de 78 años, en Andalucía, pongamos también, donde se consume mucho aceite de oliva, la esperanza de vida alcanza unos 80 años. Sin embargo, la figura que abre esta entrada muestra que el aceite de oliva, solo, sin C60, logra incrementar la esperanza de vida de las ratas en un 30%. A mí este resultado me sugiere cautela a la hora de extender los resultados del estudio a nuestra especie.
Y lo tercero que se observa es que se ha comparado la esperanza de vida entre ratas a las que se ha administrado agua (de forma forzada y en mayor cantidad de la que demandan de forma natural), aceite de oliva y aceite de oliva con C60 disuelto. Administrar más agua de la cuenta puede ser tóxico. Cuentan los autores del artículo que tras cinco meses de tratamiento (mes 15) se observó que una rata tratada solo con agua mostró tumores palpables en la región del abdomen y murió en el mes 17. Por esta razón los autores suspendieron el tratamiento en todas las ratas (el mes 15). Todos los animales sobrevivieron hasta el mes 25, en el que los animales de control (alimentados con agua) mostraron signos de dermatitis ulcerosa asociados al envejecimiento, mientras que los animales tratados con aceite de oliva y con C60 se mantuvieron normales. Hasta el mes 30, todos los animales tuvieron un comportamiento y una alimentación similar. Todas las ratas de control (tratadas con agua) ya estaban muertas en el mes 38. En este momento, el 67% de las tratadas con aceite de oliva y el 100% de las tratadas con C60 estaban vivas.
En resumen, no soy experto en biomedicina, pero este estudio demuestra claramente que el “agua mata” (es broma).
El ordenador que utilizas para ver esta página está fabricado mediante transistores que funcionan como interruptores on/off que permiten procesar información codificada en binario mediante ceros y unos. Se publica en Nano Letters un nuevo transistor basado en nanotubos de carbono cuyas prestaciones son mejores que los transistores convencionales y cuyo canal es de solo 9 nanómetros, valor que hay que comparar con los 32 nm de los transistores comerciales de silicio con el canal más pequeño del mercado (en laboratorios de investigación el récord actual ronda los 18 nm). El nuevo transistor tiene varias ventajas, además del menor tamaño, ya que conmuta más rápidamente y consume menor potencia; quizás esta última sea su mayor ventaja. El gran inconveniente es que la fabricación masiva y rápida de este tipo de transistores todavía está lejos; pero en este campo los avances a veces son muy rápidos. El artículo técnico es Aaron D. Franklin et al., “Sub-10 nm Carbon Nanotube Transistor,” Nano Letters 12: 758–762, 2012; lo he visto en Franz Kreupl, “Electronics: Carbon nanotubes finally deliver,” Nature 484: 321–322, 19 April 2012.
Cada vez que hablo de fusión nuclear en este blog, algún lector me recuerda el experimento publicado en Nature en 2005 (antes de que naciera este blog). Investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) publicaron pruebas inequívocas de haber logrado la fusión nuclear en un experimento sencillo a temperatura ambiente. Calentaron un cristal piroeléctrico (material que se carga eléctricamente cuando se calienta) dentro de un cavidad con gas de deuterio (D), provocando su ionización; los iones cercanos a un punta de wolframio, donde el campo eléctrico es muy intenso, se aceleraron hasta bombardear un blanco sólido que contenía deuterio; como resultado se midió un flujo de neutrones con un espectro de energía que correspondía a la reacción de fusión D+D. Una demostración que se vio premiada por una publicación en Nature. Obviamente, este procedimiento no sirve como fuente de energía (no permite la ignición controlada de la fusión con exceso de energía), pero puede tener aplicaciones como fuente de neutrones en radiología e imagen en medicina (aunque en 2005 el número de neutrones producido era tan pequeño que no tenía aplicación práctica razonable, los autores del estudio esperaban que en pocos años se pudiera incrementar dicho número en al menos un factor de mil). ¿Qué sabemos ahora de esta tecnología y de este experimento? En esta entrada recordaré el resultado logrado y bucearé en su estado actual. El artículo original es B. Naranjo, J.K. Gimzewski & S. Putterman, “Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal,” Nature 434: 1115-1117, 28 April 2005 [pdf gratis], y también merece la pena leer Michael J. Saltmarsh, “Technology: Warm fusion,” News and Views, Nature 434: 1077-1080, 28 April 2005 [pdf gratis]. El investigador principal del artículo Seth Putterman es muy polémico y ha sabido buscarse gran número de enemigos entre el establishment, como nos contó Geoff Brumfiel, “Physics: Far from the frontier,” News Feature, Nature 437: 1224-1225, 27 October 2005; aún así, sus ideas son muy originales y siempre son objeto de noticias en los medios.
Naranjo, Gimzewski y Putterman lograron una fuente portátil de neutrones de alta energía (unos 2,5 MeV) basada en la reacción nuclear de fusión del deuterio D + D 3He (820 keV) + n (2,45 MeV). El dispositivo permite generar un haz de neutrones de baja intensidad, con un pico de unos 1000 por segundo. El funcionamiento del dispositivo es muy sencillo. Un cristal piroeléctrico de LiTaO3 colocado entre dos electrodos es calentado lentamente, lo que provoca que aparezca una diferencia de potencial de unos 100 kV entre dichos electrodos (ver figura de arriba). Este cristal se encuentra en una cavidad rellena de deuterio gaseoso con una presión muy baja de unos 0,7 pascales (recuerda que la presión atmosférica es de 100 000 pascales). El cristal piroeléctrico está conectado a un electrodo de wolframio en forma de aguja donde se produce un campo eléctrico enorme, de unos 10 gigavoltios por metro, que ioniza el gas de deuterio. Los iones de deuterio se ven acelerados por el campo eléctrico y se dirigen como proyectiles hacia un blanco sólido que contiene deuterio en forma de ErD3 (“deuteriuro” de erbio). Los iones colisionan con el blanco y producen neutrones con un espectro de energía centrado en 2,5 MeV que corresponde a la reacción de fusión D+D.
El calentamiento del cristal piroeléctrico es lento, su temperatura crece unos 12,4 °C por minuto, lo que induce una polarización espontánea y una diferencia de potencial que crece a un ritmo de unos 50 kV por minuto. Cuando esta diferencia de potencial crece, la punta de wolframio adquiere un campo eléctrico mayor de 25 gigavoltios por metro, capaz de ionizar el gas de deuterio. Estos iones se aceleran formando haz que incide sobre el blanco (como muestra la figura de arriba, obtenida mediante simulaciones numéricas). La corriente de estos iones es baja, unos 4 nanoamperios, lo que produce un pico máximo de unos 1000 neutrones por segundo. El haz se mantiene mientras se está calentando el cristal piroeléctrico, es decir, durantes unos pocos minutos.
¿Para qué se puede usar un haz de unos 1000 neutrones por segundo? La verdad es que es un haz con una intensidad demasiado débil para ser útil en aplicaciones prácticas (salvo para experimentos en laboratorios de física que requieran haces de neutrones débiles). Los autores del estudio afirmaban en su artículo que esperaban poder incrementar la intensidad del haz de neutrones en un factor de 1000 hasta alcanzar una intensidad de un millón de neutrones por segundo. Para ello proponían operar el sistema en condiciones criogénicas, para permitir que el calentamiento lento del cristal dure más tiempo, además utilizar una punta más delgada o un sistema de puntas. En un artículo posterior, V. Tang, G. Meyer, J. Morse, G. Schmid, C. Spadaccini, P. Kerr, B. Rusnak, S. Sampayan, B. Naranjo, S. Putterman, “Neutron production from feedback controlled thermal cycling of a pyroelectric crystal,” Rev. Sci. Instrum. 78: 123504 (2007), implementaron estas ideas. Calentando el cristal desde 10 ºC a 100 ºC, a un ritmo de 0,2 °C/s, lograron producir una corriente de iones de unos ∼10 nA y un número de neutrones de 190 000 (±30 000) por ciclo de calentamiento. El incremento no es tan grande como esperaban inicialmente (según predecían sus simulaciones numéricas). También han utilizado un blanco con tritio en lugar de deuterio en su artículo B. Naranjo, S. Putterman, T. Venhaus, “Pyroelectric fusion using a tritiated target,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 632: 43–46, 2011, lo que les permite obtener una fuente de neutrones con una energía de unos 14,1 MeV (obtuvieron un flujo mucho menor del esperado en teoría, unos 300 000 neutrones por segundo, que achacaron a impurezas en la punta de wolframio).
El trabajo de Naranjo et al. fue verificado de forma independiente por Jeffrey Geuther, Yaron Danon, Frank Saglime, “Nuclear Reactions Induced by a Pyroelectric Accelerator,” Physical Review Letters 96: 054803, 2006 [pdf gratis], y por Don Gillich, Andrew Kovanen, Bryan Herman, Travis Fullem, Yaron Danon, “Pyroelectric crystal neutron production in a portable prototype vacuum system,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 602: 306–31 (2009); estos artículos obtuvieron un flujo de neutrones menor (quizás porque el cristal piroeléctrico utilizado era más pequeño), y tuvieron algunos problemas de reproducibilidad del experimento (el proceso de calentamiento es clave y su control es difícil). Algo típico en estos experimentos es obtener un flujo de neutrones menor que el predicho por los modelos teóricos, por ejemplo, Donald J. Gillich, Andrew Kovanen, Yaron Danon, “Deuterated target comparison for pyroelectric crystal D–D nuclear fusion experiments,” Journal of Nuclear Materials 405: 181–185, 2010.
La posibilidad de reducir el tamaño de la aguja de wolframio para lograr campos eléctricos más intensos también ha sido estudiada, aunque sin mucho éxito en Donald J. Gillich, Ranganath Teki, Travis Z. Fullema, Andrew Kovanen, Ezekiel Blain, Douglas B. Chrisey, Toh-Ming Lu, Yaron Danon, “Enhanced pyroelectric crystal D—D nuclear fusion using tungsten nanorods,” NanoToday 4: 227-234, 2009 [pdf gratis]; utilizaron nanoagujas (nanorods) de wolframio, pero obtuvieron un flujo de neutrones más pequeño que en el artículo de Nature (menos de 100 neutrones por segundo); estos autores no entienden por qué, pero creen que en el futuro podrá mejorarse este resultado. Estudios teóricos parece que lo reafirman (Birk Reichenbach, I. Solano, and P. R. Schwoebel, “A field evaporation deuterium ion source for neutron generators,” J. Appl. Phys. 103: 094912 (2008) [pdf gratis]). Algunos autores han propuesto substituir la aguja de wolframio por nanoagujas de carbono, como Arun Persaud et al, “Development of a compact neutron source based on field ionization processes,” J. Vac. Sci. Technol. B Microelectron. Nanometer Struct. 29: 02B107, 2011 [arXiv:1010.2252], pero por ahora los logros son parcos.
Me gustaría destacar que hay que tener cuidado a la hora de interpretar los resultados de algunos de estos artículos sobre emisores de neutrones por fusión D+D. Por ejemplo, en V. Tang et al, “Intense Pulsed Neutron Emission from a Compact Pyroelectric Driven Accelerator,” J. Appl. Phys. 105: 026103, 2009 [pdf gratis en LLNL], se afirma haber logrado una producción de diez mil millones de neutrones por segundo, pero hay que leer la letra pequeña, solo durante un tiempo de cientos de nanosegundos (en realidad son unos 40 neutrones por pulso). Como ocurre muchas veces, hay que leer la letra pequeña para descubrir que no es oro todo lo que reluce.
En resumen, los reactores de fusión piroeléctricos son fuentes de neutrones en miniatura que producen flujos débiles de neutrones de alta energía que pueden tener ciertos usos prácticos pero que requieren aún mucha investigación para optimizar su diseño y hacerse un hueco en el mercado.
El calor es una fuente de energía (en las máquinas y motores térmicos) y estamos rodeados de fuentes de calor por doquier (por ejemplo, nuestro propio cuerpo). ¿Podríamos obtener “energía gratis” de un foco de calor? Las leyes de la termodinámica indican que es posible obtener energía útil si además del foco caliente tenemos un foco frío, pero lo de “gratis” es otra cosa. Muchos científicos “locos” (cranks en inglés) están tratando de esquivar estas leyes, pero la opinión generalizada es que es imposible (aquí sirve el famoso dicho, nada es gratis). Me ha sorprendido leer un par de artículos con nuevas ideas al respecto. Permíteme unos comentarios.
Parthiban Santhanam (MIT, EE.UU.) y sus colegas han publicado en la prestigiosa Physical Review Letters un nuevo diodo emisor de luz (LED) que emite más energía luminosa de la energía eléctrica que consume; los autores afirman que su eficiencia es del 200% (sí, has leído bien, 200%). El dispositivo actúa como una bomba de calor óptica que transforma las vibraciones térmicas de la red cristalina del material en fotones infrarrojos, enfriando el entorno en el proceso. Este tipo de dispositivo fue predicho por el checo J. Tauc en 1957 y no viola las leyes de la termodinámica (aunque parezca lo contrario). Un dispositivo con un rendimiento experimental del 200% salido de un laboratorio del MIT da que pensar, aunque no cuestione la segunda ley de la termodinámica, según el propio Santhanam. Más información en “LED converts heat into light,” IOP physicsworld.com, Mar 8, 2012, y el artículo técnico es Parthiban Santhanam, Dodd Joseph Gray, Jr., and Rajeev J. Ram, “Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency,” Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012).
Zihan Xu (Universidad Politécnica de Hong Kong) y sus colegas han enviado a publicación una batería que funciona sin interrupción a partir del calor ambiental, basada en una lámina de grafeno entre dos contactos metálicos (oro y plata) en una disolución de cloruro de cobre. Los autores afirman que el secreto es que los electrones en el grafeno se mueven mucho más rápido que los iones en la disolución. Según los autores no hay conversión de energía química en electricidad como en las baterías convencionales, sino que el dispositivo aprovecha la energía térmica del entorno. El problema es que la termodinámica exige un foco frío y el artículo no explica cuál es. Aún así, estos investigadores afirman que la batería ha estado 20 días funcionando sin parar. Me he enterado gracias a la traducción “¿Batería térmica de grafeno?,” NeoTeo, 21 de Marzo de 2012, del artículo “Graphene in new ‘battery’ breakthrough?,” IOP physicsworld.com, Mar 8, 2012. Por el formato del preprint tiene toda la pinta de que lo han enviado a la revista Nature o Nature Physics, ya veremos qué pasa con la revisión, que será dura y complicada para los autores; los interesados en el artículo técnico disfrutarán con Zihan Xu, Guoan Tai, Yungang Zhou, Fei Gao, Kin Hung Wong, “Self-Charged Graphene Battery Harvests Electricity from Thermal Energy of the Environment,” ArXiv: 1203.0161.
Este vídeo muestra la síntesis molécula a molécula de un nuevo material llamado “grafeno molecular” utilizando un microscopio de efecto túnel. Estos análogos al grafeno se fabrican manipulando moléculas individuales de monóxido de carbono, CO, que son colocadas sobre un substrato de cobre, Cu(111). Estos materiales tienen algunas propiedades semejantes al grafeno, como la propagación de fermiones de Dirac sin masa, pero con la ventaja adicional que presentan grados de libertad que permiten controlar algunas de estas propiedades (lo que es imposible con el grafeno). ¿Para qué se pueden utilizar estos “grafenos exóticos”? Se supone que acabarán teniendo múltiples aplicaciones tecnológicas (si algún día se logran fabricar de forma eficiente), pero en la actualidad su interés es básico, permitir simular ciertos procesos físicos, como transiciones de fase topológicas o la adquisición de masa por parte de fermiones de Dirac. El artículo técnico es Kenjiro K. Gomes, Warren Mar, Wonhee Ko, Francisco Guinea & Hari C. Manoharan, ”Designer Dirac fermions and topological phases in molecular graphene,” Nature 483: 306-310, 15 March 2012. Nos cuenta su importancia Jonathan Simon, Markus Greiner, “Condensed-matter physics: A duo of graphene mimics,” Nature 483: 282–284, 15 March 2012, que también se hacen eco del artículo de Leticia Tarruell, Daniel Greif, Thomas Uehlinger, Gregor Jotzu, Tilman Esslinger, “Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice,” Nature 483: 302–305, 15 March 2012. Me gusta más el artículo de Gomes et al. porque presenta ilustraciones mucho más atractivas.
El grafeno es un material plano formado por una sola capa de átomos organizados en forma de panal de abeja. Los “grafenos moleculares” permiten imitar esta estructura con la posibilidad de introducir defectos, variaciones de la estructura reticular del material. El interés básico de los análogos exóticos al grafeno está en el estudio del comportamiento de una partícula obligada a moverse en una estructura con forma de panal de abeja. Estas partículas se comportan como fermiones de Dirac sin masa y viajan a la velocidad de la luz. Su estudio se había centrado hasta ahora en el grafeno, pero los “grafenos moleculares” permiten controlar ciertos grados de libertad y estudiar transiciones de fase en las que estos fermiones de Dirac adquieren masa. Estos materiales son análogos físicos de ciertas roturas espontáneas de la simetría y permiten estudiar en el laboratorio fenómenos que de otra forma solo podrían ser estudiados mediante modelos teóricos o computacionales.
Gomes y sus colegas han estudiado la transición de un “grafeno molecular” a una disposición periódica que se conoce como estructura de Kekulé; en esta transición los fermiones de Dirac sin masa adquieren masa. La teoría predice que esta transición debería ir acompañada de la aparición de un campo gauge; estos físicos han observado que los fermiones tras adquirir masa se comportan como si estuvieran en un campo magnético. La aparición y desaparición de un campo magnético “aparente” (que los autores llaman “campo pseudomagnético”) tiene una ventaja importante. El campo “pseudomagnético” se puede intensificar hasta alcanzar valores tan enormes como 60 T (teslas); si este campo magnético fuera real el material no sería capaz de soportarlo, sin embargo, al ser un campo “pseudomagnéitco” permite estudiar el comportamiento de fermiones de Dirac bajo estas condiciones tan extremas.
El estudio del “grafeno molecular” dará lugar a aplicaciones tecnológicas, pero para mí lo más interesante es que permite un control sobre los fermiones de Dirac en el “grafeno” que permitirá el estudio experimental de fenómenos que hasta ahora solo se podían estudiar de forma teórica.
La portada de la revista Nature Nanotechnology de este mes presenta un gran avance en el desarrollo de electrodos para registrar y/o estimular la actividad eléctrica de neuronas individuales cultivadas in vivo. La matriz de electrodos basada en nanohilos verticales (VNEA por Vertical Nanowire Electrode Array) se fabrica utilizando tecnología de silicio convencional sobre un sustrato plano, lo que facilita su uso en cultivos celulares. VNEA está compuesta por 16 celdas que permiten estudiar 16 neuronas de forma simultánea, cada celda está compuesta de una matriz de 3 × 3 nanohilos, cada uno de los cuales se puede acceder de forma individual. Cada nanohilo tiene un diámetro de 150 nm, una altura de 3 μm, está espaciado de los otros por 2 μm y es capaz de penetrar la membrana de la célula nerviosa para registrar y/o estimular el potencial de acción de la neurona. Hongkun Park (Universidad de Harvard) y sus colegas han estudiado neuronas de rata demostrando que los VNEA alcanza una relación señal/ruido de ~100, que se puede mejorar por un factor de 10 promediando medidas repetidas. El artículo técnico es Jacob T. Robinson, Marsela Jorgolli, Alex K. Shalek, Myung-Han Yoon, Rona S. Gertner & Hongkun Park, “Vertical nanowire electrode arrays as a scalable platform for intracellular interfacing to neuronal circuits,” Nature Nanotechnology 7: 180–184 (2012) [copia gratis del pdf].
En este número de Nature Nanotechnology aparecen otros dos artículos técnicos que presentan otros diseños de nanoelectrodos. Los discute en detalle Vladimir Parpura, “Bionanoelectronics: Getting close to the action,” Nature Nanotechnology 7: 143–145 (2012) [copia gratis del pdf].
El segundo artículo trata sobre los nanoelectrodos desarrollados por el grupo liderado por Bianxiao Cui y Yi Cui (Universidad de Stanford). Utilizan matrices de nanopilares de platino de 150 nm de diámetro, y entre 1 y 2 μm de altura, pero a diferencia del trabajo de Park y sus colegas, todos los nanopilares están conectados al mismo electrodo y no pueden ser accedidos de forma individual. Los Cui y sus colegas han estudiado con sus nanoelectrodos el potencial de acción interior y exterior en células de músculo cardíaco (cardiomiocitos) de ratón. La técnica de Cui y sus colegas tiene múltiples inconvenientes comparada con la de Park y los suyos, por ejemplo, su relación señal-ruido es muy baja (~7). Sin embargo, el artículo de Cui y sus colegas presenta varias técnicas muy interesantes de multiplexado de señales que seguramente los otros grupos acabarán incorporando a sus propios diseños. El artículo técnico es Chong Xie, Ziliang Lin, Lindsey Hanson, Yi Cui & Bianxiao Cui, “Intracellular recording of action potentials by nanopillar electroporation,” Nature Nanotechnology 7: 185–190 (2012) [copia gratis del pdf].
Lo más interesante del artículo de Cui y sus colegas es el estudio del efecto de la “electroporación,” la aparición de poros en la membrana de la célula cuando el electrodo es estimulado eléctricamente; estos poros nanométricos ponen en contacto el electrodo con el interior celular permitiendo una lectura mucho más limpia del potencial de acción mediante los nanoelectrodos.
El tercer y último artículo sobre el mismo tema está firmado por el grupo liderado por Charles Lieber (Universidad de Harvard) y presenta la medición del potencial eléctrico mediante transistores de efecto campo (FET) basados en nanohilos (llamados BIT-FET por Branched Intracellular nanoTube Field-Effect Transistor). Estos electrodos permiten medidas intracelulares del potencial de acción en neuronas y cardiomiocitos con una precisión espacial muy alta. Los grupos de Park y Cui han desarrollado versiones en la nanoescala de los microelectrodos convencionales, por lo que su impedancia es muy alta (crece conforme decrece la escala del electrodo). Sin embargo, Lieber y sus colegas han logrado superar el problema de la impedancia utilizando electrodos huecos en forma de nanotubo de entre 1 y 1,5 μm de altura, un diámetro exterior en su base de ~150 nm y de unos ~55 nm en su punta, y un diámetro interior constante de unos 50 nm; el volumen interno de estos nanotubos es de unos ~3 attolitros. Cuando estos nanoelectrodos penetran en la célula, el líquido intracelular (citosol), que es un conductor, penetra dentro del nanotubo excitando el transistor FET; los potenciales de acción se leen gracias a la corriente eléctrica que atraviesa el transistor FET que actúa en modo amplificador. Xiaojie Duan, Ruixuan Gao, Ping Xie, Tzahi Cohen-Karni, Quan Qing, Hwan Sung Choe, Bozhi Tian, Xiaocheng Jiang & Charles M. Lieber, “Intracellular recordings of action potentials by an extracellular nanoscale field-effect transistor,” Nature Nanotechnology 7: 174–179 (2012).
La relación señal-ruido de los nanoelectrodos BIT-FET está entre 40 y 80, pero Lieber y sus colegas creen que podrán mejorarla con cambios pequeños de diseño. En resumen, estos tres artículos muestran los grandes avances que se están realizando en el desarrollo de nanoelectrodos para aplicaciones en electrofisiología. La gran ventaja de alta capacidad de integración de estos electrodos es que permiten medidas sobre las dendritas y sus ramificaciones. El gran problema de estas técnicas invasivas es que aún falta desarrollar técnicas que permitan posicionar estos nanoelectrodos en los lugares de interés.
El microscopio de efecto túnel y el microscopio de fuerza atómica permiten ver átomos y moléculas colocados en una superficie, pero no pueden ver su distribución de carga eléctrica. Para ello se puede utilizar el microscopio de fuerza atómica con sonda Kelvin (KPFM) que mide la diferencia de potencial local entre la punta de la sonda y la superficie. Por primera vez, se ha logrado observar la distribución de carga eléctrica de una molécula, en concreto, de la naftalocianina (Nc); lo ha logrado el laboratorio de IBM en Zurich, que ya logró hacer lo mismo con un átomo en 2009. Los resultados experimentales (figura d, obtenida combinando b y c) están en buen acuerdo con las predicciones teóricas (figura e). Las diferencias de potencial de contacto (DPC) entre la molécula y la sonda se miden de una forma curiosa; se pone a oscilar la punta del KPFM mientras se aplica un voltaje entre la muestra y dicha punta de forma que el campo eléctrico resultante compense la fuerza atómica en la punta; la compensación precisa requiere un bucle de control realimentado, del que se extrae la señal medida de la distribución de carga de la molécula. La técnica es más precisa en moléculas que tienen tautómeros ya que se mide de forma independiente cada uno de ellos y combinando los resultados se pueden eliminar defectos debidos a la orientación incorrecta de la punta del KPFM. El artículo técnico es Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll & Gerhard Meyer, “Imaging the charge distribution within a single molecule,” Nature Nanotechnology, Published online 26 February 2012. Me enteré de este artículo gracias a un tuit de César @EDocet que hacía referencia al artículo de ”Single molecule’s electric charges seen in first image,” BBC News, 26 February 2012; he tomado el título de mi entrada de una de su nuevo blog, “La primera imagen de la distribución de carga de una sola molécula,” AAA+ por @EDocet, 27 feb. 2012.
En esta figura se aprecia la diferencia entre las diferentes técnicas de microscopia y los resultados obtenidos por ordenador. La figura (a) muestra la molécula de naftalocianina (Nc) en amarillo y una molécula de control de CO (el punto morado abajo a la izquierda). La figura (b) es una imagen por microscopio de efecto túnel (STM) de la molécula de Nc utilizando una punta terminada en una molécula de CO; en rojo se destacan las posiciones de los átomos de hidrógeno centrales. Las figuras (c) y (d) han sido obtenidas con un microscopio de fuerza atómica (AFM) con la punta a una altura constante, z = 0,145 nm en (c) y z = 0,175 nm en (d). Las figuras (e) y (f) muestran cortes de la distribución de densidad electrónica de la molécula calculada mediante ordenador utilizando la teoría del funcional de densidad (DFT); los cortes corresponden a distancias d = 0,2 nm en (e) y d = 0,3 nm en (f). Las figuras (g) y (h) muestran también resultados de simulaciones por ordenador mediante DFT para cortes de la molécula con distancias d = 0,1 nm en (g) y d = 0,4 nm en (h). Las barras blancas en estas figuras corresponden a 2 nm en (a) y 0,5 nm en todas las demás.
La razón por la que se ha utilizado la naftalocianina como molécula es la posibilidad de poder forzar su tautomerización para obtener una imagen más precisa. Las figuras (a) y (b) muestran imágenes de dos tautómeros de la Nc obtenidas con una punta terminada en CO a una altura constante de z = 0.2 nm (en la (a) está la molécula antes de la tautomerización y la (b) después de ella). La diferencia entre las imágenes (a) y (b) permite obtener la imagen (d) que representa la distribución de carga final de dicha molécula. La figura (c) muestra el resultado obtenido mediante simulaciones por ordenador utilizando DFT. La barra de escala en todas las figuras corresponde a 0,5 nm. En la figura (c) los átomos de carbono, hidrógeno y nitrógeno se han representado con círculos de color gris, blanco y azul, respectivamente.
Me enteré esta mañana gracias a Twitter de un nuevo artículo aparecido en New Scientist (@newscientist) escrito por Melissae Fellet, “Single atom transistor gets precise position on chip,” NS, 19 Feb. 2012, que se hacía eco del nuevo artículo técnico de Martin Fuechsle et al., “A single-atom transistor,” Nature Nanotechnology, Published online 19 February 2012. Pensé, tengo que escribir una entrada; pero estaba cansado y lo dejé para más tarde. Por supuesto, muchos medios se hicieron eco de esta noticia. Como por ejemplo José Manuel Nieves, “Crean un transistor de un solo átomo,” Ciencia, ABC, 20 Feb. 2012; indignado con este titular, César (@EDocet), nos recordó en un tuit que el descubrimiento de un transistor de un solo átomo es algo ya bastante antiguo; César citó a Ariel Palazzesi, “Transistores de un solo átomo,” n+ NeoTeo.com, 8 dic. 2009; como aclaró César (@EDocet) en un segundo tuit la noticia no es el descubrimiento del transistor de un solo átomo en sí, sino “lo que rodea al transistor monoatómico.”
El problema de muchas noticias de agencias es que el titular puede ser engañoso y los medios lo copian sin cuestionarse nada más: Agencia EFE, “Crean un transistor del tamaño de un átomo, antesala del ordenador cuántico,” Madri+d, 20 feb. 2012; Europa Press, “Presentado el primer transistor ‘perfecto’ de un solo átomo,” ep 20 feb. 2012; “Crean el transistor más pequeño del mundo: tiene el tamaño de un átomo,” lainformacion.com, 20 feb. 2012; “Desarrollan un transistor del tamaño de un átomo,” Milenio, 20 feb. 2012; Gabriela Ulloa, “Laboratorio crea el transistor más pequeño del mundo: un átomo,” Agencia AFP, Radio Bio Bio, Chile, 20 feb. 2012; Miguel Jorge, “Crean el transistor más pequeño del mundo a partir de un sólo átomo,” ALT1040, 20 feb. 2012; “Construyen el transistor más pequeño del mundo, antesala del ordenador cuántico,” RTVE.es, 20 feb. 2012; “Un transistor del tamaño de un átomo como antesala del ordenador cuántico,” El Mundo, 20 feb. 2012; y cientos más.
Los transistores basados en un solo átomo son conocidos, como pronto, desde su publicación en Nature en el año 2002. Recomiendo leer “Electronics and the single atom,” Nature 417: 701-702, 13 June 2002 (versión gratis) que se hace eco de los artículos técnicos de Park et al., “Coulomb blockade and the Kondo effect in single atom transistors,” Nature 417: 722-725, 13 June 2002, y Liang et al., “Kondo resonance in a single-molecule transistor,” Nature 417: 725-729, 13 June 2002, el primero de los cuales presenta un transistor con un solo átomo y el segundo uno con una sola molécula. Desde 2002 ha llovido mucho y ha corrido mucha tinta en el campo de investigación de los transistores con un solo átomo. Por tanto, cualquier noticia que sugiera que se ha descubierto por primera vez un transistor de este tipo falsea la realidad.
¿Qué es lo que realmente se ha hecho en el artículo publicado en Nature Nanotechnology? La gran diferencia entre el nuevo trabajo y otros estudios previos está en los detalles, es decir, en cómo se ofrecen nuevas soluciones a algunos de los problemas bien conocidos de esta nanotecnología. Por cierto, yo no soy experto en los detalles de este tipo de tecnologías, así que espero aclararos algo, pero siempre desde el punto de vista de un físico divulgador.
El problema más importante es cómo fabricar estos transistores, es decir, cómo colocar un átomo exactamente donde tiene que estar colocado. ¿Por qué es tan difícil colocar un átomo sobre un sustrato donde uno quiere? Todos hemos visto las letras “IBM” escritas con átomos (y muchos otros ejemplos), pero a veces olvidamos que un ingeniero coloca uno a uno dichos átomos mediante un microscopio de efecto túnel, un microscopio de fuerza atómica o similar, gracias a su pulso, que debe ser comparable al del mejor cirujano; además, se requieren muchos intentos fallidos para lograr un solo éxito. Gran parte de la investigación se ha centrado en desarrollar técnicas de fabricación que faciliten la labor (si no de forma automática, al menos semiautomática), pero la mayoría de las soluciones propuestas tienen muy poca precisión (valores típicos del error de posición del átomo rondan los 10 nanómetros, lo que degrada mucho el funcionamiento del transistor). Como muestra el vídeo, el nuevo artículo propone una manera de colocar un átomo de fósforo sobre el sustrato de silicio colocando de forma simultánea un grupo de de 6 átomos (5 de silicio y 1 de fósforo) que entran en un hueco del tamaño adecuado previamente preparado; de esta manera es más fácil colocar el átomo en su lugar exacto.
Muchas propuestas de transistor basado en un solo átomo se basan en colocar dicho átomo sobre un sustrato, lo que hace que su robustez y estabilidad sea limitada, pues se puede desprender (por ejemplo bajo esfuerzos mecánicas). Lo ideal sería sustituir un átomo del sustrato por el átomo central del transistor, pero esto requiere un proceso en dos etapas, primero quitar un átomo y luego poner otro exactamente en el mismo sitio; no parece fácil y no lo es. Lo ideal para los transistores de un solo átomo es que el sustrato sea silicio, lo que facilita su compatabilidad con la tecnología microelectrónica CMOS actual. Pero los enlaces covalentes entres los átomos de silicio dificultan el proceso. En la tecnología los detalles lo son todo y sustituir un solo átomo de silicio por un átomo de fósforo es fácil de imaginar pero todo un elarde técnico muy difícil de lograr de forma controlada y repetible. Como muestra el vídeo, el nuevo método que sustituye 6 átomos de golpe resuelve en parte este problema porque 5 de dichos átomos ya son de silicio lo que facilita la formación de los enlaces covalentes con el sustrato.
Otro problema bastante habitual con los trasistores de un solo átomo son los electrodos (o terminales) necesarios para conectarlo con el resto de los dispositivos. Aunque pueda parecer que un átomo es algo muy pequeño, muchas propuestas utilizan electrodos enormes, mucho mayores que los transistores de la CPU del ordenador que estás usando ahora mismo. La nueva propuesta utiliza nanohilos como electrodos, lo que implica que este tipo de transistores de un solo átomo son realmente pequeños, pero rayando la escala nanotecnológica. Recordad que se puede hablar de nanotecnología cuando el tamaño es menor de 110 nm; los autores del artículo afirman que su dispositivo es un rectángulo con unos 130 nm de lado largo y unos 60 nm de lado corto, pero por supuesto uno puede preguntarse dónde están realmente los límites del dispositivo, dónde se pone la frontera que marca dichos límites.
Finalmente, otra gran dificultad en el uso de transistores de un solo átomo es que son poco robustos ante esfuerzos térmicos, por lo que tienen que funcionar a temperaturas muy bajas. El nuevo transistor opera a temperaturas del helio líquido, lo que es una temperatura alta comparada con otras propuestas que requieren técnicas de enfriamente más costosas; aún así, nadie concibe que este tipo de transistores vayan a funcionar, ni a medio plazo, a temperatura ambiente. Quizás por ello la mayoría de los expertos ve en los transistores de silicio una vía hacia los ordenadores cuánticos más que una solución al problema de la sostenibilidad de la Ley de Moore.
Espero haber aclarado un poco esta interesante noticia e incentivar a todos los interesados en más detalles a leer el artículo original (de acceso gratuito en Nature Nanotechnology).
César “Nanodinamita: energía a nanoescala,” @EDocet, 12 Feb. 2012, nos cuenta que ”al recubrir un nanotubo con nitrocelulosa y prender un extremo se origina una onda de combustión que se transmite cuatro órdenes de magnitud más rápido de lo que lo haría en el combustible sólo. Esta onda de combustión se convierte además en una onda termoeléctrica porque transmite energía de un lugar a otro acoplándose con los portadores eléctricos del nanotubo, haciendo que se muevan a lo largo del tubo y creando con ello una corriente eléctrica muy grande en relación a la masa del sistema. Estamos hablando de densidades de potencia del orden de 7.000 W/kg, cuatro veces más que las mejores baterías ion-litio disponibles.” Este extracto me ha traído a la memoria mis propios trabajos sobre ondas de combustión en medios unidimensionales. Aunque he de confesar que yo nunca pensé que estas ecuaciones pudieran aplicarse al estudio de la propagación de llamas en nanotubos de carbono recubiertos de un material inflamable y mucho menos aún que permitieran obtener energía eléctrica por el acoplamiento no lineal entre la reacción química exotérmica y la conducción eléctrica en el nanotubo.
Estas ecuaciones unidimensionales son un ejercicio habitual en asignaturas de métodos numéricos aplicados a problemas térmicos (yo he impartido una durante muchos años). Yo les pedía a mis alumnos que desarrollaran un método numérico para resolverlas en Matlab. Sin embargo, los autores del artículo técnico del que están extraídas han utilizado el simulador de multifísica COMSOL (Joel T. Abrahamson, Wonjoon Choi, Nicole S. Schonenbach, Jungsik Park, Jae-Hee Han, Michael P. Walsh, Kourosh Kalantar-zadeh, and Michael S. Strano, “Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources,” ACS Nano 5: 367–375, 2011). Este artículo compara los resultados numéricos con medidas experimentales para el dispositivo que abre esta entrada, un “pilar” de varios nanotubos de carbono recubierto de un material inflamable, lo que permite que los alumnos comparen sus resultados numéricos con resultados experimentales.
La verdad es que me sorprende que a alguien se le halla ocurrido recubrir un grupo de nanotubos y encenderlos como si fueran una cerilla. Un artículo anterior de los mismos autores hizo lo mismo recubriendo un electrodo de alúmina y obtuvieron este vídeo de youtube (Sumeet Walia, Rodney Weber, Kay Latham, Phred Petersen, Joel T. Abrahamson, Michael S. Strano, Kourosh Kalantar-zadeh, “Oscillatory Thermopower Waves Based on Bi2Te3 Films,” Advanced Functional Materials 21: 2072–2079, June 7, 2011). En dichos electrodos observaron estas ondas oscilatorias que producen picos de tensión. Quizás pensaron que sería bueno tratar de hacer lo mismo con un nanohilo conductor y qué mejor que un grupo de nanotubos de carbono.
Ya se sabe que lo nano vende y mucho, pero vende más con un “nanotítulo.” Los autores han demostrado, además de una desbordante imaginación, un buen márketing del título al titular “Nanodinamita” el artículo que ha sido objeto de la entrada de César @EDocet (M.S. Strano, K. Kalantar-Zadeh, “NanoDYNAMITE,” IEEE Spectrum 48: 44-49, 2011). Si algún día se logran desarrollar baterías comerciales de nanodinamita (ahora mismo se gasta más energía en fabricar este dispositivo que la que se obtiene del mismo) es muy posible que ronde por la mente de mucha gente el conceder un Premio Nobel de Física a estos investigadores. Ya se sabe que Alfred Nobel inventó la dinamita y sería un bonito homenaje premiar a la “nanodinamita.”
Esta entrada es una participación de La Ciencia de la Mula Francis en la VII Edición del Carnaval de la Tecnología organizada por Zemiorka, que complementa la entrada de César @EDocet.
Las aplicaciones ópticas de la nanotecnología requieren aprovechar efectos físicos cuya escala esté por debajo de la longitud de onda (ya que la longitud de onda de la luz es λ ≈ 1000 nm). Se publica en Nature el nanoláser más pequeño que emite en el régimen óptico, que está basado en una cavidad coaxial con un diámetro d ≈ 100 nm. Este láser funciona a temperatura ambiente (al contrario que otros diseños anteriores) y tiene la ventaja de que se puede controlar la frecuencia de la luz que emite mediante variaciones del diámetro y otros parámetros geométricos de la nanocavidad coaxial. El artículo técnico presenta nanoláseres capaces de emitir con longitudes de onda entre 1,26 μm y 1,59 μm a temperatura ambiente (295 K), y entre 1,27 μm y 1,53 μm a muy baja temperatura (4,5 K). El fenómeno físico responsable de la emisión de este nanoláser es la emisión estimulada predicha por la electrodinámica cuántica (QED) para una cavidad en la que resuenan modos plasmónicos. El nanoláser está formado por una barra metálica rodeado por un anillo semiconductor con un recubrimiento metálico; encima de esta estructura se coloca un capuchón delgado de dióxido de silicio (SiO2) que evita la formación de modos plasmónicos espurios en la parte superior del dispositivo. Se espera que estos nanoláseres tengan muchas aplicaciones en sistemas ópticos integrados (nanocircuitos fotónicos en chips). El artículo técnico es M. Khajavikhan et al., “Thresholdless nanoscale coaxial lasers,” Nature 482: 204–207, 09 February 2012.
Los modos del nanólaser han sido calculados mediante simulaciones por ordenador con el método de elementos finitos (como muestra esta imagen) y han sido confirmados con medidas experimentales para varios dispositivos concretos.
Quien piense que un Premio Nobel de Física se relaja tras recibir la gloria del premio no conoce a los padres del grafeno, Geim y Novoselov; no paran. Publican hoy en Science la fabricación del primer transistor túnel-FET (TFET o Tunnel Field-Effect Transistor en inglés) fabricado mediante una heteroestructura (dispositivo formado por varias capas delgadas de materiales alternados) que incorpora dos capas de grafeno. El nuevo transistor TFET mejora las prestaciones de otros diseños previos de transistores basados en el grafeno (como los del joven español Tomás Palacios en el MIT); por ejemplo, logra un cociente entre las señales de ON y OFF en conmutación cercano a 50 a temperatura ambiente, cuando diseños anteriores solo lograban un factor de 10, además es un dispositivo muy rápido con transiciones cada pocos femtosegundos. El área superficial del nuevo transisotr TFET de grafeno todavía no es tan pequeña como las de los transistores TFET convencionales, que están en la escala de los 10 nm, sin embargo, el grupo de Geim cree que aún hay espacio para futuras mejoras que reduzcan este factor. Parece que el grafeno ha entrado con fuerza en el mundo de la integración a pequeña escala y gran rendimiento. El artículo técnico es L. Britnell, R. V. Gorbachev, R. Jalil, B. D. Belle, F. Schedin, M. I. Katsnelson, L. Eaves, S. V. Morozov, N. M. R. Peres, J. Leist, A. K. Geim, K. S. Novoselov, L. A. Ponomarenko, “Field-effect tunneling transistor based on vertical graphene heterostructures,” Science, Published Online February 2, 2012 [gratis en ArXiv]. Por cierto, conviene seguir a Geim en Arxiv donde aparecen con algunos meses de antelación sus artículos; al menos para mí es todo un placer (he rescatado este artículo de mis borradores, que ya superan los 85).
¿Por qué es importante este avance? Porque los transistores integrados en los chips del ordenador (o dispositivo móvil) con el que lees esto son transistores FET (en concreto MOSFET formados por tres capas de metal, óxido y semiconductor) con longitud de canal entre 45 y 65 nanómetros. Si se confirma la predicción del grupo de Geim, los nuevos TFET de grafeno podrían llegar a alcanzar un tamaño equivalente a un MOSFET con una longitud de canal de 10 nanómetros.
¿Algún día podrás disfrutar de un ordenador cuyos chips estén basado en las tecnologías del grafeno? Quien sabe. Este nuevo tipo de transistores TFET de grafeno tendrá que competir con los transistores TFET “convencionales” de nueva generación (ver por ejemplo Adrian M. Ionescu, Heike Riel, “Tunnel field-effect transistors as energy-efficient electronic switches,” Nature 479: 329–337, 17 November 2011). En este campo, el que no corre vuela.
Por cierto, yo hice mis pinitos en el estudio numérico de heteroestructuras (superredes fractales); quizás tenga que poner a trabajar a alguno de mis estudiantes en el modelado de superredes fractales con capas de grafeno. Aunque no sirvan para nada, lo mismo es un tema que se publica fácil.
Sir André Geim, Premio Nobel de Física 2010 por el grafeno y Premio IgNobel de Física por hacer levitar ranas, y sus colegas de la Universidad de Manchester han descubierto que el óxido de grafeno también sirve para destilar alcohol, lo han probado con vodka y lo han publicado en Science. Sellando una botella de vodka con una membrana de óxido de grafeno, el agua que se evapora de la botella puede atravesar la membrana como si no estuviera (el óxido de grafeno es “transparente” al agua, pero el grafeno es impermeable a todos los líquidos y gases, incluso a átomos tan pequeños como el helio), pero las demás moléculas del vodka no pueden hacerlo. El óxido de grafeno se obtiene recubriendo una de las caras del grafeno con grupos hidroxilos OH- (el filtro utilizado está formado por múltiples caras de este óxido de grafeno); la figura de arriba ilustra el paso de las moléculas de agua a través de este filtro, como el alcohol no puede hacer lo mismo, la concentración de alcohol en la botella de vodka crece. No sabemos si Geim ha probado el vodka resultante, pero yo me pregunto por qué han usado vodka en lugar de whisky si no era para disfrutarlo. Me enteré de lo del vodka gracias a Daniel Cochlin, “Supermaterial goes superpermeable,” EurekAlert!, 26 Jan. 2012, y la llamada de antención en Twitter de @RSEF_ESP “Comentaste el paper de Nature sobre la interacción del grafeno con el agua. Mira este de ayer en Science” [link al tuit]. El artículo técnico es R. R. Nair, H. A. Wu, P. N. Jayaram, I. V. Grigorieva, A. K. Geim1, “Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak–Tight Graphene-Based Membranes,” Science 335: 442-444, 27 January 2012 [gratis en ArXiv].
Los materiales porosos cuyos poros son nanométricos tienen un enorme número de aplicaciones industriales, sobre todo en técnicos de separación y filtrado de sustancias con moléculas pequeñas. Geim y su grupo han observado que una lámina de óxido de grafeno es impermeable a todo tipo de líquidos, vapores y gases, salvo para el agua (el H2O penetra a través de las membranas de óxido de grafeno diez mil millones de veces más rápido que el helio). El óxido de grafeno tiene propiedades mecánicas similares al grafeno y esta aplicación industrial parece muy prometedora. El artículo de Geim et al. describe en detalle cómo fabrican el óxido de grafeno y presenta simulaciones por ordenadorde la dinámica molecular del agua a través de los poros del grafeno (en estas simulaciones la clave son la fuerzas de Van der Waals). El grupo de Geim está estudiando últimamente los cambios que sufre el grafeno cuando se le adhieren moléculas simples de forma esporádica; para mí es increíble la desbordante imaginación que demuestran Geim y sus colegas.
La manera en la que una gota de agua moja una superficie plana está dominada por las fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la superficie y las de agua. Para sorpresa de muchos, el grafeno es invisible (o transparente) para el agua cuando ésta moja una superficie de cobre, oro o silicio, aunque no cuando es de cristal. Cuando digo invisible quiero decir que al recubrir la superficie con una capa de grafeno (una capa de carbono de un solo átomo de grosor) no cambia el ángulo de contacto; conforme el número de capas de grafeno crece, dicho ángulo tiende al del agua sobre grafito (se necesitan al menos 6 capas de grafeno, aunque con 3 ya se ve el cambio). Los investigadores lo han descubierto gracias a medidas experimentales y han descubierto el porqué gracias a simulaciones de dinámica molecular (como las mostradas en la figura que abre esta entrada). La razón es que el grafeno es más delgado que la escala típica de interacción de las fuerzas de van der Waals. Además, el grafeno incrementa entre un 30% y40% la transferencia de calor por condensación con el cobre, gracias a que su presencia suprime la oxidación de éste. Esta propiedad tendrá importantes aplicaciones industriales para el desarrollo de superficies conductoras de la electricidad que sean impermeables. El artículo técnico es Javad Rafiee et al., ”Wetting transparency of graphene,” Nature Materials, Published online 22 January 2012. Me he enterado gracias a un tuit #AA de César (@EDocet).
El grafeno es una capa de un solo átomo de grosor de átomos carbono dispuestos en una retícula hexagonal tipo panel de abeja. Sus propiedades son extraordinarias en estabilidad química, resistencia mecánica, flexibilidad, alta conductividad eléctrica y térmica, entre otras. Además es casi transparente a la luz, ya que la absorción óptica de una sola capa de grafeno es de solo ~2,3% en el espectro visible; combinado con su alta conductividad eléctrica permite desarrollar electrodos conductores transparentes. La interacción del grafeno con el agua ha sido poco estudiada, hasta ahora. En superficies como cobre, oro o silicio las fuerzas de van der Waals controlan la humectación y una capa de grafeno resulta transparente a estas fuerzas; los autores del estudio llaman a este efecto: humectación transparente del grafeno. Los autores afirman que el grafeno es el primer material conocido con esta propiedad de transparencia humectante. Lo más importante es que el grafeno es un buen conductor de la electricidad, al contrario que la mayoría de las superficies hidrófugas y superhidrófugas, que tienen una energía superficial baja y generalmente son aislantes eléctricos. El revestimiento de una superficie con grafeno podría dar lugar a una nueva clase de superficies hidrófugas de alta conductividad eléctrica.
El futuro de la ley de Moore son los memristores, dispositivos nanotecnológicos que ahora permiten desarrollar memorias flash ultrarrápidas e “inteligentes”. Sin embargo, desde su descubrimiento teórico en 1971 por Leon O. Chua, el memristor también se ha propuesto como modelo de redes de neuronas. Lo último sobre esto es el modelo biomimético de la retina propuesto por científicos húngaros y británicos, donde la parte “inteligente” de la retina está basada en memristores; gracias a ellos este nuevo modelo permite un amplio rango dinámico (ver tanto imágenes muy oscuras como muy claras), además de un reconocmiento automático de bordes. Por ahora estas retinas artificiales nanotecnológicas son solo modelos teóricos (los autores del artículo han simulado unos pocos fotorreceptores utilizando Matlab y PSPICE), pero dentro de pocos años podría haber prototipos de laboratorio; en mi opinión, el futuro de estas aplicaciones de los memristores es muy prometedor. El artículo técnico es Andras Gelencser, Themistoklis Prodromakis, Christofer Toumazou, Tamas Roska, “A Biomimetic Model of the Outer Plexiform Layer by Incorporating Memristive Devices,” ArXiv, 3 Dec 2011.
El modelo de Gelencser y sus colegas considera la zona intermedia de la retina (capa OPL) en donde se encuentran las células bipolares y las células horizontales, dos tipos de neuronas. Las neuronas disponen de dos terminaciones, una dendrita y un axón. Como muestra la figura, la dendrita conecta las células bipolares con las células fotorreceptoras (los conos y los bastones), mientras que el axón sirve para realizar la conexión con la capa celular más externa de la retina, formada por las llamadas células ganglionares de las que parte el nervio óptico. Las células horizontales permiten una conexión “horizontal” entre las células bipolares, pero también son sensibles a la luz y permiten el gran rango dinámico que presenta la retina (sobre todo a la hora de adaptarse a situaciones con muy poca luz ambiental). Ambos tipos de neuronas son simuladas por un memristor adecuadamente conectado, que además, simula bien sus propiedades más importantes. Al usar el mismo elemento nanoelectrónico para dos tipos de neuronas diferentes se simplifica su implementación física.
3He (820 keV) + n (2,45 MeV). El dispositivo permite generar un haz de neutrones de baja intensidad, con un pico de unos 1000 por segundo. El funcionamiento del dispositivo es muy sencillo. Un cristal piroeléctrico de LiTaO3 colocado entre dos electrodos es calentado lentamente, lo que provoca que aparezca una diferencia de potencial de unos 100 kV entre dichos electrodos (ver figura de arriba). Este cristal se encuentra en una cavidad rellena de deuterio gaseoso con una presión muy baja de unos 0,7 pascales (recuerda que la presión atmosférica es de 100 000 pascales). El cristal piroeléctrico está conectado a un electrodo de wolframio en forma de aguja donde se produce un campo eléctrico enorme, de unos 10 gigavoltios por metro, que ioniza el gas de deuterio. Los iones de deuterio se ven acelerados por el campo eléctrico y se dirigen como proyectiles hacia un blanco sólido que contiene deuterio en forma de ErD3 (“deuteriuro” de erbio). Los iones colisionan con el blanco y producen neutrones con un espectro de energía centrado en 2,5 MeV que corresponde a la reacción de fusión D+D.
