Nanotecnología

Por Daniel Gallardo

Andre Geim y Konstantin Novoselov, investigadores de la universidad de Manchester, recibieron el premio Nobel de física en el año 2010 por su desarrollo del grafeno.  Este elemento, que tiene un borde del ancho de un átomo, es uno de los materiales más ligeros, más conductivos, y más resistentes de la tierra. Existen diferentes aplicaciones en las cuales se puede utilizar el grafeno: la secuenciación del DNA y la fabricación de un medio con una extraordinaria capacidad de almacenamiento de energía.

El grafeno presenta una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja mediante enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos sp2 de los carbonos enlazados. Pero ¿cómo se podría fabricar un ordenador con grafeno? Simplemente añadiendo agua.

Recientemente un grupo de investigadores de la Universidad Rensselaer Polytechnic ha logrado un avance sorprendente en la utilización del grafeno como material para fabricar transistores, con lo que han situado a la siguiente generación de ordenadores, prácticamente, al alcance de la mano.

El grupo de investigación del profesor NikhIL Koratkar descubrió que al exponer películas de grafeno a la humedad, se puede crear una banda prohibida. Requisito fundamental para la creación de transistores de grafeno. El grafeno no tiene ninguna banda prohibida. Sin embargo, el equipo de Koratkar demostró cómo abrir una banda prohibida en el grafeno basado en la cantidad de agua que adsorbieron a un lado del material, ajustando con precisión la banda prohibida en cualquier valor entre 0 y 0,2 voltios electrones. Este efecto fue totalmente reversible y la banda prohibida se redujo a cero bajo el vacío.

La técnica únicamente requiere un recinto donde se pueda controlar con precisión la humedad; no es necesaria la modificación del grafeno ni una “obra de ingeniería”. Este descubrimiento ha sido publicado por Nikhil Koratkar y su equipo en un trabajo titulado Tunable Bandgap in Graphene by the Controlled Adsorption of Water Molecules, (Banda prohibida ajustable en el grafeno mediante la absorción de moléculas de agua).

Para los que no tenemos conocimientos en Física Avanzada, una explicación sencilla podría ser que se puede utilizar el agua en conjunción con el grafeno para crear un transistor.

¿Cómo funcionaría un transistor de tales características? Se coloca una placa de grafeno sobre una de silicio y dióxido de silicio, enviando agua por el pequeño espacio que hay entre las dos placas. El líquido se aleja del silicio hacia el grafeno, deteniendo la conducción del agua y rompiendo la conexión. Esto es importante porque el agua es un elemento seguro y común, así que cuando esta tecnología despegue, generará menos toxicidad que la que se produce con los transistores actuales.

Lo más tangible e inmediato del grafeno es que se pueden resolver, a corto plazo, los problemas de conectividad total. En combinación con las posibilidades radicalmente superiores de almacenaje, el transistor de grafeno tiene el potencial de hacer ordenadores más resistentes, muchos más pequeños y mucho más rápidos que los que tenemos hoy en día. Por ejemplo, un dispositivo del tamaño de un tablet podría tener la capacidad de procesamiento y memoria de toda una red de ordenadores

Imagínate un portátil de grafeno, un material capaz de convertirse en monitor (porque es transparente) y procesador (diez veces más rápido que el silicio), que a la vez, se enrolla y se pliega, que es tan irrompible como el diamante y… que ¡tiene un solo átomo de grosor!

Por Carlos García Jiménez

El pasado 1 de Noviembre de 2010 Rusia inauguró en Moscú, su tercer foro internacional de nanotecnología RUSNANOTECH 2010 (http://www.rusnanoforum.ru/Home.aspx), en el se dieron encuentro más de 359 compañías de 13 países distintos, además de destacados científicos, empresarios y representantes de la política, para estudiar las perspectivas del desarrollo económico y técnico.

Rusia ocupa el 4º lugar del mundo para la atracción de inversión privada en la industria nanotecnológica, y dicha importancia quedó patente en la presencia de personalidades tan importantes como el vice primer ministro ruso Serguey Ivanov, y el director general de Rosnano (http://www.rusnano.com/Home.aspx?dummy=634307211578975000) Anatoli Chubáis, para tratar de fomentar el potencial de innovaciones de las regiones de Rusia, e informar entre otros aspectos sobre el uso de nanotecnología en la energía alternativa y los avances rusos en supercomputadoras.

Rusnanotech contó para su acto de inauguración al reciente premio Nobel de física 2010, Constantín Novosiolov, (http://actualidad.rt.com/ciencia_y_tecnica/inventos/issue_14880.html), con una ponencia sobre el grafeno titulada “grafeno: física y aplicaciones” (http://www.rusnano.com/Post.aspx/Show/28729).

EE.UU., Japón y Alemania van delante de Rusia en la financiación de nanotecnologías y por ello Rusia tratar de aventajarse con iniciativas como estas, en donde estos encuentros interdisciplinares pongan de manifiesto el gran potencial humano que poseen y encuentren la inversión tanto pública como privada que incentive su desarrollo. Como prueba del apoyo gubernamental el presidente de Rusia, Dmitri Medvédev, ya anunción en el 2009 una inversión  de 10.600 millones de dólares en el desarrollo de las nanotecnologías hasta el 2015 (http://sp.rian.ru/news/20091006/123369864.html ).

El evento premió además a Dmitri Svergun, Leo Feigin y Peter Lagner, como ganadores del premio internacional de nanotecnología RUSNANOPRIZE 2010. Dicho premio se otorga cada año por investigaciones e inventos de nanotecnología en una de las materias: electrónica, biotecnología, materiales o diagnóstica.

Fuentes

http://sp.rian.ru/science_technology_space/20101101/147830494.html
http://sp.rian.ru/science_technology_space/20101101/147834831.html

Por Alen D Rida

Hoy vamos a hablar de lo que puede ser el mayor invento del siglo XX, el transistor. Este pequeño componente dio lugar a la revolución de la información y la comunicación, encontrándose en la actualidad en prácticamente la totalidad de aparatos electrónicos que usamos en nuestra vida cotidiana (televisión, microondas, coche, reproductor de música, lavadoras…).

Podemos definirlo como un dispositivo electrónico semiconductor que realiza funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Ya desde 1930 se conocía el denominado transistor de efecto campo o transistor unipolar, FET (Field Effect Transistor) pero ni se encontró una utilidad para él ni se disponía de la tecnología para fabricarlo masivamente. No fue hasta 1947, en los laboratorios Bell donde se inventó el transistor bipolar, prácticamente sustituyendo a la válvula termoiónica de tres electrodos o tríodo, por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados posteriormente con el Premio Nobel de Física en 1956.

La posterior evolución y desarrollo de los transistores han hecho que se desarrollen, dando lugar a los conocidos MOS (Metal Oxido Semiconductor) y de ahí combinando tenemos MOSFET, CMOS, JFET, VMOS… A la vez que los costos de producción se han reducido enormemente, en la actualidad con la tecnología del silício, que sin ser probablemente la más optima, si es la más rentable.

La estructura del transistor es básicamente la de dos diodos enfrentados, lo que nos da tres configuraciones para el transistor:

Emisor común: la señal se introduce por la base y se extrae por el colector, con el emisor conectado a las masas de entrada y salida. Obteniendo ganancia tanto de tensión como de corriente y alta impedancia de entrada.

Base común: la señal se introduce por el emisor y se extrae por el colector, con la base conectada a las masas de entrada y salida. Obteniendo ganancia de tensión.

Colector común: la señal se introduce por la base y se extrae por el emisor, con el colector conectado a las masas de entrada y salida. Obteniendo ganancia de corriente.

Una de las mayores aplicaciones de los transistores las encontramos en los circuitos integrados, donde se hace efectiva la Ley de Moore. Gordon E. Moore (fundador de Intel) ya en 1965 predijo que el número de transistores por unidad de superficie en un circuito integrado (por aquel entonces no existían ni los procesadores) se duplicaría cada año y que esta tendencia se mantendría durante dos décadas, reduciéndose así mismo los costos. En 1975 corrigió su ley, afirmando que el ritmo bajaría, estableciéndose en un periodo de dos años para duplicar el número de transistores por circuito integrado. El mismo Moore puso en 2007 fecha de caducidad a su propia ley, en un congreso en el que aventuró que su ley quedará obsoleta en diez o quince años, por la aparición de una tecnología que vendrá a suplir a la actual.

Como es evidente el aumento exponencial de transistores requiere un aumento en el tamaño del circuito o una disminución en el tamaño del propio dispositivo (de los cables y demás) por lo que ahí es donde entra en juego la nanotecnología.

Una de las opciones más en alza, son los nanotubos de carbono. Un nanotubo de carbono es una molécula en forma de un cilindro hueco con un diámetro de alrededor de un nanómetro, que se compone de carbono puro. Algunos nanotubos de carbono son semiconductores, y esto significa que pueden ser utilizados en los transistores, reduciendo el tamaño del canal de cientos de nanómetros a unos pocos, aunque hay varios problemas que deben resolverse antes de que puedan estar conectados entre sí para formar circuitos de gran tamaño.

Ya en noviembre de 2001, los laboratorios Bell hicieron un importante avance en los esfuerzos en este campo, con la fabricación de nanotransistores direccionables individualmente en la escala de una molécula, unidos a diminutos electrodos mediante autoensamblaje (unir moléculas en una cierta mezcla que hace que se combinen y autoensamblen sin intervención directa). Por desgracia este enfoque quedó en lo experimental sin ser viable para la fabricación industrial.
En 2007 en la universidad de Manchester el profesor Andre Geim y el doctor Kostya Novoselov anunciaron la fabricación del transistor más pequeño hasta la fecha, basado en grafeno. Este transistor mide sólo un átomo de ancho y cincuenta átomos de largo y se postula como un firme candidato para sustituir a sus hermanos de silicio, en 2025 cuando se estima que llegara a su fin la “Era del Silicio”

El grafeno que ya fue descrito en la década de 1930, pero fue finalmente descubierto en 2004 por científicos Rusos Andre Geim y Konstantin Novoselov que recibieron el premio Nobel de Física en 2010 por sus experimentos. El grafeno es una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja mediante enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos sp² de los carbonos enlazados. Pero su principal virtud, que lo hace irresistible para la nanotecnología es su alta conductividad y mínima resistencia eléctrica. Así como resistente, elástico, duro, ligero, bajo efecto Joule y consume menos electricidad que el silicio en realizar una misma tarea. Resultando mucho más estable que el propio silicio a escalas de cientos de nanómetros.

Podemos ver un interesante artículo que en el que se introduce la tecnología GNFET de Xinran Wang et al. “Room-Temperature All-Semiconducting Sub-10-nm Graphene Nanoribbon Field-Effect Transistors,” Phys. Rev. Lett. 100, 206803 ( 2008 )

El principal problema del grafeno es su degradación, pero se ha publicado recientemente un artículo en Nature de Lei Liao et al., “High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate,” Nature 467: 305–308, 16 September 2010. El nuevo método de fabricación: consiste en colocar encima del grafeno nanohilos con un núcleo metálico (Co2Si) y un envoltorio aislante (Al2O3), estos nanohilos pueden actuar como terminal de puerta (G) en un transistor basado en grafeno en cuyos extremos se encuentra la fuente (S) y el drenador (D).

Pero como suele ocurrir en estos casos, no todo el mundo lo ve de color de rosa, elfísico holandés Walt De Heer afirma que "el grafeno nunca reemplazará al silicio" y lo justifica mediante una ilustrativa parábola "Nadie que conozca el mundillo puede decir esto seriamente. Simplemente, hará algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los aviones. Los aviones nunca reemplazaron a los barcos". El tiempo la investigación y la tecnología darán la razón.

Por Víctor García Solares

Si algo me quedó claro tras asistir a la conferencia (http://www.ucm.es/centros/cont/descargas/documento22032.pdf) del profesor D. Francisco Guinea hace unos días en la Facultad de Físicas de la UCM sobre el grafeno, es que este material con sólo 6 años de vida, va a dar mucho que hablar en un futuro próximo.

Formalmente el grafeno es una lámina bidimensional de un átomo de anchura constituida por carbonos unidos mediante enlaces sp2, presentando un empaquetamiento compacto en una red cristalina que forma un perfecto panal de cavidades hexagonales.

Éstas láminas de carbono de un átomo de grosor han sido recientes protagonistas de la actualidad científica, al ser galardonados los investigadores Andre Geim (Rusia, 1958) y Konstantin Novoselov (Rusia, 1974) con el Premio Nobel de Física 2010, por la obtención y demostración de las excelentes propiedades de dicho material. Su proeza se basa en descubrir cómo el carbono se presenta en la configuración ya discutida y que lo convierte en el material del futuro. Un material que tiene entre otras propiedades el ser transparente, con una resistencia similar al diamante, estructura laminar plegable, semiconductor, y otras más complejas que citaremos a continuación.

Los electrones se mueven en las celdas hexagonales de los paneles de grafeno a una velocidad cuatrocientas veces inferior a la velocidad de la luz, pero aún así velocidad muy superior a la de los electrones en cualquier conductor convencional. Esta altísima velocidad hace que sea la física relativista en lugar de la clásica la que gobierne su estudio. Además, mantienen dicha velocidad en un amplio rango de temperaturas, por los que no presentan masa en reposo a bajas temperaturas, característica peculiar de este material que hace necesaria la utilización para su estudio la ecuación de Fermi-Dirac para fermiones sin masa. (http://www.aps.org/publications/apsnews/200605/graphene.cfm)

Lámina de grafeno

El grafeno presenta efecto Hall cuántico incluso a temperatura ambiente (http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/1137201v1), en contraposición con el resto de semiconductores que sólo poseen dicha propiedad a bajas temperaturas. Esto tiene un efecto sorprendente a la par que contradictorio, pues la conductividad eléctrica no decae por debajo de un mínimo aún cuando no existen electrones libres en el mismo.

Por otro lado hay que destacar que el grafeno, a pesar de ser un compuesto semiconductor, no posee la región prohibida que define a los mismos (gap) separando la banda de valencia y de conducción, y hasta que los estudios para inducirlo a través del dopaje u otras modificaciones no den sus frutos, sus aplicaciones electrónicas estarán bastante restringidas (http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/sabl/2007/Nov/gap.html). Por todo ello, se sabe actualmente que el grafeno es un semiconductor óptimo para muchas aplicaciones a escala nanométrica y temperatura ambiente, siendo la barrera de la computación cuántica el reto más excitante a medio plazo.

Pero todas estas propiedades investigadas por multitud de científicos teóricos no serían trascendentales sin un mercado de aplicaciones industriales. El futuro de este neonato material está condicionado por la todavía escasa capacidad de procesamiento en serie en condiciones eficientes y rentables. Un gramo de grafeno tiene hoy por hoy un precio de 1014 euros, cuantía escandalosa a priori, pero no tanto si tenemos en cuenta su densidad, ya que con esa cantidad de material podemos cubrir completamente un campo de fútbol.

Samsung, en colaboración con la Universidad de Sungkyunkwa, en Corea del Norte, presentará el año próximo sus primeras pantallas de grafeno, enrollables, táctiles y con circuitos invisibles (http://www.suite101.com/content/what-is-graphene-a305533, http://www.youtube.com/watch?v=-YbS-YyvCl4 y http://technologyreview.com/computing/25633/?a=f). Por otro lado, la compañía IBM, que también está apostando fuertemente por la investigación de este compuesto, anunció ya en febrero haber desarrollado un transistor de velocidad 100GHz, superando con creces la presente barrera de los 40GHz (http://www.zdnet.com/blog/btl/ibm-hits-graphene-transistor-breakthrough/30447 ).

Geim y Novoselov han demostrado también que colocando un átomo de flúor junto a cada átomo de carbono se perturba la nube electrónica de forma que anulamos el flujo de corriente en la red cristalina, pudiendo aprovechar el resto de características que el material nos brinda. Dicha modificación composicional se ha denominado ya Fluoro-Grafeno o Teflón 2D (http://www.zdnet.co.uk/blogs/qubits-and-pieces-10017876/fluoro-graphene-coming-soon-to-an-electronics-design-lab-near-you-10020970/)

Estas breves reseñas de aplicaciones prácticas del material nos sirven para hacernos una idea del tremendo hito científico que ha constituido su sintetización y desarrollo; mantendremos la vista puesta en este compuesto en los años venideros, ya que sus posibilidades son asombrosas.

Este año el Premio Nobel de Física se ha concedido a los investigadores Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus trabajos en grafeno. Vamos a publicar algunos artículos en referencia a este material, y aqui os dejamos algunos enlaces a videos y artículos que se han publciado en relación al Premio Nobel de Física 2010.

Reportaje y debate en TVE sobre el grafeno:

http://www.rtve.es/mediateca/videos/20101018/grafeno-material-conduce-electricidad-mejor-cobre/905390.shtml

http://www.rtve.es/mediateca/videos/20101027/debate-grafeno/913443.shtml

Reportaje en RNE:

http://www.rtve.es/mediateca/audios/20101005/grafeno-asunto-del-dia/894774.shtml

Artículos en prensa:

http://www.elpais.com/articulo/sociedad/Nobel/Fisica/cientificos/rusos/trabajos/grafeno/elpepusoc/20101005elpepusoc_1/Tes

http://www.elpais.com/articulo/futuro/Nobel/Fisica/grafeno/material/revolucionario/elpepusocfut/20101006elpepifut_1/Tes

http://www.elpais.com/articulo/sociedad/grafeno/Espana/elpepusoc/20101019elpepusoc_15/Tes

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. Leer más
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