Un punto triple de estado sólido

Dibujo20130821 Phase diagram of VO2 - triple point - nature com

En el punto triple del agua (a 0,01 °C de temperatura y 612 pascales de presión) coexisten en equilibro sus tres estados sólido, líquido y gaseoso. El dióxido de vanadio es un sólido que presenta un punto triple a 65 °C en el que coexisten tres fases sólidas, dos aislantes (con estructuras cristalinas monoclínicas, M1 y M2) y una conductora (con estructura tetragonal tipo rutilo, R). Gracias a un dispositivo micromecánico se ha medido con alta precisión el diagrama de fase temperatura versus esfuerzo en tracción de una nanobarra de dióxido de vanadio (VO2). Películas delgadas de óxido de vanadio se utilizan mucho en la industria electrónica y en óptica física como “material inteligente” (porque sus propiedades varían mucho con la temperatura y el voltaje aplicado). La más interesante de las tres fases es M2 ya que no hay ninguna teoría microscópica que explique su estabilidad; el nuevo diagrama de fase guiará los cálculos de la estructura electrónica mediante ordenador, lo que quizás ayude a aclarar este asunto. Existen puntos triples sólidos en la manganita y en niquelatos de tierras raras, aunque aplicar el nuevo método de medida no será fácil pues se requieren nanobarras de muy alta calidad. Nos lo cuenta Douglas Natelson, “Condensed-matter physics: A solid triple point,” Nature 500: 408–409, 22 Aug 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jae Hyung Park et al., “Measurement of a solid-state triple point at the metal–insulator transition in VO2,” Nature 500: 431–434, 22 Aug 2013.

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Francis en ¡Eureka!: El grafeno magnético que puede revolucionar la espintrónica

Dibujo20131011 Magnetic moment and Kondo resonance for individual TCNQ molecules

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.

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Nuevos transistores transparentes de grafeno y nanotubos de carbono con dieléctrico arrugado

Dibujo20130422 Photographs of stretchable TFT arrays transferred onto various substrates

Fabricar transistores en películas transparentes que se puedan estirar y pegar sobre cualquier superficie no es nada fácil. En los transistores de efecto de campo (FET) el mayor problema es el dieléctrico, poco robusto ante deformaciones y estiramientos. Se ha publicado en Nature Materials una nueva propuesta de transistor de grafeno y nanotubos de carbono que soluciona el problema del dieléctrico usando una capa de Al2O3 arrugada que atrapa aire, capaz de resistir estiramientos de hasta el 20% sin degradación apreciable de sus propiedades. Gracias a ello se puede pegar a superficies arrugadas como un tubo de pasta de dientes. El artículo técnico es Sang Hoon Chae et al., “Transferred wrinkled Al2O3 for highly stretchable and transparent graphene–carbon nanotube transistors,” Nature Materials 12: 403–409, 2013.

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El “grafeno molecular” y la aparición de campos “pseudomagnéticos” sobre fermiones de Dirac

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.

El grafeno hasta en la olla: Fluorografeno, el nuevo teflón ultraplano

El fluorografeno es un nuevo miembro de la familia del grafeno: una hoja de un átomo de espesor de carbono en la que un átomo de flúor se une a cada átomo de carbono. Este material es un análogo bidimensional al teflón que ha sido desarrollado por los ganadores del Premio Nobel de Física de 2010, Kostya S. Novoselov y Andre K. Geim, de la Universidad de Manchester, Reino Unido. El fluorografeno es un aislante eléctrico (su resistencia es mayor de 1012 Ω), con una resistencia mecánica similar a la del grafeno (su módulo de Young es de 100 N/m) y con una estabilidad química similar a la del teflón (inerte y estable hasta los 400 °C). El fluorografeno es un aislante eléctrico, al contrario que el grafeno que es un buen conductor de la electricidad, por lo que además de poder ser utilizado en aplicaciones donde se usa el teflón,  dada su extrema delgadez también puede ser utilizado como aislante en circuitos microelectrónicos de alta tasa de integración. El artículo técnico es Rahul R. Nair et al., “Fluorographene: A Two-Dimensional Counterpart of Teflon,” Small, Published online on 4 Nov. 2010. Novoselov y Geim aclaran en su artículo que el fluorografeno lo han descubierto ellos los primeros, ya que otros autores han publicado antes que ellos el desarrollo y caracterización de este mismo material; pero según ellos su preprint ha estado público antes que el de los otros. Por ejemplo, Jeremy T. Robinson et al., “Properties of Fluorinated Graphene Films,” Nano Letters 10: 3001–3005, July 16, 2010. Por cierto, Robinson et al. le llaman al nuevo material perfluorografano.

El grafeno actúa como una macromolécula gigante que como otras moléculas puede modificarse mediante reacciones químicas. Novoselov y Geim desarrollaron en 2009 el grafano, grafeno en el que cada átomo de carbono se une a un átomo de hidrógeno y en la actualidad están estudiando cómo unir al grafeno otros átomos. Así ha surgido el fluorografeno (o perflurografano), un análogo bidimensional al teflón (de hecho, el fluoruro de grafito es un material tridimensional muy usado en baterías y como lubricante). Fabricar fluorografeno no es fácil, ya que si hay defectos en la capa de flúor (huecos sin rellenar) las propiedades del grafeno dominan sobre las del fluorografeno (o las propiedades del fluorografeno se degradan y se reducen a las del grafeno). Nair et al. nos proponen dos procedimientos diferentes y Robinson et al. un tercero. Un nuevo material que dará mucho que hablar y que abre la ruta hacia al desarrollo de gran número de moléculas gigantes basadas en el grafeno. 

Qué es un monopolo magnético en un hielo de espín

Los monopolos magnéticos en hielos de espines son perfectamente compatibles con las leyes de Maxwell y de la electrodinámica de los medios continuos. No existen los monopolos magnéticos como objetos (partículas) elementales. En física de la materia condensada se observan configuraciones de campos electromagnéticos que se asemejan a los que produciría un monopolo magnético. Una conferencia de Steven Bramwell (uno de los físicos que observaron por primera vez monopolos magnéticos en hielos de espín el año pasado) ha sido la chispa que ha encendido la mecha del artículo de Bee, “Magnetic Monopoles in Spin Ice,” Backreaction, April 17, 2010, que me voy a permitir el lujo de resumir en español.

La aguja de Coulomb. Coulomb, descubridor de la ley que lleva su nombre para el potencial eléctrico de una carga puntual, también pensó y trató de medir el potencial magnético producido por una carga magnética puntual. Para ello trató de  medir el campo magnético alrededor de la punta de una aguja muy fina. Lo que Coulomb descubrió es que las líneas de campo magnético que atraviesan el interior de la aguja y salen por su punta se cancelan exactamente con las que salen por el cuerpo de la aguja hacia el exterior. El resultado de su experimento es que no hay cargas (fuentes) de campo magnético. Ahora bien, cuando un imán (con dos polos) se rompe en dos trozos obtenemos dos imanes más pequeños (ambos con dos polos). Para “crear” en laboratorio un análogo a un monopolo magnético tenemos que crear algo parecido a la aguja cuyo campo magnético quiso medir Coulomb, deformarla y sumergirla en un pajar de tal forma que lo único que se pueda medir del sistema en su conjunto sea el campo magnético en las puntas de la aguja. Este campo se parecerá al de un monopolo magnético.

Hielos de espines. En el hielo las moléculas de agua se comportan como pequeños tetraedros con un átomo de oxígeno en el centro rodeado por 4 átomos de hidrógeno, dos de los cuales están muy cerca (“pertenecen” a la molécula del agua del oxígeno central gracias a enlaces covalentes, color celeste) y los otros dos están más lejos (“pertenecen” a oxígenos vecinos gracias a “puentes de hidrógeno”, color rojo). Los hielos de espines son materiales que presentan una estructura tetraédrica similar a la del hielo. En lugar de los átomos de hidrógeno hay átomos de titanio o de tierras raras, como el holmio, en los vértices de los tetraedros. Estos átomos metálicos tienen momentos magnéticos que en una configuración tetraédrica sólo pueden apuntar hacia adentro o hacia afuera, como las flechas de la figura. 

Monopolos magnéticos en un plano. Visualizar monopolos magnéticos en 3D parece más difícil que hacerlo en 2D, como se muestra en la figura de abajo izquierda. Las flechas son imanes y cada cuadrado debe tener dos flechas en sus vértices apuntando hacia adentro y dos flechas apuntando hacia afuera. En esta configuración un defecto consiste en invertir la dirección de una flecha (figura de abajo centro). Este defecto equivale a la aparición de un imán con dos polos, un polo norte (rojo) con tres flechas apuntando al centro del cuadrado y un polo sur (verde) con tres flechas apuntando hacia afuera. La medida del campo magnético producido por esta configuración muestra que es equivalente al producido por un imán con dos polos. La figura de abajo derecha muestra lo que pasa cuando estiramos el imán cambiando la dirección de la flecha superior derecha del polo sur (verde). Los polos se separan. Aplicando este procedimiento en reiteradas ocasiones podemos separar los polos una distancia suficientemente grande como para que el campo magnético alrededor de uno de dichos polos no se vea afectado por el otro polo y se comporto como un monopolo magnético.

En un hielo de espín real se producen varios defectos simultáneamente que se observarán como múltiples monopolos que estarán conectados entre sí por el equivalente a varias agujas de Coulomb deformadas. De hecho, cada dos monopolos de carga opuesta está conectado por una aguja de Coulomb, como muestra la figura de abajo (donde sólo se han dibujado algunas agujas, el lector puede dibujar muchas más). Esta multiplicidad de conexiones entre los monopolos opuestos es lo que nos permite afirmar que ya no están conectados entre sí los monopolos que inicialmente lo estaban, por lo que podemos considerarlos como monopolos libres que pueden moverse de forma independiente. La aguja queda “oculta” en el pajar y los físicos experimentales pueden medir tranquilamente los defectos como monopolos magnéticos.

Publicado en Nature: Un físico catalán estudia mediante ordenador la propagación de fracturas en materiales frágiles

Las fracturas en materiales frágiles involucran un gran número de escalas. (C) Nature

Antonio J. Pons Rivero. UPC

La rotura catastrófica de materiales frágiles como la cerámica, el cristal o algunas rocas  suele estar provocada por la propagación rápida de grietas. Este fenómeno implica un gran número de escalas desde metros, micrómetros, nanómetors e incluso Angstroms. Este fenómeno también se observa a escala de cientos de kilómetros en el movimiento de placas tectónicas que provocan terremotos. El físico catalán Antonio J. Pons Rivero, contratado como Juan de la Cierva en el Grupo “Nonlinear Dynamics, Nonlinear Optics and Lasers” de la Universitat Politècnica de Catalunya, junto a Alain Karma, de la Universidad de Northeastern, Boston, EEUU, han desarrollado simulaciones por ordenador que permiten entender la propagación de fracturas en 3D a través de múltiples escalas y cómo el material se desgarra conforme se aplica tensión sobre el mismo. Este tipo de estudios permitirán desarrollar nuevas materiales más ligeros, más fuertes y más resistentes que presenten una estructura jerárquica con estructuras a diferente escalas que dificultan la propagación de fracturas. Dichos diseños ya son utilizados por diferentes materiales biológicos, como la seda de las arañas, el nácar o los huesos. Entender cómo evitan estos materiales las fracturas permitirá incluso tratar enfermedades como la osteogénesis imperfecta (enfermedad de los huesos frágiles). Nos lo cuenta Markus J. Buehler, Zhiping Xu, “Materials science: Mind the helical crack,” News and Views, Nature 464: 42-43, 4 March 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Antonio J. Pons, Alain Karma, “Helical crack-front instability in mixed-mode fracture,” Letter, Nature 464: 85-89, March 2010.

Antonio y Alain han estudiado mediante simulaciones por ordenador como una fractura plana se propaga generando un conjunto de caras planas que aparecen formando un perfil en diente de sierra. La figura de arriba (a) muestra este fenómeno en un muestra de acero. Las figuras (c) y (d) muestran dos etapas del proceso por el que se genera este tipo de perfil según las simulaciones por ordenador gracias a una inestabilidad que involucra dos modos (superficies de fracturas) llamadas I y III en la figura. Este tipo de inestabilidad ante deformaciones helicoidales del frente de la fractura ha sido poco estudiado y las simulaciones han ofrecida varias sorpresas. Por ejemplo, las caras marcadas con A en la figura (d) tienen puntas redondeadas, que sobresalen hacia adelante y están unidas a las caras marcadas con B que parece que se quedan atrás, dando lugar a la onda de diente de sierra. Como muestra la figura, las grietas de menor escala confluyen en un menor número de grietas de mayor escala.

Las simulaciones también han mostrado el desarrollo de estrías (llamadas “dedos”) en las fracturas de materiales frágiles como el cristal, como muestra la figura de arriba (a), que hay que comparar con una fotografía experimental (b). Como vemos se alternan estrías cortas con estrías largas en un patrón que hasta ahora no había obtenido explicación teórica. Las simulaciones utilizan un método de campo efectivo que aproxima la energía total con la función de Lyapunov que se muestra en la figura de arriba. Un método variacional permite obtener las ecuaciones diferenciales para la fractura que han sido resueltas mediante diferencias finitas de segundo orden. El código tridimensional implementado en Fortran tiene un alto coste computacional por lo que ha tenido que ser paralelizado utilizando MPI (Message Passing Interface) y un clúster de ordenadores con Linux en la Universidad de Northeastern.

En resumen, un gran trabajo de un español que nos alegra que se haya publicado en Nature. El artículo técnico para los que no tengan acceso a Nature aparecerá próximamente en ArXiv, como ya han aparecido otros artículos de Pons y Karma. Ya os pondré el enlace cuando esté disponible.