Francis en Trending Ciencia: Nanotermómetros

Ya puedes escuchar mi nuevo podcast sobre Física para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre una transcripción del audio, enlaces a los artículos técnicos y algunas imágenes.

Un artículo publicado el pasado 13 de junio en la revista Nature, entre cuyos autores se encuentran Juan Carlos Cuevas y Linda Angela Zotti, investigadores del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Junto a otros colegas de la Universidad de Michigan (EEUU) han estudiado la disipación de calor en nanodispositivos utilizando un dispositivo de medida que podemos bautizar sin rubor como nanotermómetro. El nuevo termómetro a escala nanométrica es una sonda en forma de punta, similar a la utilizada en un microscopio por efecto túnel, capaz de medir la cantidad de calor disipado en un nanocircuito formado por átomos y moléculas individuales. Estudiar la disipación de calor en los nanocircuitos tales como nanocables semiconductores, heteroestructuras semiconductoras, nanotubos de carbono, grafeno y muchos otros es fundamental para el futuro desarrollo de la nanoelectrónica. Por ello, el nuevo nanotermómetro es un avance realmente espectacular.

El artículo técnico es Woochul Lee et al., «Heat dissipation in atomic-scale junctions,» Nature 498: 209–212, 13 Jun 2013. Más información en español en UAM, «Esclarecen cómo se disipa el calor en dispositivos nanotecnológicos,» SINC, 12 jun 2013.

Supongo que ya sabrás que el trasporte de electricidad por un cable o por un circuito eléctrico viene acompañado del calentamiento del cable o del circuito. El transporte de carga eléctrica siempre lleva asociada la disipación de calor por efecto Joule, descubierto en 1841 por el físico inglés James Prescott Joule, uno de los padres de la Termodinámica. Este efecto describe el calentamiento de un conductor por el que pasa una corriente eléctrica. En nuestros hogares hay muchos dispositivos basados en el efecto Joule, como secadores de pelo, calentadores de agua, incluso las bombillas de filamento se calientan por este efecto. El origen del efecto Joule son las colisiones de los electrones contra los iones de la estructura cristalina del material que atraviesan a su paso. El calor es el movimiento de estos iones respecto a sus posiciones de equilibrio y como este movimiento es acelerado por la interacción con los electrones, el conductor se calienta.

Todos los circuitos electrónicos se calientan y por ello los ordenadores requieren aletas de disipación de calor, ventiladores y otros sistemas de refrigeración. En los dispositivos a escala nanométrica el calor se disipa mediante la excitación de fonones, el modelo cuántica de las vibraciones de la estructura cristalina del material. Los autores del nuevo artículo publicado en Nature, entre ellos el español Juan Carlos Cuevas de la Universidad Autónoma de Madrid, han desarrollado unos nanotermómetros están formados por un electrodo recubierto en su exterior por una capa de oro conectada a un termopar de oro-cromo mediante una película delgada (de unos 70 nanómetros) de nitruro de silicio. A partir de la corriente medida en el termopar se puede inferir la cantidad de calor transferido en la punta del nanotermómetro cuando ésta se acerca al nanodispositivo que se esté estudiando.

Si el microscopio de efecto túnel revolucionó nuestra visión del mundo en la nanoescala, el nuevo nanotermómetro promete revolucionar nuestra comprensión de la disipación de calor en átomos y moléculas. Más aún, también demuestra el buen estado de la nanotecnología y de las nanociencias en general en España.

Coda final. Si aún no has escuchado el audio de mi podcast sobre Física para Trending Ciencia sigue este enlace.

Francis in Mapping Ignorance: Transferencia anómala de calor de lo frío a lo caliente

Te recomiendo leer mi última contribución al blog Mapping Ignorance, «Read it twice: Heat transfer from a cooler body to a hotter body,» May 16, 2013. El primer párrafo, en inglés, dice «Without any conflict with the second law of thermodynamics, heat can flow from a cooler but constantly heated body to another thermally connected and constantly hotter body. This anomalous heat transfer has been demonstrated in a two-phase liquid-vapor system composed of a Rayleigh–Bénard convection (RBC) cell filled one-half with normal liquid helium and one-half with helium vapor.» Seguir leyendo…

Mi contribución se basa en el artículo de Pavel Urban, David Schmoranzer, Pavel Hanzelka, Katepalli R. Sreenivasan, and Ladislav Skrbek, “Anomalous heat transport and condensation in convection of cryogenic helium,” PNAS 110(20): 8036-8039, May 14, 2013; además recomiendo consultar a Joseph J. Niemela, “Weather and anomalous heat flow occurring near absolute zero,” PNAS 110(20): 7969-7970, May 14, 2013.

XXXIV Carnaval Física: La física de las torres de perdigones de Jeréz

En 1782, el británico William Watts patentó una nueva tecnología para la fabricación de perdigones de plomo para munición, las «torres de perdigones» que reemplazaron el uso de moldes o la inmersión de gotas de plomo en barriles de agua. En estas torres se dejan caer gotas de plomo desde una gran altura (en Baltimore, Maryland, EEUU, hay una que alcanza los 71 m) que adoptan una forma esférica mientras se enfrían durante su caída libre gracias a la tensión superficial. Hay torres de perdigones por todo el mundo (en España las hay en Jerez y en Sevilla). En un torre moderna de finales del s. XX se producen unos diez mil perdigones por segundo. Se vierten unas cinco toneladas de plomo fundido por hora en un recipiente de cobre con 2400 agujeros en su fondo. Los chorros de plomo fundido en caída libre, casi de forma inmediata, se ponen a gotear gracias a la inestabilidad de Plateau-Rayleigh, de manera similar a como gotea un grifo de agua con un caudal bajo. ¿Cómo depende el tamaño del perdigón de la altura de la torre? Nos explican la física y la termodinámica de las torres de perdigones Trevor C. Lipscombe, Carl E. Mungan, «The Physics of Shot Towers,» The Physics Teacher 50: 218-220, April 2012 [acceso gratuito]. He obtenido los dibujos que abren esta entrada de «Metalurgia,» Colectivo Proyecto Arrayanes (gracias a César @EDocet).

Una gota de plomo líquido de masa m cae desde una altura H en una torre de perdigones. La solidificación de la gota requiere una energía igual a  m L, donde L = 24,7 kJ/kg es el calor latente de fusión del plomo. En la parte inferior de la torre hay una cuba de agua que amortigua el impacto y enfría los perdigones hasta la temperatura ambiente. Para evitar la producción de grandes cantidades de vapor de agua, la temperatura del perdigón al alcanzar el agua debe ser menor que el punto de ebullición del agua. Por tanto, la altura de la torre debe garantizar que tras su solidificación, el perdigón debe perder una energía térmica adicional durante su vuelo de al menos m c ΔT, donde c = 128 J /kg/K es el calor específico del plomo y ΔT = 227 K es la diferencia de temperatura entre el punto de fusión del plomo (600 K) y el punto de ebullición del agua (373 K). Un cálculo termodinámico sencillo en función del tiempo de caída (que se puede estimar suponiendo que la resistencia del aire es proporcional a la velocidad al cuadrado, pues el número de Reynolds para este problema ronda los 2500) y del coeficiente de transferencia de calor del perdigón con el aire, permite obtener (los detalles son sencillos y se pueden consultar en el artículo de Lipscombe y Mungan) que el radio del perdigón R está relacionado con la altura H de la caída y la masa original de la gota de plomo están relacionados por la fórmula

R = α H^5/8, donde α = 1,2 × 10^-4 m^3/8.

Esta fórmula sublineal implica que un perdigón de hasta 1,2 mm de radio se puede producir con una torre de al menos 40 metros. Para producir un perdigón con un radio de 1,9 mm se requeriría el doble de altura, unos 80 metros.

En resumen, los detalles del análisis termodinámico de la fabricación de perdigones en un torre de caída libre no son complicados y pueden ser utilizados para ilustrar la termodinámica de la transferencia de calor en cursos de física y/o ingeniería.

Esta entrada participa en la en la XXXIV Edición del Carnaval de la Física, alojada en esta ocasión en el blog colaborativo Hablando de Ciencia.

La NASA ofrece nuevos datos que apuntan a la respuesta definitiva para la anomalía de las sondas Pioneer

Slava G. Turyshev (JPL) lo dijo en el año 2002 y desde entonces ha tratado de recabar datos para verificar su hipótesis: el origen de la anomalía en la aceleración de las sondas Pioneer 10 y 11 es que la emisión de calor del pequeño reactor nuclear que las hace funcionar es asimétrica (anisotrópica). La mejor demostración de la hipótesis es confirmar que la aceleración decrece con el tiempo de forma exponencial (como decae el plutonio que alimenta al reactor). Gracias a bucear en los datos de la NASA sobre los últimos 23 años de la sonda Pioneer 10 y los últimos 11 años de la Pioneer 11, Turyshev ha econtrado 21 nuevos datos (totalizando 41) sobre la Pioner 10 y 61 nuevos datos (totalizando 81) sobre la Pioneer 11. Con todos estos nuevos datos Turyshev cree haber encontrado la prueba definitiva de dicho comportamiento: la aceleración parece decaer de forma exponencial (la figura que abre esta entrada ilustra dicho comportamiento). Turyshev ha obtenido su premio y el artículo técnico con los nuevos datos ya ha sido aceptado en la prestigiosa revista Physical Review Letters: Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth, Jordan Ellis, Craig B. Markwardt, «Support for temporally varying behavior of the Pioneer anomaly from the extended Pioneer 10 and 11 Doppler data sets,» ArXiv, 14 Jul 2011. Enhorabuena, Slava, ya se sabe que el que la persigue, la consigue. Se ha hecho eco de esta noticia KFC, «NASA Releases New Pioneer Anomaly Analysis,» The Physics arXiv Blog, 20 July 2011.

A los lectores habituales de este blog, esta noticia puede que no les sorprenda. Ya lo conté al poco de nacer, en «El sistema solar como un gran laboratorio para la gravedad (o ideas sobre la anomalía de las sondas Pioneer),» 28 enero 2008, entrada que yo acababa con un rotundo «Quizás no necesitamos tantos imitadores de Einstein sino más ingenieros.» La hipótesis de la anisotropía térmica como explicación de la anisotropía era la menos exótica y la más razonable desde un punto de vista físico, pero los análisis térmicos mediante elementos finitos de Turyshev, que no es experto en dichas lides, requerían análisis más precisos. Físicos computacionales alemanes confirmaron esta idea de forma independiente con nuevas simulaciones, como conté en «Disipación térmica asimétrica como causa de la anomalía de las sondas Pioneer,» 20 noviembre 2009. Turiyshev, viendo el interés, escribió un maravilloso artículo de revisión sobre el tema, reafirmando su fe sobre su hipótesis y aclarando que se pondría a recabar más datos de la NASA, como os recordé en «Todo lo que siempre has querido saber sobre la anomalía de las sondas Pioneer,» 22 enero 2010; yo me disculpaba porque «Lo siento no voy a traducir 163 páginas de documentación sobre lo que de verdad se sabe sobre la anomalía de las sondas Pioneer,” lo que provocó que MiGUi afirmara que «Esto es un blogus interruptus. Qué malo eres, uno entra desde el feed leyendo el titular y zas! la primera en la cara xD.» Por cierto, aprovecho y vuelvo a recomendar una visita a su web Cientifi.net sobre preguntas y respuestas de ciencia, en la que también se discutió la anomalía.

Por supuesto, muchos se han apuntado al carro de la idea de la anisotropía térmica, afirmando que resolvía de forma definitiva el problema de la anomalía, como nos contó Kanijo, «Anomalía de las Pioneer resuelta mediante una técnica de gráficos por ordenador de los 70,» Ciencia Kanija, abr 01, 2011 [traducción de KFC en The Physics ArXiv Blog.]. Yo critiqué este último artículo quizás con mayor rotundidad de la necesaria: «No quiero poner una nota discordante y generar polémica, pero he leído el artículo de estos portugueses y su análisis es bastante torpe. La verdad sea dicha, a uno de mis alumnos yo le exigiría un análisis un poco más fino de este asunto. He de confesar que yo daba clases del modelo de Phong ya en 1995 (Phong es el nombre de pila de Bui Tuong, en vietnamita el nombre de pila va al final). Además llevo dando clases de teoría de la radiación térmica desde el punto de vista numérico desde el 2000 (Métodos Numéricos de la Ingeniería Térmica). En mi opinión, este nuevo artículo sobre la anomalía de Pionner aporta muy poco a lo que ya sabía y no resuelve la anomalía. Por mucho que a KFC y a mí mismo nos gustaría que así fuera.»

La anomalía de las sondas Pioneer tiene algo que desconcierta y fascina. Como nos traducía Kanijo, «La NASA desconcertada por una fuerza inexplicada que actúa sobre las sondas espaciales,» Ciencia Kanija, mar 03, 2008; desconcertada porque la anomalía parecía afectar a 5 sondas espaciales, «Descubrimientos recientes sobre la anomalía de las sondas Pioneer (Earth flyby anomaly en 5 sondas espaciales),» 5 marzo 2008.

Se han propuesto multitud de explicaciones exóticas, hasta «La explicación española de la anomalía de las sondas Pioneer,» 15 septiembre 2009. Si eres físico, yo ya proponía que buscaras una explicación en «Aceleración planetaria de sondas espaciales: Una anomalía y una fórmula que buscan una explicación,» 10 octubre 2009. Si la anomalía fuera un fenómeno de origen gravitatorio tendría que afectar a los planetas enanos, como Plutón, como indiqué en «La anomalía de la sonda Pioneer y la incertidumbre en la órbita de Plutón,» 4 mayo 2009; Kanijo también lo hizo en «¿Está Plutón afectado por la anomalía de las Pioneer?,» may 07, 2009. Pero si afecta a los planetas enanos también debería afectar a los satélites de Neptuno, pero no lo hacen como conté en «Los satélites de Neptuno podrían descartar una solución gravitatoria a la anomalía de las sondas Pioneer,» 18 diciembre 2009.

Recopilar todas las respuesta exóticas a la anomalía nos llevaría mucho tiempo. Como muestra me hice eco de «Posible solución relativista a la anomalía de las sondas Pioneer,» 20 octubre 2009, «Los últimos datos sobre la anomalía de las sondas Pioneer apuntan a la materia oscura y a nueva física más allá del Modelo Estándar,» 3 julio 2009, y como no de «Otra explicación numerológica para la anomalía de las sondas Pioneer 10 y 11,» 18 octubre 2009.

Lo maravilloso de la ciencia es que ninguna hipótesis es correcta hasta que es demostrada de forma definitiva, y mientras tanto se permiten multitud de hipótesis alternativas que acabarán en saco roto, pero no importa, así es la ciencia.

Por cierto, hoy, dentro de unas horas, este blog alcanzará los 3 millones de visitas. Gracias a todos por seguirlo y espero que disfrutéis tanto leyéndolo como yo escribiéndolo.

PS (1 sep 2011): Richard A. Kerr, «Mystery Pioneer Anomaly Is Real But Still a Mystery,» Science 333: 1208, 2 September 2011.

XII Carnaval de la Física: La ciencia de caminar sobre las brasas del fuego

David Willey es profesor de física de la Universidad de Pittsburgh (Johstown, EE.UU.), ha caminado sobre brasas más de 50 veces y logró el récord a la caminata más larga. Nos cuenta en su artículo en Physics Education que cualquier persona puede caminar unos metros sobre las brasas sin sufrir daño alguno. El secreto está en la baja conductividad térmica de la madera: en cada paso el pie absorbe poco calor de las brasas que son malas conductoras del calor y tienen poca energía interna que transmitir; más aún, la capa de cenizas entre el pie y las brasas es un buen aislante térmico. Termodinámica elemental que se puede explicar a nuestros alumnos tanto en bachillerato como en la universidad. La cantidad de calor transferida al pie es Q=m c ΔT, donde m es la masa, c el calor específico y ΔT la diferencia de temperatura. Los interesados en más detalles pueden recurrir a su artículo «Fire-walking,» Physics Education 45: 487-493, September 2010. Recomiendo a todos los profesores de termodinámica que le cuenten este secreto a sus alumnos, seguro que a ellos les llamará profundamente la atención. No es la primera vez que un blog en español se hace eco del trabajo de Willey. Ya lo hicieron Heber Rizzo Baladán, «La ciencia de caminar sobre el fuego,» Astroseti.org, 27 Sep. 2006, y muchos otros.

Si te ha gustado esta entrada recuerda que Francis organiza la XII Edición del Carnaval de la Física y que la fecha tope es el 25 de octubre. Publicaré un resumen de las todas las entradas el 30 de octubre. Tú también puedes contribuir al Carnaval con tu granito de arena. Para participar no hace falta tener un blog, puedes darte de alta en la web del Carnaval de la Física y publicar tu entrada allí. Por supuesto, a los que tenéis un blog lo más fácil es publicarla en vuestro propio blog. El formato de la entrada es libre: desde un elaborado artículo científico a una simple imagen, pasando por el comentario de una película, la descripción de un experimento casero, un podcast o un vídeo. La única condición es que trate sobre la física en cualquiera de sus aspectos.