Nociones básicas de nanofísica

¿Sabes que la primera nave que llegó a la luna en 1969, el Apolo 11, llevaba un computador que pesaba 31,8 Kg para realizar los cálculos de viaje de la nave que tenía cien mil veces menos potencia de procesamiento de datos que tu Smartphone?   Cabe preguntarse cómo hemos conseguido pasar de este peso y tamaño descomunal a un aparato portátil que no llega ni a medio kilo y que podemos llevar en nuestro bolsillo, capaz de manejar una cantidad de datos y procesos tan complejos como son las aplicaciones de móviles actuales, en tan sólo 40 años. La respuesta a esto se encuentra en la escala de los nanómetros (10-9 m), en la nanofísica.

A finales de los años cincuenta del siglo pasado, Richard P. Feynman habló en una de sus conferencias sobre una rama de la física futura sobre la que, él opinaba, iba a revolucionar nuestro mundo. En esta conferencia, “There’s plenty of room at the bottom” (Hay mucho espacio en el fondo), Feynman hablaba sobre el momento en que podríamos manejar los atómos directamente. En sus propias palabras “What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale. But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately- in the great future- we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them…”   En español, podríamos traducirlo como: “De lo que quiero hablar es sobre el desafío de la manipulación y el control de los objetos a pequeña escala. Pero no me asusta considerar como la pregunta final si, finalmente (en un futuro lejano) seremos capaces de manejar los átomos como queramos; ¡los mismos átomos, hasta ese tamaño! ¿Qué podría ocurrir si pudiéramos colocar uno a uno los átomos de la forma en que queremos…”

Richard Feynman en una de sus conferencias.

En esta conferencia, Feynman introdujo por primera vez la idea del manejo y construcción de objetos a la escala nanométrica, de colocar átomos a nuestro gusto directamente y de los procesos que ocurrían a estas escalas, para lo que posteriormente se deberían revisar las leyes físicas que los describían (de lo que se ha encargado y continúan aun estudiando las física del estado sólido y la materia condensada).

A pesar de esta predicción, la nanofísica no surgiría de verdad hasta que se desarrollaron las microscopías de sonda de barrido SPM (las microscopías de efecto túnel, de fuerzas atómicas,…) que permitieron la visualización directa de los átomos y su manejo.  Concretamente los cuatro descubrimientos (todos ellos galardonados con un premio Nobel) que abrieron la puerta al nacimiento de la nanofísica fueron: el descubrimiento del efecto Hall cuántico en el gas de electrones bidimensional, gracias al cual se observó la cuantización de la conductividad Hall (Premio Nobel de Física de 1985, K. von Klitzing); la invención del microscopio de efecto túnel (STM) y posteriormente del microscopio de fuerzas atómicas, de la que se derivaron el resto de las microscopías de campo y que hicieron posible los primeros experimentos de manipulación atómica (G. Binning y H. Rohrer, Premios Nobel de Física de 1986); la síntesis del C60 o  fulereno, que descubrió una nueva forma del carbono (H. Kroto, R. Curl y R. Smalley, premio Nobel de Química de 1996); y por último, el descubrimiento de la Magnetorresistencia Gigante en uniones metálicas  (A. Fert y P. Grünberg, premio Nobel de Física de 2007).

Efecto Hall cuántico
Esquema del microscopio de efecto túnel
Disco duro basado en el principio de la magnetorresistencia
Fulereno o C60

La característica más importante de los sistemas nanométricos es que a esta escala las propiedades mecánicas, electromagnéticas y químicas cambian notablemente debido a que empiezan a tener más importancia las características de la superficie o la longitud, que en muchos casos difieren notablemente de las volumétricas. Es decir, pasamos de sistemas tridimensionales a sistemas bidimensionales, unidimensionales e incluso cero-dimensionales. Por poner un ejemplo, las propiedades del grafeno (una capa bidimensional de carbono) difieren enormemente de las del grafito, una de las formas más comunes del carbono en volumen. O también el oro, que a escala nanométrica se oxida, pero que en las joyerías es muy preciado precisamente porque no lo hace.

Red de grafeno con las oscilaciones colectivas características que presenta el material.

El tener acceso a esta nueva escala nos ha permitido estudiar las interacciones atómicas directamente, la creación de moléculas, el estudio de las propiedades de los virus… Y como no, también nos ha permitido desarrollar una tecnología a pequeña escala capaz de llevar procesos altamente complejos, como los procesadores de los ordenadores actuales. También nos ha permitido almacenar cantidades de datos gigantescas en una zona muy reducida del espacio.

Con el objetivo de mejorar el rendimiento de los ordenadores y de minimizar el espacio que ocupan, durante las últimas décadas las empresas dedicadas a la microelectrónica se han centrado en minimizar el tamaño de los transistores internos de forma que en la misma cantidad de superficie se ha aumentado exponencialmente el número de procesadores. Esto se conoce como la ley de Moore, quien hizo la predicción de que el número de los transistores por unidad de superficie (die) se dobla cada 1.5- 2 años. Esta ley se cumplió desde la fecha en que se enunció hasta la actualidad, donde ya nos acercamos al límite que se puede construir con este tipo de tecnología.

Gráfico del número de transistores por unidad de superficie a lo largo de los años (ley de Moore).

Y precisamente esto es una de las cosas que la nanofísica nos ha aportado en las últimas décadas. Actualmente la nanofísica está en nuestro día a día en nuestros smartphones, portátiles,… Permitiendo que los móviles sean cada vez más potentes, que los ordenadores puedan mantener al día sus tarjetas gráficas para el nuevo juego que va a salir al mercado el nuevo mes…

Pero esto no es lo único que nos ha aportado la nanofísica. Existen numerosas aplicaciones de la misma en diversos campos, como el láser de pozo cuántico, recubrimientos de materiales con nanopartículas, nanopartículas magnéticas (que poseen aplicaciones en sensores, aplicaciones biomédicas…) Y se siguen estudiando amplias aplicaciones en el tratamiento contra el cáncer con nanopartículas magnéticas, o el uso de nanohilos de oro u otros materiales y nanotubos de carbono para los circuitos electrónicos.

Así mismo, la nanofísica, como casi todas las ramas de la física actuales, cada vez se encuentra más relacionada con el resto de ciencias como la medicina, la bioquímica, etc formando el campo general de la nanociencia. La nanofísica es por tanto una ciencia del siglo XXI,  cuya expansión se está llevando a cabo actualmente y de la que seguiremos obteniendo descubrimientos curiosos e importantes. A dónde nos llevarán los mismos en un futuro… Aún no lo podemos saber.

Dejar un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.

Este sitio web utiliza cookies para que usted tenga la mejor experiencia de usuario. Si continúa navegando está dando su consentimiento para la aceptación de las mencionadas cookies y la aceptación de nuestra política de cookies, pinche el enlace para mayor información.plugin cookies

ACEPTAR
Aviso de cookies
A %d blogueros les gusta esto: