Nanotecnología

Por Guillermo Bañares de Dios

Considero que para comprender cualquier disciplina del conocimiento científico es necesario conocer sus orígenes y los derroteros por donde ha discurrido hasta nuestros días, lo cual no sólo nos permite hacernos una idea más global sobre el tema tratado, sino que también nos permitirá aventurar nuevas perspectivas para dicho ámbito. Por ello quiero presentar a los grandes científicos que, con sus ideas, han permitido el desarrollo de la nanociencia -o nanotecnología-, unas ideas que en su día supusieron un verdadero cambio de paradigma. Y qué mejor forma de hacerlo que acercándonos a algunos de sus premios Nobel.

En 1965 el premio Nobel de física les fue concedido a Richard P. Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga  por sus estudios sobre electrodinámica cuántica

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1965/ . La electrodinámica cuántica describe el modo en que la luz (fotones) interacciona con los electrones.

Sobre Feynman poco se puede decir que no aparezca en el artículo de Carlos Díaz-Guerra que aparece en este blog. Sólo reseñar que en el proyecto Manhattan (un proyecto ejecutado por los EE.UU. durante la 2ºGM para desarrollar la bomba atómica antes que los nazis) Feynman fue el responsable de la división teórica y de los cálculos por ordenador, de lo cual se sintió culpable cuando vio los devastadores efectos resultantes de la explosión de la primera bomba, tal y como cuenta en sus memorias.

Sin-Itiro Tomonaga nació en Tokio en 1906 y fue hijo de un importante filósofo japonés. Tras estudiar en el Third Higher School de Tokio (uno de los centros más prestigiosos de Japón, donde estudiaron gran parte de los dirigentes y de las mentes más preclaras del país de la primera mitad del siglo XX) obtuvo el bachiller en física en la universidad de Tokio, donde trabajaría posteriormente. Tras esto comenzó a estudiar los límites teóricos de la electrodinámica cuántica en un importante laboratorio de Tokio y viajó a Leizpig, donde desarrolló su tesis doctoral en física cuántica bajo la supervisión de W. Heisenberg (el padre de la mecánica cuántica). A su regreso a Japón fue contratado como profesor de física en la universidad de Tokio, donde desarrolló la mayoría de sus teorías, entre las que destaca la de la renormalización. La teoría de la renormalización consiste en renormalizar, en redefinir las cantidades infinitas que aparecían en algunos parámetros cuánticos (masa, carga…) sustrayendo un número infinitamente grande que permita obtener predicciones finitas de todos los parámetros. Mediante la aplicación de esta teoría las predicciones de la electrodinámica cuántica han sido comprobadas con una precisión pasmosa. Por sus descubrimientos recibió numerosos galardones además del Nobel (1965), como por ejemplo el premio de la academia de Japón (1948) y la medalla Lomonosov de la U.R.S.S. (1964). Falleció en Tokio en 1979.

Julian Schwinger nació en Nueva York en 1918 en el seno de una humilde familia judía. Desde niño fue considerado un genio por sus profesores y, con tan solo 15 años, era frecuente encontrarlo en la biblioteca del City College de NY, una universidad en la que Scwinger entró a los 16 años a estudiar física y en la que antes de acabar su primer año ya había publicado su primer artículo científico. Realizó el doctorado en la universidad de Berkeley con tan solo 20 años. Durante la 2ºGM trabajó en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) en un proyecto que concluiría con el desarrollo del radar. Después de la guerra trabajó en la Universidad de Harvard, donde desarrolló sus teorías más importantes, entre ellas la de la renormalización (que le valió el Nobel) y otras relacionadas con la física cuántica (como la de que los neutrinos aparecen de multitud de formas). Allí dirigió numerosas tesis doctorales y algunos de sus alumnos fueron posteriormente ganadores del premio Nobel. En 1972 aceptó un puesto en la Universidad de California, donde siguió trabajando hasta su muerte en 1994.

Sería injusto olvidarse de otros muchos premios Nobel (y de tantos otros científicos que nunca fueron galardonados con él) cuyos descubrimientos han conducido al nivel actual de conocimiento que ha permitido el desarrollo de la nanotecnología. Sobre algunos de ellos existen buenos artículos en este blog, pero hay muchos otros que no aparecen y sin cuyas aportaciones a la ciencia este blog nunca habría existido.

Para conocer mejor en qué consiste el proceso de la renormalización: http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-06_10.htm

Para conocer más de Juilian Schwinger:

http://www.profisica.cl/personajedelmes/biografias.php?id=24

http://en.wikipedia.org/wiki/Julian_Schwinger

Para conocer más de Sin-Itiro Tomonaga:

http://en.wikipedia.org/wiki/Tomonaga

Por Anahí Martínez

Como ya he mencionado en otras ocasiones, existe una estrecha relación entre el tema que estamos tratando, la nanotecnología, y la física cuántica . Existen numerosos dispositivos que emplean 'teorías cuánticas', como el efecto fotoeléctrico, por ejemplo. Einstein no descubrió el efecto fotoeléctrico, pero sí que fue el primero capaz de explicarlo.

Albert Einstein y el efecto fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico, consiste en suponer que la luz se comporta como un haz de partículas y cuando así lo hace, las partículas que componen este haz de luz arrancan electrones al  'impactar' sobre un metal. Einstein  concluyó que al aumentar la intensidad de la luz incidente, aumentaba el número de electrones expulsados del metal, pero no la velocidad de éstos.

Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico son numerosas, de hecho, la mayoría de los aparatos que funcionan con un haz de luz están basados en el efecto fotoeléctrico. Éste, está presente en los instrumentos que encienden el alumbrado público, en las fotocopiadoras, en el instrumento que determina el tiempo de exposición en las placas fotográficas, en los fotomultiplicadores, los sensores, células fotovoltaicas, etc…

Describiré algunos de estos 'aparatos' basados en la teoría cuántica de la luz.

Los fotomultiplicadores, por ejemplo, basados en este efecto, convierten la luz en impulsos eléctricos. Un fotón impacta sobre un metal (fotocátodo), que emite entonces un electrón. El electrón impacta entonces sobre un metal de otro tipo  (el dínodo) que, al ser alcanzado por el electrón, emite varios electrones más . Así la señal se va multiplicando hasta convertirse en una señal eléctrica

En el artículo de Einstein 'Sobre la teoría cuántica de la radiación', afirmó que mediante la absorción de radiación electromagnética, los átomos podían excitarse, es decir, acceder a un estado de mayor energía. Posteriormente, de forma espontánea, éstos emitían luz para regresar a un estado energético inferior. Además, dedujo la existencia de una tercera clase de interacción entre la luz y la materia; en ella, un fotón podría inducir a un estado excitado a emitir un segundo fotón, y así sucesivamente. Para crear un haz coherente de fotones debería lograrse primero 'la inversión de la población', es decir, que el número de átomos excitados superase al de no excitados, para conseguir que los fotones emitidos se agrupasen en un haz intenso. Toda esta teoría no es más que el fundamento teórico del láser .

Los fotones emitidos tienen que tener no sólo la misma frecuencia, sino que también deben estar en fase. Además, debe existir una cavidad resonant , que principalmente son dos espejos, que, al ir rebotando la luz entre ellos, los fotones de luz adquieren mayor intensidad, hasta que finalmente la luz emerge a través de uno de ellos.

Funcionamiento de un fotomultiplicador e imagen de un haz láser

He de destacar que todos estos dispositivos que he descrito no son 'nanomáquinas', pero, emplean 'nanopartículas', con lo que, desde mi punto de vista, se pueden 'estudiar' en este blog sobre 'nanotecnología'.

Albert Einstein obtuvo el premio Nobel de Física en el año 1921, por su explicación del efecto fotoeléctrico y sus numerosas contribuciones a la física téórica y no por su teoría de la Relatividad, ya que en esa época se consideraba muy controvertida por parte de muchos científicos…Y desde luego, el efecto fotoeléctrico es un experimento que revolucionó y puso en duda la validez de muchas de las ideas físicas que se habían  defendido durante mucho tiempo, dando lugar, a una nueva física, la física cuántica, y todas sus aplicaciones tecnológicas posteriores, como es la 'nanotecnología'.

Por Anahí Martínez López

Me ha parecido interesante escribir sobre Albert Einstein y su relación con la física cuántica y la nanotecnología.

Creo que la mayoría de las personas (incluída yo hasta hace poco), somos conscientes de que Einstein hizo grandes trabajos para el desarrollo de la física, lo que a la mayoría de las personas se nos escapa, es que Einstein fue el primer físico cuántico.

Para entender un poco la relación que tiene Einstein con la nanotecnología y la física cuántica actual, debemos conocer un poco de la historia de la física.

Todo comienza cuando, en 1900, Max Planck llegó a la conclusión que "todo cuerpo caliente emite luz a una determinada frecuencia ( o color ) en porciones indivisibles" a las que denominó cuantos. Planck introdujo entonces la conocida constante h, introduciéndola en sus ecuaciones para que los resultados fueran correctos, pero sin entender para qué servía. Es entonces cuando aparece en escena Albert Einstein, quiqn, basándose en los resultados de Planck, pudo "descifrar" lo que significaba esta constante. Einstein postuló, a raíz de las observaciones de Planck, que la luz, en lugar de fluir en forma de onda continua de energía (como se había creído hasta entonces) viajaba en paquetes o cuantos de luz. Esto quiere decir que la luz no se transporta de forma continua, sino que se comporta de manera discreta. Para los científicos de la época era "muy duro" admitir esto y Einstein obtuvo muy poco apoyo por parte de los científicos de su tiempo.

Posteriormente desarrolló su teoría sobre el efecto fotoeléctrico, que consiste en suponer que la luz se comporta como un haz de partículas y cuando así lo hace, las partículas que componen este haz de luz arrancan electrones al incidir sobre un metal.

Einstein también concluyó que al aumentar la intensidad de la luz incidente, aumentaba el número de electrones expulsados del metal, pero no la velocidad de éstos.Sólo se puede cambiar la velocidad de los electrones si se cambia el color de la luz que ilumina el metal (es decir, si cambiamos la frecuencia de la emisión de luz o la longitud de onda).

Es necesario aquí introducir la "hipótesis cuántica" que formularé de la siguiente manera, tal y como la formuló Einstein en su tiempo: "La energía de la radiación electromagnética de una determinada frecuencia está discretizada en paquetes elementales de energía llamados cuantos de energía, cuyo valor es E = hf". Importantísimo destacar que la hipótesis cuántica contradice las Leyes de Maxwell, ya que éstas hacen una descripción continua, no discreta, de la materia.

Las aplicaciones del efecto fotoeléctrico son numerosas, de hecho, la mayoría de los aparatos que funcionan con un haz de luz están basados en el efecto fotoeléctrico. Éste está presente en los instrumentos que encienden el alumbrado público, en las fotocopiadoras, en el instrumento que determina el tiempo de exposición en las placas fotográficas, en los fotomultiplicadores, etc…

Einstein era un gran físico, pero no sólo eso…dio el primer paso para que las generaciones futuras se preguntaran: ¿la constante de Plank, hay que introducirla como mero "parche matemático" para que los cálculos salgan bien,o tiene algún otro sentido que desconocemos hasta ahora? Y a partir de esta pregunta, señores, se desarrolló todo lo que hoy conocemos como física cuántica, mecánica cuántica y la nanotecnología…

Albert Einstein obtuvo el premio Nobel de Física en el año 1921, por su explicación del efecto fotoeléctrico y sus numerosas contribuciones a la física téórica y no por su teoría de la Relatividad, ya que en esa época se consideraba muy controvertida por parte de muchos científicos… Y desde luego, el efecto fotoeléctrico es un experimento que revolucionó y puso en duda la validez de muchas de las ideas físicas que se habían defendido durante mucho tiempo, dando lugar a una nueva física, la física cuántica, y todas sus aplicaciones tecnológicas posteriores, como es la "nanotecnología".

http://www.astromia.com/biografias/planck.htm

http://www.astrocosmo.cl/biografi/b-a_einstein.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Albert_Einstein

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_fotoel%C3%A9ctrico

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/19/htm/sec_12.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuanto

Por Rocío Calderón  

   El francés Albert Fert y el alemán Peter Grünberg han obtenido el Premio Nobel de Física 2007 por el descubrimiento de la Magnetorresistencia Gigante, según informó el Comité Nobel. El Comité del premio ha valorado el trabajo de Albert Fert y Peter Grünberg al descubrir la magnetorresistencia gigante, hoy aplicada masivamente en las cabezas lectoras de los discos duros y que dio lugar a la Espintrónica.

      El hallazgo, al que llegaron trabajando por separado en 1988, provocó el nacimiento de la Espintrónica, la tecnología consistente en utilizar el espín de un electrón (una de las propiedades de las partículas) para crear nuevas herramientas, entre ellas, un tipo de cabeza lectora de datos para discos duros usada masivamente en la actualidad. La espintrónica, llamada a relevar a al electrónica, abre la puerta a un nuevo mundo. Con su descubrimiento, los laureados han conseguido dar el salto más rápido de la historia desde el laboratorio al mercado: en sólo nueve años todos los ordenadores han incorporado su lector.

   Aumentar la capacidad y reducir el tamaño. La magnetorresistencia es la propiedad que tienen algunos materiales para modificar su resistencia eléctrica cuando son sometidos a un campo magnético. En cuanto a la magnetorresistencia gigante (GMR, en sus siglas en inglés), descubierta por los dos investigadores que ahora premia la Fundación Nobel, se trata de un efecto de mecánica cuántica (el campo de la física que se encarga de explicar cómo se comporta la materia a escala atómica). Este efecto se observa en películas de escaso grosor (nanométrico) compuestas por capas metálicas que son, alternativamente, magnéticas y no magnéticas. Entre otras aplicaciones, la GMR permite que unos mínimos cambios magnéticos provoquen que el material presente una mayor resistencia eléctrica.   Aplicando ese efecto a los soportes magnéticos de almacenamiento de datos, los técnicos consiguieron en la década de los 90 aumentar la capacidad de los discos duros utilizados masivamente en los ordenadores, y reducir al mismo tiempo su tamaño. Sin su descubrimiento, los aparatos informáticos o de reproducción tendrían aún el tamaño de los de hace 25 años.

   Un premio 'cantado'. Uno de los investigadores españoles que colabora con el francés Albert Fert, Josep Fontcuberta, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona y experto en espintrónica, ha explicado que "es un premio que se venía cantando" porque ambos galardonados "han cambiado la vida no sólo de los investigadores en este campo, sino la de todos". Lo que Fert y Grünberg descubrieron en 1988, ha resumido Fontcuberta, está colocado en ordenadores desde 1997, es decir, un salto al mercado "más rápido que el anterior más rápido, que eran los transistores".   Según ha afirmado el profesor de investigación del Instituto de Materiales de Madrid (CSIC) Jesús González, con la espintrónica se logrará un grado de libertad nuevo con el que trabajar porque permitirá aumentar muchísimo la velocidad del cálculo.  El investigador del CSIC José María de Teresa, del Instituto de Materiales de Aragón, estuvo dos años trabajando con Fert en París entre 1998 y 2000 y ha reconocido que ya se rumoreaba entonces que le iban a dar el Nobel por sus hallazgos, a lo que Fert respondía que, aunque le haría "ilusión", le daba "miedo" porque estaba seguro de que "le iba a cambiar la vida".   

   Fert (a la derecha en la imagen) es director de la Unidad Mixta de Física del CNRS/THALES de la Universidad de París Sur, y nació en 1938. Grünberg (a la izquierda en la imagen), por su parte, nació en 1939 y trabaja como profesor en el Centro de Investigación de Jülich, al oeste de Alemania.

Por Carlos Díaz-Guerra 

Uno de los grandes atractivos del microscopio de efecto túnel (STM, Nobel de Física de 1986) es su capacidad de manipular átomos sobre una superficie. Esto genera grandes expectativas tecnológicas y hace del STM un instrumento con el cual crear un nano-laboratorio en el cual investigar nuevos fenómenos físicos o comprobar predicciones teóricas. Como alguno de vosotros me comentó que estaba interesado en el tema, me he decidido a dedicar un post al asunto.

La manipulación atómica requiere generalmente superficies extremadamente limpias y una gran estabilidad de la corriente que fluye entre punta y muestra. Así, las condiciones ideales para dicha manipulación son: ultra alto vacío (UHV) y temperaturas criogénicas (normalmente inferiores a 10 K). No obstante, existen también ejemplos de manipulación a temperatura ambiente. Los procesos de manipulación atómica que pueden inducirse mediante un STM incluyen:

• Manipulación lateral: translación de átomos o moléculas sobre la superficie. Empleando las fuerzas atractivas o repulsivas que se establecen entre la punta del STM y los átomos adsorbidos sobre la superficie podemos empujar o tirar de dichos átomos.
• Manipulación vertical: transferencia reversible de átomos o moléculas entre la superficie y la punta del STM (empleando excitación electrónica o vibracional). Un caso particular es la desorción, en la que se eliminan átomos de la superficie que pasan al ambiente en el que estemos trabajando (aire, vacío…).
• Disociación: rotura de los enlaces de una molécula situada en la superficie.
• Síntesis: formación de nuevos enlaces entre dos moléculas. (more…)
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Por Carlos Díaz-Guerra 

Parece ser que la conexión mencionada en el post del Nobel de Química de 1996 entre algunos objetos astronómicos y los fullerenos ha llamado la atención de alguno de vosotros, por lo que me he decidido a comentarla un poco más en este nuevo post.

A comienzos de la década de 1970, dos nuevas ramas de la Química, la Química Astrofísica y la Química de Racimos o de Agregados (Cluster Chemistry), abrían el camino a nuevos descubrimientos con la ayuda de la Radioastronomía (las señales de radio generadas por las nubes interestelares pueden utilizarse para detectar moléculas). En la Universidad de Sussex, Harry Kroto y David Walton trabajaban por aquel entonces en la síntesis de largas cadenas de C terminadas en hidrógeno por un extremo y nitrógeno por el otro (como HC5N, HC7N y HC9N). Ambos se dieron cuenta de que los espectros de estas sustancias coincidían con algunos picos de emisión o absorción observados en nubes de gas procedentes de la Vía Láctea . También detectaron señales de esas nubes que sugerían la presencia de cadenas de C todavía más largas de las que ellos podían sintetizar en la Tierra. Además, la concentración de dichas moléculas era mucho mayor de la esperada. Por tanto, la pregunta era: ¿de donde venían?…. (more…)

Por Carlos Díaz-Guerra 

El premio Nobel de Química de 1996 fue concedido a Curl, Kroto y Smalley por el descubrimiento de una nueva forma estable de carbono; los fullerenos. Robert Curl nació en Alice (Tejas, Estados Unidos) en 1933 y trabajó en las universidades de Berkeley y Harvard. En 1958 se incorporó al Departamento de Química de la Universidad de Rice (Houston), del que es profesor emérito. Harold Kroto nació en 1939 en Wisbech (Cambridgeshire, Reino Unido) y se doctoró en la Universidad de Sheffield. Tras estancias en Ottawa (Canadá) y en los Laboratorios Bell Telephone, comenzó su carrera académica en la Universidad de Sussex en 1967. Richard Smalley nació en Akron (Ohio, Estados Unidos) en 1943 y en estos días se cumple el primer aniversario de su muerte, consecuencia de un cáncer. Smalley se doctoró en la Universidad de Princeton en 1973. Tras su trabajo post-doctoral en la Universidad de Chicago, se incorporó a la Universidad de Rice en 1976. Smalley fue un apasionado defensor de la nanotecnología y jugó un papel clave en el establecimiento en el año 2000 del programa federal � �
SNational Nanotechnology Initiative� ��.

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Por Carlos Díaz-Guerra

El premio Nobel de Física de 1986 supuso un homenaje a las técnicas de microscopía modernas. En efecto, E. Ruska recibió la mitad del mencionado premio por su trabajos en óptica electrónica y el diseño del primer microscopio electrónico. La otra mitad del premio se concedió a Bining y Rohrer por el diseño del microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscope, STM).

Ruska nació en 1905 en Heidelberg y murió en 1988 en Berlín. En 1931 construyó, tras varios estudios teóricos, la primera lente electrónica y en 1933 el primer microscopio de este tipo. En 1937 comenzó a trabajar para la compañía Siemens, que dos años después comercializó el primer microscopio electrónico basándose en sus trabajos. Ruska permaneció en la Siemens hasta 1955, fecha en la que pasó a dirigir el Instituto Fritz Haber, cargo que simultaneó con el de profesor de la Universidad Técnica de Berlín. El microscopio construido por Ruska es de los denominados de transmisión (TEM, Transmission Electron Microscope) y supuso un avance fundamental para el conocimiento de la estructura de la materia. De hecho, el microscopio electrónico está considerado como uno de los inventos más importantes del siglo XX y hoy en día es una herramienta ampliamente utilizada por físicos, químicos, biólogos e ingenieros.

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Por Carlos Díaz-Guerra

Richard Phillips Feynman, considerado como uno de los científicos más importantes del siglo XX, nació en New York en 1918 y murió en Los Ángeles en 1988. Feynman se licenció en el Instituto de Tecnológico de Massachusetts (MIT) y se doctoró en física teórica en la universidad de Princeton en 1942.

Tras su doctorado, impartió clases en la universidad de Cornell hasta que en 1945 fue reclutado para participar en el proyecto Manhattan. Posteriormente, en el año 1950, fue nombrado profesor titular de la cátedra de física teórica en el California Institute of Technology. Allí desarrolló lo mejor de su trabajo como físico, incluyendo sus estudios sobre la superfluidez del He líquido, la teoría de la interacción débil y especialmente sus estudios sobre electrodinámica cuántica, que le valieron el premio Nobel de física de 1965, compartido con Shin-Ichiro Tomonaga y Julian Schwinger.

En 1986, fue requerido para participar en la "Comisión Rogers" que investigó el desastre de la lanzadera espacial "Challenger".

Feynman fue además un extraordinario docente, como quedó reflejado en sus textos "The Feynman's lectures on physics", y un influyente divulgador de la física en sus libros y conferencias. El motivo de dedicar a Feynman estas líneas en nuestro blog, es precisamente una de dichas conferencias: la pronunciada el 29 de Diciembre de 1959 y cuyo título fue � �
SThere is plenty of room at the bottom� �� (Hay un montón de sitio al fondo). Me incluyo entre los que consideran esa fecha como el comienzo de la nanotecnología, al menos como su antecedente clave.

Con una sugerente pregunta, Feynman abrió un mundo de posibilidades: "¿Por qué no es posible escribir los 24 volúmenes de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler?". Minutos después Feynman reflexionaba: "Los principios de la Física, tal y como yo lo veo, no impiden la posibilidad de manipular las cosas átomo a átomo� ��. Nuevas técnicas de microscopía electrónica, ordenadores miniaturizados, reordenamiento a escala atómica, la biología como modelo de sistemas inorgánicos….TODAS estas ideas están incluidas en la charla de Feynman…..decenas de años antes de que el término nanotecnología fuese acuñado.