Física de materia condensada: Un vistazo a lo pequeño
Desde hace mucho tiempo, la respuesta a la pregunta ¿de qué están hechas las cosas? ha sido la misma: de átomos. Esto es lo que creemos saber, así como que las combinaciones de los átomos de diferentes elementos son las que nos proporcionan materiales diversos. Pero entonces, si todos los materiales son al fin y al cabo una combinación de átomos ¿por qué los hay tan diferentes provenientes de un mismo elemento? Ejemplos hay miles, algunos cotidianos y muy cercanos a nosotros pero igual de desconocidos. Para empezar podemos nombrar a una computadora, aquella máquina que puede realizar tantas tareas y que parece no tener relación alguna con la sencilla arena de la playa. ¡Oh sorpresa! El elemento constitutivo principal de ambas es el mismo: el silicio.
¿Otro ejemplo? Comparemos el suave y opaco grafito de la punta de un lápiz con un duro y brillante diamante. Parecen tan diferentes entre sí, pero ambos están hechos de carbono puro. La explicación está en la geometría, en la forma en la que se acomodan los átomos para formar el material, pues mientras que en el grafito los átomos se enlazan formando capas planas (las cuales podemos separar fácilmente cuando, por ejemplo, escribimos con el lápiz ), en el diamante forman tetraedros que son más difíciles de separar.
Estos y otros enigmas son los temas de estudio de la física en una de sus ramas: la Física de Materia Condensada (FMC). En términos generales, la FMC estudia las propiedades de las cosas comunes desde lo más pequeño, dicho de otra manera, es el enfoque microscópico de estudiar la materia.El estudio se enfoca, principalmente, a materiales sólidos y líquidos. Estos conocimientos nos ayudan a entender cómo son los materiales que encontramos en la naturaleza e incluso a dar un paso más allá y diseñar los propios.
Y ¿por qué es importante estudiar las cosas desde lo pequeño? La mejor manera de responder a esta pregunta es analizando el gran salto en la ciencia y la tecnología. Hoy en día no es sorprendente ver el pequeño tamaño de la mayoría de los aparatos electrónicos. No hace mucho las televisiones tenían un tamaño enorme, además de que sus pantallas eran muy pequeñas; los radios de bulbos no se quedaban atrás. Hoy, esos aparatos que solían ser muebles, son portátiles.
En esos avances ha participado la FMC. Con el advenimiento de la física del estado sólido (una rama de la FMC que se dedica a estudiar la materia rígida o los sólidos), apareció la electrónica del estado sólido (es decir, la era del transistor y los microchips). Desde entonces los aparatos electrónicos se hicieron más eficientes, consumiendo menos electricidad para realizar las mismas funciones; se construyeron más pequeños y sin tantas partes móviles que se desgastaran; se hicieron durables y confiables
Al fabricar cosas más pequeñas se abrió el paso a los avances tecnológicos a mayor velocidad. En la electrónica de estado sólido es fácil de observar. Imaginemos, por ejemplo, que todo el poder de cómputo –capacidad de realizar operaciones matemáticas por computadora- que existía en la tierra en los años setenta, ahora (y desde hace siete años), lo puede poseer una persona en su escritorio. Así es, la computadora que tenemos en casa es mucho más poderosa que la unión de todas las computadoras de la tierra de los años setenta. Ahora, una computadora de mano o un simple celular tiene varios cientos de veces más poder de cómputo que una de las primeras computadoras de bulbos ENIAC de 27 toneladas. Las cámaras digitales también se han beneficiado. Cada vez poseen mayor resolución y sensibilidad a la luz. Y aunque pareciera que no rebasan el uso personal, estos aparatos son responsables de buena parte de las nociones que hoy tenemos sobre el universo. Las imágenes que se captan ahora en los observatorios, hace un par de décadas parecían inalcanzables. Basta mencionar la capacidad del telescopio espacial Hubble para darnos una idea de los beneficios en materia astronómica.
Las observaciones del universo, y la gran cantidad de datos que producen, nos dan pie a hablar sobre otro avance provocado por los estudios en FMC: el almacenamiento de información. Al generar grandes cantidades de datos tenemos que pensar también en grandes capacidades de almacenamiento.Hace dos décadas, 40MB (MegaBytes) era considerada una gran cantidad de información. Hoy esa capacidad nos suena risible pues apenas es suficiente para almacenar unas pocas canciones. Los discos duros actuales pueden almacenar cientos de miles de veces más información en volúmenes más pequeños llevando a la práctica fenómenos físicos recién descubiertos que se dan a nivel microscópico como la magnetorresistencia gigante.
Es notorio que estos nuevos conocimientos han impactado la vida moderna. Sin embargo los avances no se detienen ahí. Hablemos, por ejemplo, de la electricidad.
La electricidad se ha vuelto indispensable en nuestra vida. En la actualidad suena inconcebible vivir si ella; cada vez requerimos más. Muchas naciones tienen problemas para abastecer el suministro eléctrico y están buscando nuevas formas de obtener energía eléctrica. Pero ¿cuál es el proceso que deben mejorar?
Todo comienza en las plantas eléctricas. Ahí es donde la electricidad es generada y transportada hasta nuestras casas. Para ello son utilizados simples alambres metálicos como conductores. Con el paso de la electricidad esos alambres se calientan, lo cual produce pérdidas que llegan a representar hasta un 20%. Esto indica que un avance en el problema de abastecimiento podría radicar en la mejoría del sistema de redes eléctricas.Se han descubierto nuevos materiales llamados superconductores, los cuales, aunque aún no son comprendidos en su totalidad, prometen grandes beneficios tecnológicos. Los superconductores son materiales que al enfriarse por debajo de una cierta temperatura (que es diferente para cada material) pueden transmitir electricidad sin pérdidas, a diferencia de los conductores convencionales.
Pero aún mejorando nuestras redes eléctricas tendríamos el problema de obtener electricidad suficiente. La física de materia condensada también ha ofrecido alternativas a este respecto. Una de ellas es la posibilidad de obtener electricidad de fuentes muy abundantes, por ejemplo de los rayos. Los rayos son electricidad. Uno solo tiene suficiente energía como para mantener el requerimiento eléctrico de una casa promedio durante un mes. La dificultad reside en que el rayo libera su energía tan rápido que por el momento no existe un sistema capaz de almacenarla. Para este caso, los superconductores ofrecen también una posibilidad, pues se podría construir un anillo superconductor en el cual continuara circulando la energía de los rayos después de haber sido atrapados por un pararrayos.
Los superconductores prometen muchas ventajas, el problema está en que las temperaturas a las que funcionan muchos de los materiales superconductores conocidos están a menos de los 200º C bajo cero y por ello no son fáciles de utilizar a gran escala. En las últimas décadas se han encontrado materiales que no necesitan temperaturas tan bajas para volverse superconductores, sin embargo persiste el reto de encontrar uno que funcione a temperatura ambiente para hacer realidad muchos sueños. Actualmente, a pesar de muchos de los inconvenientes, ya se utilizan de manera comercial en instrumentos de medición de campos magnéticos en extremo sensibles y en aparatos médicos como los de Resonancia Magnética. También comenzaron los experimentos para probar utilizarlos en trenes de alta velocidad que leviten al utilizar la fuerza magnética producida por electroimanes superconductores. Incluso se está trabajando en el desarrollo de computadoras más rápidas a base de superconductores.
No todo el estudio de la física de materia condensada se reduce a los dispositivos como los transistores y microchips o a mejores maneras de conducir la electricidad; otros aspectos de nuestra vida moderna se han visto impactados de manera directa: medicina, vestimenta, transporte, industria petroquímica, cuidado del medio ambiente, y muchos otros.Un caso inesperado es el de la industria de lubricantes. Actualmente muchos lubricantes para máquinas son fluidos que se diseñaron específicamente para cumplir con las exigencias de las máquinas modernas. Tal es el caso de los aceites para automóvil. En ellos se han incluido moléculas muy grandes en forma de cadenas, diseñadas para que cambien su longitud de acuerdo con la temperatura para, así, mantener estable la viscosidad del aceite frente a cambios de temperatura. Esto no era posible con aceites a base de petróleo únicamente. Debemos en mucho a esta tecnología que los automóviles modernos puedan ser utilizados sin problema en una mañana fría sin necesidad de calentamiento previo.
En cuestión de cuidado ambiental podemos continuar con los ejemplos de lubricantes pues, si pensamos que los primeros eran a base de grasa de animales como el cachalote, hemos dado un gran salto al dejar de utilizar muchos que eran agresivos para la naturaleza y comenzar a diseñar y construirlos a nuestra medida, más eficientes y amigables con el medio ambiente. Aquí hay que mencionar que los nuevos catalizadores en la industria automotriz y petroquímica se diseñan a partir de primeros principios de física Cuántica (la física de las cosas pequeñas y principal sostén de la FMC) con la aplicación de computadoras. Esto ha dado como resultado catalizadores más eficientes, de vida útil más prolongada y que permiten deshacernos de sustancias nocivas.Desde la aparición de la mecánica cuántica y con los avances en FMC se ha estado rompiendo la virtual brecha entre Química y Física. Por ejemplo, hoy es posible modelar computacionalmente reacciones químicas. Una de las tantas aplicaciones de esta función la notamos en la industria farmacológica, en los estudios microscópicos, pues existen sustancias que tienen pequeñas variantes a escala microscópica y no todas las variantes tiene el mismo efecto curativo, requiriendo así de un desarrollo más cuidadoso y detallado.
Muchos de los pilares esenciales para llegar al espacio son consecuencia de tecnologías desarrolladas por la FMC, desde el desarrollo de materiales capaces de soportar impactos de pequeños meteoritos pero que a su vez sean flexibles; lubricantes y plásticos que permanezcan funcionales en el espacio, hasta materiales resistentes a altas temperaturas como el recubrimiento térmico de los transbordadores espaciales, que a pesar de ser una capa muy delgada que se puede atravesar con un lápiz, sin ella los astronautas morirían quemados en su interior. No olvidemos las computadoras de vuelo que facilitan el trabajo de los astronautas y disminuyen la posibilidad de errores humanos por fatiga.
Los avances de esta ciencia son agigantados y cada vez más veloces pues se apoyan en el supercómputo. Los materiales con los que se trabaja en la actualidad son bastante complicados y su estudio requiere de cálculos otro tanto más complicados que son prácticamente imposibles de realizar por personas, de modo que se requiere de computadoras. Además, con ellas se puede saber si un material tendrá o no ciertas propiedades incluso antes de que sea construido en un laboratorio. En este momento hay miles de computadoras y supercomputadoras en todo el mundo que están trabajando en el desarrollo y entendimiento de muchos materiales tanto existentes como nuevos.
Al desconocer los alcances del estudio de "lo pequeño", es fácil caer en su menosprecio. Sin embargo, hemos visto que estos conocimientos han facilitado el entendimiento de la naturaleza, además de que mejoran día a día nuestra calidad de vida.A pesar de las muchas posibilidades que la Física de Materia Condensada ofrece, salta a la vista esa diferencia que ha marcado en la vida moderna: además de adaptarnos a los materiales existentes en la naturaleza contamos con la posibilidad de diseñar y construir los propios al nivel de nuestras necesidades.
ACUÑA REY ANDRES EDUARDO
ELECTRONICA DE ESTADO SOLIDO
PAGINAS DE REFERENCIA:
http://ciencias.jornada.com.mx/ciencias/investigacion/ciencias-fisico-matematicas/investigacion/fisica-de-materia-condensada-un-vistazo-a-lo-pequeno
http://images.google.co.ve/images?gbv=2&hl=es&q=ultimo+y+mas+moderno+celular&sa=N&start=36&ndsp=18
http://images.google.co.ve/images?q=tv+plasma+mas+increible&gbv=2&hl=es&sa=2&start=0
http://www.google.co.ve/#hl=es&q=avances+de+la+fisica+de+la+materia+condensada&start=10&sa=N&fp=d938009a6a67a41a
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