Nuevos materiales, nuevos procesos, nuevos dispositivos

En los últimos años se han desarrollado materiales que, debido a su estructura nanométrica, presentan nuevas propiedades, y por tanto tienen aplicaciones en campos tan diversos como son la transmisión de información mediante luz, el almacenamiento de datos, la generación y el transporte de energía eléctrica, la síntesis de catalizadores, la elaboración de textiles más resistentes, o la implantación de nuevos implantes óseos.

El gran número de nuevos materiales y dispositivos demostradores que se han desarrollado en estos años ha sido fruto, por un lado del desarrollo de sofisticadas técnicas de síntesis, caracterización y manipulación que se han puesto a punto y, por otro, del gran avance en los métodos de computación en la nanoescala (técnicas ab-initio, dinámica molecular, etc.) que se han probado en las grandes instalaciones dedicadas al cálculo científico de altas prestaciones. Es precisamente la combinación de experimentos punteros con métodos teóricos precisos un elemento esencial para comprender un gran número de procesos y mecanismos que operan en la nanoescala. En concreto, una de las aportaciones teóricas más importantes al desarrollo de la Nanotecnología ha llegado de la mano de la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT, en sus siglas en inglés) por la que en 1998 Walter Kohn recibió el Premio Nobel en Química, compartido  con John A. Pople, “padre” de la Química Cuántica. Con respecto al desarrollo experimental, cabe resaltar el alto grado de desarrollo de las técnicas SPM para ver y manipular la materia a escala nanométrica en multitud de ambientes diferentes (ultra alto vacío, humedad controlada, celdas catalíticas, temperaturas variables,…). Esta capacidad nos ha permitido diseñar nuevos experimentos con los que comprender el comportamiento de nuevos materiales y dispositivos. Dado la gran variedad de materiales y sus  aplicaciones, es imposible en un artículo presentar una visión completa de la situación de la Nanotecnología, por lo que nos vamos a limitar a presentar algunos ejemplos que ilustran el estado actual de este campo.

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En las fronteras de la Física del estado sólido

La Nanociencia y la Nanotecnología es un conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que nos permiten determinar como se comporta el denominado nanomundo (el ámbito en el que el tamaño de los objetos tienen entre 1 y 100 nm). A partir de estos conocimientos se están haciendo continuamente interesantes y arriesgadas propuestas sobre nuevos procedimientos, materiales y dispositivos que muy probablemente se convertirán en los bienes de consumo que inundaran nuestras casas, oficinas, hospitales y vehículos, etc. en las próximas décadas. Demos un repaso a este interesante tema.

Puede decirse que el comienzo de la Nanotecnología se remonta a 1959 cuando el físico y premio Nobel Richard Feynman pronunció en el Instituto de Tecnología de California su ahora famoso discurso. Feynman trató en su conferencia del problema de la manipulación individual de objetos tan pequeños como átomos y moléculas y de las múltiples oportunidades tecnológicas que ofrecería dicha manipulación. En aquel momento su discurso no tuvo una gran repercusión, pero hoy día muchas de sus predicciones se han cumplido con bastante exactitud.

Sin embargo, la palabra “Nanotecnología” fue acuñada en 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de Ciencias de Tokio en un artículo titulado “On the Basic Concept of ´Nanotechnology”, que se presentó en una conferencia de la Sociedad japonesa de Ingeniería de Precisión. En este contexto la Nanotecnología se presenta como la tecnología que nos permitirá separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.

En el año 1986 las ideas de Feynman y Taniguchi se concretaron algo más, cuando E. Drexler publicó el libro titulado “Engines of Creation” en el que describe como sería viable construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo, mediante nanorobots ensambladores, que funcionarán de un modo parecido a como lo hacen los ribosomas y otros agregados moleculares en las células de nuestro cuerpo. Este conjunto de ideas, elaboradas y desarrolladas en el período de 1960-1990, han sido el punto de arranque de lo que hoy día conocemos por Nanotecnología, el bagaje creciente de conocimientos teórico-prácticos que nos permitirán dominar la materia en la región de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nm, y que denominamos nanoescala.

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Promovido por GRAVEDAD CERO, una página Web dinámica y de iniciativas novedosas, de esas que impulsan el sector y activan los mercados que, como en el caso que nos ocupa, están relacionados, principalmente, con la divulgación de la Física, disciplina que hoy día, es la abanderada de las nuevas tecnologías del futuro y la que hace posible que, la Humanidad, cada día que pasa pueda vivir mejor.

GRAVEDAD CERO, como antes digo, puso en marcha la idea de este “Carnaval” que, ahora ha cumplido su primer año y, desde luego, se puede decir, sin temor a equivocarnos que, ha conseguido un éxito notable de participación, de difusión, de divulgación y de diversidad. El Objetivo propuesto se ha cumplido sobradamente.

La Física es la Ciencia que estudia las leyes que determinan la estructura del Universo con referencia a la materia y la energía de la que está constituido. Se ocupa no de los cambios químicos que ocurren, sino de las fuerzas que existen entre los objetos y las interrelaciones entre la materia y la energía.

Tradicionalmente, el estudio se dividía en campos separados: calor, luz, sonido, electricidad y magnetismo y mecánica (física clásica). Desde el siglo pasado sin embargo, la mecánica cuántica y la física relativista han sido cada una más importantes; el desarrollo de la física moderna ha estado acompañado de los estudios en física atómica, física nuclear y física de partículas. La física de los cuerpos astronómicos y sus interacciones recibe el nombre de Astrofísica; la física de la Tierra se conoce como Geofísica, y el estudio de los aspectos físicos de la Biología se denomina Biofísica. Todo ello está controlado por la Física teórica y la experimental.

La Iniciativa de GRAVEDAD CERO (que ahora ha cumplido su primer año), ha dado la oportunidad para que muchos Blogs se unan a la fiesta y, con sus aportaciones, han tenido la oportunidad de enriquecer el Proyecto.

Aquí se ha hablado de la Física relacionada con muchos ámbitos del saber: Química, Biología, Astrofísica, etc. y, no se han olvidado buenos artículos en los que se han destacado la importaqncia de la Física para la Medicina actual.

En realidad, en este año que ha pasado volando, el CARNAVAL DE FÍSICA ha posibilitado a muchas personas que pudieran acceder a conocimientos que no tenían, y, lo mismo a gente no versada que a los propios profesionales de la Física, el evento les ha servido, algunos para aprender, otros para recordar cosas olvidadas y, a todos ellos para enriquecerse con las ideas expuestas por todos los compañeros participantes.

Sólo me queda felicitar a los Autores de la idea que, desde luego, han triunfado merecidamente por tener una iniciativa que, de manera desinteresada, ha causado una pequeña revolución.

¡Que siga El Carnaval!

emilio silvera

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“La infinitud de la creación es suficientemente grande como para hacer que un mundo, o una Vía Láctea de mundos, parezca en comparación con ella, lo que una flor o un insecto en comparación con la Tierra.” Así quería expresar,  Immanuel Kant la grandeza que se podía contemplar en los cielos. William Herschel, con razón, dijo una vez: “He observado más lejos en el espacio que ningún ser humano antes que mí.”

Una gran galaxia puede medir 100.000 años-luz de diámetro y contener cientos de miles de millones de estrellas. Del mismo modo que los seres humanos no pudieron investigar el espacio interestelar hasta que comprendieron que el Sol es una estrella entre muchas, así también la comprensión de que vivimos en un Universo de galaxias dispersas por enormes extensiones de espacio exigió primero la comprensión del carácter de las “nebulosas”. Esto involucraba comprender, no sólo la apariencia de las “nebulosas”, sino así mismo conocer su composición química, esfuerzo que dio origen a las ciencias de la espectroscopia y la astrofísica.

Se dice que la ciencia avanza sobre dos piernas, una teórica (o, dicho vagamente, la deducción) y otra la observación y experimentación (o inducción). El desarrollo de la ciencia recibe influencia de las modas intelectuales, a menudo depende del desarrollo de las tecnologías y, en cualquier caso, muy pocas veces puede ser planificado de antemano, pues su destino por lo común se desconoce. En el caso de la exploración del espacio intergaláctico, el primer paso lo dieron teóricos que, por no remontarnos muy lejos en el tiempo, lo dejamos en el filosofo Immanuel Kant y el matemático Johan Lambert, a los que siguieron las observaciones de astrónomo William Herschel.

Kant fue el que acuño la expresión de Universo Isla para las galaxias que, por aquel entonces llamaron “nebulosas”.  Kant, habiendo leído las diferentes teorías e hipótesis que circulaban sobre el Cosmos, lanzó la suya propia que se convirtió en el primer atisbo que hubo en nuestro mundo del universo de las galaxias.

Kant fue capaz de dar un salto al universo de las galaxias. Sabía por sus lecturas de las observaciones del astrónomo francés Pierre-Louis de Maupertuis que se habían encontrado dispersas en el cielo “nebulosas elípticas”. Una de ellas, la nebulosa Andrómeda, podía verse a simple vista; otras sólo eran visibles a través del telescopio. Kant comprendió que si el Universo estaba compuesto por muchos agregados con la forma de discos de estrellas –galaxias, como diríamos hoy- entonces las nebulosas elípticas podían ser otras galaxias de estrellas como la misma Vía Láctea.

Allí quedó abierto el camino para comprender las galaxias, y, sin duda alguna, el hombre importante para la campaña de observaciones (también de las que arriba podemos contemplar hoy) fue William Herschel, el primer astrónomo que llevó a cabo observaciones agudas y sistemáticas del universo más allá del Sistema solar, donde está la mayor parte de lo que existe.

Herschel nació en Hannover el 15 de noviembre de 1738, hijo de un músico de intelecto activo que enseñó a sus seis hijos a pensar por sí mismos, estimulando acaloradas discusiones en la mesa sobre ciencia y filosofía, y llevándoles al aire libre las noches despejadas para enseñarles las constelaciones.

Aunque no todos lo saben, Herschel fue nombrado Organista de la Capilla de Bath, un distinguido puesto en el que podía permanecer el resto de su vida. Sin embargo, halló su plenitud siguiendo el camino  de Kepler y Galileo a través del puente que lleva de la música a la astronomía.

Su inmensa labor ha quedado registrada en los libros y, todos nosotros, nuevas generaciones de su futuro que no llegó a conocer, podemos vanagloriarnos hoy de conocimientos que, nunca hubieran llegado a nosotros sin su talento y su enorme y sacrificado trabajo.

Dejemos el presente comentario como un humilde homenaje al personaje con el que siempre, estaremos en deuda.

emilio silvera

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Repasando la historia pasada (desde los sumerios hasta el presente), podemos darnos cuenta de la cantidad de pasos que hemos dado en el saber del Universo. Es como subir una escalera empinada cuyo final está en lo más alto que, por mucho que nos esforzamos, nunca podemos tocar.

Del mismo modo que la descripción de Newton de la Gravitación y la inercia hizo avanzar la física hasta el punto de que pudo abarcar una Tierra en movimiento y un Sistema solar heliocéntrico, la relatividad de Einstein permitió a la física abordar las velocidades muy superiores, las distancias mucho mayores y las más furiosas energías que se encuentran en el Universo más vasto de las Galaxias. Si el dominio de Newton era el de las estrellas y los planetas, el de Einstein se extendió desde el centro de las estrellas (E=mc2) en sus hornos nucleares, hasta la geometría del Cosmos como un todo (Relatividad General).

Para lograr una expansión tan grande del alcance de la ciencia, Einstein se vio obligado a abandonar las concepciones de Newton del espacio y el tiempo. El espacio y el tiempo newtonianos eran inflexibles e inalterables; constituía el escenario inmutable dentro del cual tenían lugar todos los sucesos y contra el cual todo podía medirse sin ambigüedades. “El espacio absoluto, por su propia naturaleza, sin relación con nada externo, permanece siempre igual e inmutable”, escribió Newton.

Einstein era un gran pensador, y, desmenuzaba cada pensamiento que podía caer en sus manos: Las ideas de Galileo, Olaus Römer, el experimento del físico  Albert Michelson y del químico Edward Morley, las teorías de Lorentz, Mach, Maxwell, Max Planch y otros, como por ejemplo Riemann y su geometría del espacio curvo, elevaron las ideas de Einstein  hasta el punto de que, sin temor a equivocarnos, podemos decir que, Einstein fue la revolución de la Física (también en la mecánica cuántica –su efecto fotoeléctrico-) y la Cosmología, ya que, gracias a sus teorías, pudimos saber que el límite de la velocidad en nuestro Universo lo ostenta la velocidad de la luz en el vacío, c, que la masa y la energía son dos aspectos de la misma cosa, que existen los agujeros negros,  y, que el espacio y el tiempo forman una misma entidad inseparable, además de otras muchas cuestiones que, incluso, después de más de 100 años, aún se están discutiendo.

Algunos de ustedes me podrían preguntar: ¿Pero, que tiene todo eso que ver con el mundo de las galaxias? Bueno, amigos míos, si consideramos lo que una galaxia es, los trabajos de Einstein tienen mucho que ver con las Galaxias que, contienen elementos en los que están, permanentemente en acción, todo lo que Einstein nos enseñó.

Bueno, es verdad que una galaxia es un universo en miniatura, y, de la misma manera, los pensamientos e ideas de Einstein, también resultaron ser, a partir de 1905, todo un universo de descubrimientos del devenir de la naturaleza y sus misterios, muchos de los cuales, nos ayudó a comprender.

emilio silvera

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