Nanotecnología

     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.

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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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…)

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 “National Nanotechnology Initiative”.

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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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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 “There 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.