Desenrollar cinta adhesiva en una cámara de vacío produce rayos X que pueden impresionar radiografías

Katharine Sanderson, “Sticky tape generates X-rays. How weird is that?,” Nature News, 22 October 2008 , nos comenta el artículo de los investigadores de la Universidad de California, Los Angeles, Carlos G. Camara, Juan V. Escobar, Jonathan R. Hird, Seth J. Putterman, “Correlation between nanosecond X-ray flashes and stick-slip friction in peeling tape,” Nature, 455: 1089-1092, 23 October 2008 , en el que muestran que “desenrollar” una cinta adhesiva en una cámara de vacío puede producir rayos X suficientes para tomar una imagen de uno de los dedos de los investigadores (como vuestra el vídeo; lo siento, está en inglés). La cinta utilizada es Photo Safe 3M Scotch Tape (ancho 19 mm, rollos de 25.4 m).

La triboluminiscencia es la producción de luz visible debido al movimiento relativo entre dos superficies en contacto (a veces nos saltan chispas cuando nos quitamos un abrigo de lana, por ejemplo). En laboratorio se había demostrado que también se producen rayos X. Los autores del artículo muestran dicho fenómeno con cintas adhesivas (de las habituales en cualquier escritorio). En un vacío moderado, se produce tanto emisión visible, como ondas de radio y emisión de rayos X (pulos de unos 100 mW, miliwatios). Estos fenómenos son similares a la descarga que algunos sufren al bajar de un coche y tocar el dedo la puerta, o en los hoteles con moqueta al tocar el picaporte de una puerta. Para mucha gente no es sólo un fenómeno visible sino también incómodo y/o doloroso. Los autores del artículo han observado pulsos de rayos X con una energía pico de 15 keV, suficientes para producir una imagen de rayos X en una película estándar de radiología.

La tribología es la rama de la ciencia que estudia los fenómenos asociados al rozamiento (fricción) entre superficies. La triboelectrificación es un fenómeno conocido desde la antigüedad aunque su explicación física microscópica no es conocida con todo detalle. Por ejemplo, para la cinta adhesiva de los vídeos se ha propuesto que el fenómeno es debido a las fuerzas de van der Waals pero su baja energía difícilmente puede explicar la generación de fotones (luz); este fenómeno fue descubierto N.E. Harvey, “The luminescence of adhesive tape,” Science, 89: 460-461, 1939 . De hecho, el fenómeno mostrado en el vídeo, la emisión de rayos X en un vacío moderado, se conoce desde hace mucho tiempo (fue descubierto en 1953 por los rusos Karasev, Krotova, y Deryagin, en un artículo en ruso).

Los investigadores californianos han utilizado un radiómetro de rayos X de alta eficiencia y han encontrado que los pulsos emitidos son ultracortos (duran nanosegundos) lo que indica que la emisión se origina en una región submilimétrica cercana al vértice entre la cinta que se despega y la que está adherida al tubo. En dicho vértice la acumulación de carga eléctrica durante el proceso de “despegado” de la cinta es muy alta, cuatro órdenes de magnitud superior a la habitual en otros fenómenos triboeléctricos similares.

Los autores del nuevo artículo en Nature proponen como explicación para el fenómeno observado el “efecto lente”, el enfoque (no lineal) de la radiación electromagnética emitida en el espectro visible que logra incrementar la energía final del pulso hasta el régimen de los rayos X: Conforme la cinta es despegada, el adhesivo acrílico se carga positivamente y el rollo de polietileno se carga negativamente, lo que produce una diferencia de potencial y un campo eléctrico que produce las descargas (chispas). En un ambiente con presión reducida (vacío), las descargas aceleran los electrones a energías en las que pueden emitir rayos X cuando colisionan con la cara de la cinta cargada positivamente (fenómeno de Bremsstrahlung). La intensidad de la emisión es suficientemente fuerte como para ser usada como fuente en fotografía de rayos X (utilizan en el vídeo una placa típica de las usadas en radiografía dental).

El vídeo aparecido originalmente en la revista Nature con una duración de 8:37 lo tenéis en youtube en:

Detener un rayo de luz mediante un cristal no lineal (o pulsos y velocidad de grupo)

 

La luz viaja a la velocidad de la luz en el vacío (siempre a la misma velocidad lo que da fundamento a la Teoría de la Relatividad Especial). Sin embargo, en un medio “transparente”, la luz viaja a una velocidad menor (en función de su índice de refracción). ¿Puede llegar a detenerse? ¿Puede llegar a “reflejarse” hacia atrás? En un cristal no lineal sí es posible, como nos recuerda Diederik Sybolt Wiersma, “Optics: Light reined in,” Nature 452, 942-944, 24 April 2008 . Este tipo de materiales tiene un gran número de aplicaciones prácticas potenciales en optoelectrónica y tecnologías afines.

T. V. Shubina et al. “Resonant Light Delay in GaN with Ballistic and Diffusive Propagation,” Phys. Rev. Lett. 100, 087402, 2008, han mostrado como “casi” detener la luz en nitruro de galio (GaN). Este semiconductor permite emitir luz azul y se puede dopar fácilmente con impurezas, siendo mecánicamente robusto incluso a altas temperaturas, por lo que se usa habitualmente en los diodos láser azules que podemos encontrar en los discos de almacenamiento Blu-ray de alta densidad (de Sony, que ha ganado la batalla contra el HD-DVD de Toshiba).

La razón de que se pueda “detener” la luz en un cristal es que los pulsos ópticos están formados por una superposición de muchos fotones de longitudes de onda (colores puros) distintos. La velocidad con la que se propaga el pulso en el medio es la velocidad de grupo o velocidad de la envolvente del pulso. Dentro del pulso, cada fotón se propaga a su propia velocidad de fase, que viene determinada por el índice de refracción del material. Sea w(k) la relación de dispersión que determina con qué velocidad se propagan las fotones de diferentes colores (números de onda, k). Sus velocidadesd de fase serán w(k)/k. La velocidad de grupo del pulso o paquete de ondas o de la envolvente es la derivada  de la dispersión w'(k)=dw(k)/dk.

En medio con mucha dispersión, donde w(k) cambia mucho con cambios de k, la envolvente del pulso cambia de forma y el pico (máxima amplitud) de la envolvente puede “aparentar” propagarse a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío, o a una velocidad mucho más pequeña, incluso llegar a pararse. Por supuesto, la velocidad de la información (relacionada con la “energía”) propagada por el pulso nunca puede propagarse a mayor velocidad que la luz en el vacío.

En el experimento de Shubina et al., ver la ilustración arriba, la propagación dispersiva del pulso en GaN hace que el frente delantero del pulso se reduzca (ver las flechas) y el frente trasero  crezca (ver también las flechas), con lo que el pico o máxima amplitud de la envolvente se puede conseguir que permanezca prácticamente en reposo. Ello gracias a interacciones resonantes entre las moléculas del material y la luz a ciertas frecuencias específicas. ¿Dónde se va la energía que se acumula cuando el pulso se “detiene”? Se consume en la interacción con los electrones del material, que pasan a estados excitados, se crean “excitones” que termporalmente almacenan la energía óptica. La interacción resonante ocurre sólo para las frecuencias de luz que exactamente coinciden con las frecuencias de los excitones.

Las aplicaciones prácticas de esta tecnología, todavía en pañales, son muy prometedoras. Por ejemplo, se podría crear memorias ópticas (de corta vida) como las DRAM de silicio, que requieren refresco. Junto con guías de onda de cristal fotónico (estructuras microestructuradas con agujeros) se podría diseñar circuitería fotónica para computación completamente óptica, sin mediar, dispositivo  electrónico alguno, que podría sustituir en ciertas aplicaciones a las tecnologías actuales basadas en Silicio. ¡Adiós Silicon Valley! ¡Bienvenido Gallium Valley!

Casi más oscuro que un agujero negro (o “el lado oscuro” de los nanotubos de carbono)

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Un material negro es un “tragaluz” (se traga la luz), como hace a otra escala un agujero negro. Un material negro “ideal” es el que aborbe “toda” la luz que recibe en cualquier dirección (ángulo) y con cualquier “color” (longitud de onda). Normalmente consideramos sólo el espectro visible (los “colores” del arco iris). Un material negro es una esponja que en lugar de absorber agua, absorbe luz.

En el artículo Experimental Observation of an Extremely Dark Material Made By a Low-Density Nanotube Array“, Yang et al., Nano Letters, 2008, se presenta un material formado por un “bosque” (distribución alineada) de nanotubos puestos en vertical sobre un sustrato que parece ser el material “más” oscuro fabricado hasta el momento. El índice de refracción (teórico) de este material es extremadamente bajo que combinado con la rugosidad del bosque de nanotubos dotan a este material de una reflectancia difusa ultrabaja (un orden de magnitud por debajo del carbón de baja reflectancia comercial) y de una reflectancia total de 0.045% (sólo este tanto por ciento de la luz incidente es reflejada), es decir, el nuevo material absorbe más del 99’9% de la luz que recibe.

Las aplicaciones del nuevo material son múltiples: células solares, generatión de electricidad termofotovoltáica, detección infrarroja, e incluso observación astronómica (“Blacker Than Black: Darkest Manmade Material Ever Made“). A pie de calle, lo más que nos interesa es que permitirá el desarrollo de células solares más eficientes, es decir, mejores paneles solares (“‘Darkest ever’ material created“) . Este nuevo material es el mejor “tragaluz” conocido.

By the way, los investigadores quieren que el nuevo material se incluya en el Libro Guinness de los Récords (“Negro mas negro que el Negro” y “Blacker Than Black: Darkest Manmade Material Ever Made“). “Veta comercial” no le falta al profesor Shawn-Yu Lin.