Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para disfrutarlo. Como siempre una transcripción libre.
El grafeno es el material de moda que recibió el Premio Nobel de Física en 2010. Sus numerosas propiedades hacen que sus aplicaciones parezcan casi infinitas. Pero empecemos por el principio, ¿qué es el grafeno? La mina de una lápiz está hecha de grafito, un material que se puede exfoliar fácilmente. El grafito está compuesto por láminas de átomos de carbono fuertemente enlazados entre sí, pero estas láminas están débilmente enlazadas unas con otras, de tal forma que al arrastrar la punta del lápiz sobre una hoja de papel se desprenden bloques de láminas de grafito que quedan adheridas al papel. El grafeno es una lámina de grafito de un solo átomo de grosor. El grafeno está formado por carbono puro, como el diamante, colocado en una estructura hexagonal similar a la del un panal de abejas. Konstantin Novoselov y André Geim, ambos de la Universidad de Manchester, recibieron el Premio Nobel de Física en el año 2010 por desarrollar un nuevo procedimiento para fabricar grafeno de forma industrial mediante una técnica de exfoliación del grafito. El grafeno es el material de moda en nanociencia y nanotecnología por sus sorprendentes propiedades físicas y químicas. Es el material con la mayor conductividad térmica y eléctrica conocido, es el más delgado, el más ligero, el más duro, el más flexible… Muchas de las propiedades del grafeno son dignas del libro de los récords Guinnes.
El primer vídeo muestra cómo rebota una bola de acero inoxidable de 2,54 cm de diámetro y 64 gramos de peso en una membrana circular de hidrogel con 1 mm de espesor y 7 cm de diámetro tras caer deade una altura de 1,86 metros. La película está grabada con una cámara de alta velocidad a 6000 fotogramas por segundo. El segundo vídeo muestra el resultado cuando se deja caer desde la misma altura una bola de acero de 5,08 cm de diámetro y 524 gramos de peso, pero sobre una membrana con 2 mm de espesor. En esta segunda parte se observa cómo se rompe la membrana. Suo Zhigang (Universidad de Harvard) y sus colegas han desarrollado este hidrogel híbrido a partir de polímeros de alginato y de poliacrilamida. Sus propiedades mecánicas tan extraordinarias son debidas a la combinación de polímeros de alginato, cuyas moléculas se unen por enlaces iónicos que se pueden romper y volver a formar bajo presión, difundiendo la presión en un gran área, y polímeros de poliacrilamida, cuyas moléculas se unen por enlaces covalentes, que garantizan que el gel se mantiene unido formando una película bastante rígida. El artículo técnico es Jeong-Yun Sun et al., “Highly stretchable and tough hydrogels,” Nature 489: 133–136, 06 September 2012. Me he enterado gracias a un tuit de Julián Estévez @Jeibros que hacía referencia a la noticia de Colin Lecher, “Video: A Ball of Metal Bounces Off a Thin Sheet of Super-Tough Hydrogel,” Popular Science, Sep. 05, 2012.
Los hidrogeles tienen múltiples aplicaciones prácticas: ingeniería de tejidos, sistemas de administración de medicamentos, actuadores en sistemas ópticos o fluidomecánicos, y muchas otras aplicaciones en biología. Lo que más limita las aplicaciones prácticas de los hidrogeles son sus propiedades mecánicas, ya que las membranas de hidrogel se suelen romper fácilmente cuando son estirados; por ejemplo, un hidrogel de alginato se rompe cuando se estira 1,2 veces su longitud original. Algunos hidrogeles sintéticos aguantan estiramientos entre 10 y 20 veces su longitud, pero cualquier pequeña rotura reduce estos números mucho. El nuevo artículo presenta un hidrogel basado en polímeros que permite estiramientos de hasta casi 20 veces su longitud sin romperse, incluso cuando hay pequeñas roturas, que en lugar de crecer y rajar en dos la membrana se mantienen gracias a una combinación “inteligente” de alginato y poliacrilamida.
Como muestra esta figura la combinación de un gel de alginato y con otro de poliacrilamida permite obtener un nuevo gel híbrido con propiedades comunes a ambos. Abajo tenéis un detalle de la química de los enlaces que unen entre las moléculas de ambas sustancias formando los polímeros que dan sus propiedades al gel.
El efecto Seebeck es el paradigma de la termoelectricidad y permite el desarrollo de termopares (sensores de temperatura). En 1821 Seebeck construyó un cable conductor de electricidad uniendo entre sí dos cables de diferentes materiales y observó que al calentar uno de sus extremos aparecía una corriente eléctrica y un campo magnético inducido. A la inversa, una diferencia de temperatura entre los extremos de un imán (material ferromagnético) provoca la aparición de una diferencia de potencial y una corriente eléctrica, incluso en imanes fabricados con materiales semiconductores y aislantes. Se publica en Nature la primera observación del efecto Seebeck en un material que no es magnético (antimoniuro de indio, InSb), aunque a baja temperatura (por debajo de 40 Kelvin). Los autores del artículo afirman que la corriente eléctrica se produce gracias a la inversión del espín de los electrones en el material, por lo que han bautizado al fenómeno como efecto Seebeck de espín. En materiales magnéticos el sentido de la corriente eléctrica viene determinado por la dirección de la magnetización, pero en el nuevo efecto solo depende de la dirección del gradiente de temperatura. Nos lo han contado Tero T. Heikkilä, Yaroslav Tserkovnyak, “Solid-state physics: Thermal spin power without magnets,” Nature 487: 180–181, 12 July 2012, que se hacen eco del artículo técnico de C. M. Jaworski, R. C. Myers, E. Johnston-Halperin, J. P. Heremans, “Giant spin Seebeck effect in a non-magnetic material,” Nature 487: 210–213, 12 July 2012.
El efecto Seebeck de espín en materiales ferromagnéticos se asocia a la interacción entre los fonones (vibraciones de la red cristalina) y los magnones (excitaciones de los momentos magnéticos de espín); los fonones impulsan a los magnones a cambiar su estado de equilibrio generando una corriente de espín que polariza los electrones del material, efecto que puede ser detectado como una corriente eléctrica gracias al efecto Hall de espín inverso.
Este nuevo descubrimiento que combina espintrónica y termoelectrónica, en lo que se suele llamar termoespintrónica, se cree que tendrá aplicaciones en la industria de los ordenadores para desarrollar sistemas que aprovechen el calor disipado para almacenar información o realizar ciertas labores de cómputo. Por supuesto, estas aplicaciones a largo plazo aún estas lejos, siendo el mayor inconveniente que todavía no se entienden bien los detalles íntimos del efecto Seebeck de espín.
Hoy en día parece que el grafeno sirve para todo, sin embargo, hay aplicaciones que requieren un buen conductor para las que el grafeno no es adecuado, siendo el mejor conductor conocido. En metamateriales y en plasmónica se utilizan metales nobles (como el oro) pero a alta frecuencia no son buenos conductores y presentan muchas pérdidas. El grafeno podría ser la solución, pero un nuevo artículo técnico publicado en Nature Photonics indica que “no es oro todo lo que reluce” (nunca mejor dicho). El grafeno no es una alternativa a los metales nobles en metamateriales (tampoco lo son los superconductores de alta temperatura). En plasmónica, donde se usan plasmones de superficie, tampoco se obtienen ventajas utilizando estos materiales. Para descubrir estos inconvenientes del grafeno, los autores del artículo han introducido un nuevo parámetro (figure-of-merit) que caracteriza el rendimiento de un conductor como material resonante en metamateriales. El artículo técnico es Philippe Tassin, Thomas Koschny, Maria Kafesaki & Costas M. Soukoulis, “A comparison of graphene, superconductors and metals as conductors for metamaterials and plasmonics,” Nature Photonics, Published online 04 March 2012.
Los aislantes topológicos son materiales que conducen electrones en su superficie exterior, pero actúan como aislantes en su volumen interior. Esta propiedad tiene su origen en la forma en que los electrones se mueven a través del material. Los electrones poseen un espín mecánico-cuántico que apunta hacia “arriba” o hacia “abajo”. El espín es normalmente independiente del movimiento de los electrones, pero dentro de los aislantes topológicos, el espín de los electrones está estrechamente relacionado con su movimiento. El resultado es que los aislantes topológicos tridimensionales, como las aleaciones de BixSb1 -x y los cristales Bi2Se3 y Bi2Te3, presentan estados de conducción superficiales muy robustos (protegidos topológicamente) que solo pueden ser destruidos por cambios que también destruyan el carácter aislante de su volumen, eso sí, siempre que el material conserve la simetría de inversión temporal, que el aislante topológico no sea magnético en ausencia de un campo magnético externo. La teoría afirma que si la simetría de inversión temporal se rompe, incluso la perturbación magnética más débil es capaz de abrir una brecha en el espectro de estados de conducción superficial protegidas topológicamente. Y. L. Chen (Universidad de Stanford) et al. han confirmado por primera vez esta teoría utilizando el aislante topológico cristalino Bi2Se3 en el que han introducido impurezas magnéticas (Mg y Fe). Un control tan preciso de las propiedades magnéticas de un material con un número contado de impurezas promete muchas aplicaciones en la industria de la grabación magnética de información de alta escala de integración, tanto en discos duros, como en memorias magnéticas de estado sólido, etc. Los aislantes topológicos también pueden servir como plataforma para otras aplicaciones tecnológicas como la espintrónica y el procesamiento cuántico de la información. Nos lo cuenta Marcel Franz, “Physics: In Praise of Exact Quantization,” Perspectives, Science 329: 639-640, 6 August 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Y.L. Chen et al., “Massive Dirac Fermion on the Surface of a Magnetically Doped Topological Insulator,” Science 329: 659-662, 6 August 2010. Más información sobre otras aplicaciones de los aislantes topológicos en Geoff Brumfiel, “¿Se esconden los secretos del universo en un chip?,” Nature News en español, 16 de marzo 2010.
En las aplicaciones prácticas, la característica más importante de un material superconductor es la máxima corriente eléctrica que puede soportar. Los superconductores convencionales (a baja temperatura) soportan corrientes muchos órdenes de magnitud mayores que los de alta temperatura crítica (a alta temperatura). Se sabía que la razón eran los “bordes granulados” que separan capas atómicas en el material, pero no había una explicación teórica convincente. “Peter Hirschfeld, un profesor de física de la Universidad de Florida y otros cinco investigadores, describen con precisión por primera vez cómo los elementos estructurales a nivel atómico de los superconductores cerámicos de alta temperatura actúan dificultando la corriente eléctrica. Su explicación de cómo los “bordes granulados” que separan las filas de átomos en los superconductores dificultan la corriente es la primera en adaptarse a un fenómeno que ha ayudado a mantener los superconductores lejos de su alardeado potencial y ha desconcertado a los físicos experimentales durante más de dos décadas.” Los superconductores de alta temperatura no permiten corrientes muy altas porque presentan defectos estructurales en forma de bordes “dentados” entre microcristales de orientación diferente. La corriente crítica decrece exponencialmente en función del ángulo de desorientación entre estos microcristales. El nuevo trabajo utiliza simulaciones por ordenador de dinámica molecular de un cuprato superconductor llamado YBCO (en concreto YBa2Cu3O7−δ). Comprender el mecanismo dominante en el límite crítico de la densidad de corriente permitirá diseñar estos materiales para maximizar su valor, como ya ocurrió en el pasado con los superconductores convencionales. Más información divulgativa [fuente del entrecomillado] en Nicolás Pérez, “Los físicos explican por qué los superconductores no producen supercorrientes,” Ciencia Kanija, 07 julio 2010 [original en inglés]. El artículo técnico es S. Graser, P. J. Hirschfeld, T. Kopp, R. Gutser, B. M. Andersen & J. Mannhart, “How grain boundaries limit supercurrents in high-temperature superconductors,” Nature Physics advance online publication, Published online: 27 June 2010 [gratis en “What limits supercurrents in high temperature superconductors? A microscopic model of cuprate grain boundaries,” ArXiv, 21 Dec 2009].
La característica más importante de un superconductor, desde el punto de vista de las aplicaciones prácticas, es la máxima densidad de corriente que el superconductor es capaz de transportar sin resistencia. La más importante tanto para las aplicaciones a gran escala, como líneas de transmisión eléctrica, electroimanes, transformadores y motores, como para aplicaciones electrónicas de pequeña escala, tales como dispositivos pasivos de microondas y dispositivos activos basados en el efecto Josephson. La superconductividad fue descubierta en 1911 por Onnes, quien descubrió la existencia de una corriente crítica máxima. Sin embargo, las corrientes críticas alcanzables hasta 1960 no lo permitían. Por ello las aplicaciones comerciales tuvieron que esperar al descubrimiento de los factores que controlan el valor de estas corrientes críticas (y al desarrollo de técnicas para la fabricación flexible de superconductores a precios económicos). El descubrimiento de los superconductores de alta temperatura presenta una decepción similar. Los cupratos son superconductores de alta temperatura con que no pueden alcanzar densidades de corriente de magnitud suficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas.
La densidad de corriente crítica (Jc) depende del campo magnético crítico (Hc) y del diámetro del conductor (a) según la hipótesis de Silsbee como Jc=2Hc/a. El primer factor (Hc) es una propiedad intrínseca del superconductor y depende del material utilizado. El segundo facto (a) depende de las tecnologías de fabricación de hilos superconductores. Por ejemplo, en un superconductor convencional de niobio de gran uso comercial, como el Nb-Ti o el Nb3Sn, se pueden alcanzar valores de Jc = 10¹² A/m² (en la práctica son unas cien veces menores debido a defectos estructurales de fabricación). Los superconductores de alta temperatura, paradójicamente, a baja temperatura soportan corrientes críticas mayores que los convencionales, pero a alta temperatura solo pueden alcanzar valores de Jc = 108 A/m². Los pnicturos (superconductores basados en el hierro en lugar del cobre) alcanza valores críticos aún más bajos, del orden de Jc = 106 A/m². Los interesados en más información disfrutarán de D. Dew-Hughes, “The critical current of superconductors: an historical review,” Low Temperature Physics 27: 713-722, September 2001 [versión gratis].
Hoy en día muchos materiales con propiedades especiales se descubren gracias a simulaciones por ordenador. Un artículo reciente presenta un nuevo tipo de grafeno semiconductor (ver la figura). Octógonos, hexágonos y pentágonos en una estructura química que a mí se me antojo de gran belleza. La teoría predice sus propiedades semiconductoras, pero la cuestión es ¿quién será capaz de fabricarlo? El artículo técnico es David J. Appelhans, Zhibin Lin, Mark T. Lusk, “A Semiconducting Graphene Allotrope,” ArXiv, 19 Mar 2010.
“The golden ratio — an exact ‘magic’ number often claimed to be observed when taking ratios of distances in ancient and modern architecture, sculpture and painting — has been spotted in a magnetic compound,” Ian Affleck para Nature.
Imagina que haces un experimento y observas un resultado igual a 1’618. Lo que sea. ¿Qué pensarías? ¿En qué pensarías? Obviamente en el número dorado, en φ=(1+√5)/2, en la belleza de las matemáticas, en números de Fibonacci, en el grupo de Lie excepcional E8, en las pirámides de los egipcios, en los nautilus, en la espiral de Arquímedes, etc. Tu artículo científico describiendo tu experimento lo enviarías a revistas del máximo impacto, como Science o Nature, a ver si cuela, y en su caso, todos los medios se harían eco de la gran belleza de tu descubrimiento.
Un artículo teórico de A. B. Zamolodchikov [1], especialista en teoría cuántica de campos conformes, teorías de campos integrables, gravedad cuántica y el espaciotiempo fractal, presentó una idea curiosa: un modelo de Ising unidimensional para un material ferromagnético concreto era un ejemplo particular de una teoría de campos cuántica integrable. No entraré en detalles de lo que esto significa (las partículas en estas teorías son ondas de tipo solitón). Las dos partículas elementales más ligeras predichas por dicha teoría (mesones formados por dos quarks), sean A y B, obeceden la ley de la “democracia nuclear”: la partícula A es un estado ligado de dos partículas B y la partícula B es un estado ligado de dos partículas A. El cociente de las masas de dichas partículas coincide con el número dorado φ = mB/mA = (mA + mB)/mB = 1’618034. Gracias a la aparición de dicho número, Zamolodchikov descubrió una simetría oculta en dicha teoría cuántica con la estructura del grupo de Lie excepcional E8. Este grupo aparece en muchas teorías cuánticas de campos (teorías de cuerdas, teorías de gran unificación, y varios modelos en física de partículas elementales). Una teoría que era una mera curiosidad matemática de interés para un reducido número de expertos.
En enero de 2010 se publicó en Science un artículo de Radu Coldea (Universidad de Oxford) et al. [2] que ha aparecido en todos los medios y en infinidad de blogs (salvo en este, hasta hoy). Enfriaron una muestra de niobato de cobalto a 40 mK que bombardearon con neutrones tras aplicar un campo magnético, creando una serie de estados de tipo cuasipartícula. Cuando el campo magnético superó un valor crítico (5’5 Teslas) observaron que los dos estados de tipo cuasipartícula de mayor masa efectiva cumplían que mB/mA ≈ 1’618 (ver la figura superior derecha que abre esta entrada). Pensaron inmediatamente en la teoría de Zamolodchikov y en la realización experimental de un material con simetría E8. Número dorado, grupo E8, publicación en Science. Eco en todos los medios. Incluido este blog y la competencia de Science, Nature [3], motivo de esta entrada.
