Ciencia Kanija

Un físico cuántico de la Universidad de Queensland está aplicando una nueva teoría a un viejo problema.

Dr. Davis

El Dr. Matthew Davis, de la Escuela de Ciencias Físicas de la UQ, está trabajando en un nuevo estado de la materia – condensado Bose-Einstein – para una mayor comprensión de la misma naturaleza del universo.

“La belleza de un condensado Bose-Einstein es que es similar a un láser pero hecho de materia”, dijo el Dr. Davis.

“Es una colección de átomos que son perfectamente coherentes y tienen el potencial de usarse en dispositivos de medida ultrasensibles”.

El Dr. Davis dijo que los BECs se predijeron por primera vez en los años 20 por Einstein, pero no se lograron en laboratorio hasta 1995.

Si interés particular es observar cómo se forman los BECs y especialmente cómo se forman los remolinos cuánticos, llamados vórtices.

“La teoría que he desarrollado explica los experimentos bastante bien, por lo que ahora podemos usarla para investigar otros posibles experimentos computacionalmente, tales como observar corrientes persistentes creadas en condensados Bose-Einstein que son análogas a supercorrientes en superconductores que nunca decaen”, dijo.

“Esperamos que esto responda a grandes preguntas sobre la naturaleza de ciertos tipo de transiciones de fase, y se insertará en experimentos que serán realizados por mis colaboradores en la Universidad de Arizona”, comentó.

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Autor: Andrew Dunne
Fecha Original: 18 de septiembre de 2007
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Se ha publicado un nuevo análisis matemático del colapso del World Trade Centre por académicos de la Universidad de Cambridge, con resultados que desafían a las teorías de la conspiración alrededor de los ataques del 11 de septiembre.

El nuevo artículo, del Dr. Keith Seffen, usa modelos de la ingeniería establecida para demostrar que, una vez comenzó el colapso de las torres gemelas, estaba destinado a ser rápido y total.

Aunque las causas que iniciaron el colapso de las torres gemelas aún no se comprende completamente, los ingenieros continúan especulando sobre la velocidad y totalidad con la que fueron demolidos durante los fatídicos ataques.
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Un equipo del Laboratorio de Baja Temperatura, Royal Holloway, Universidad de Londres, ha descubierto un problema en el modelo teórico de estándar de fermiones de interacción fuerte en películas de 3He líquido.

La capa L1 de 3He solidifica en una sólido cuántico bidimensional en un entramado triangular. Los átomos se mueven en este sólido incluso en el cero absoluto, debido a un intercambia cuántico. Se muestra en la imagen el anillo de intercambio de tres átomos. El sólido es un imán frustrado bidimensional. Crédito: Universidad de Londres.

Los hallazgos, que se publicarán en el ejemplar de Science del 7 de septiembre de 2007, tienen implicaciones para la comprensión de los sistemas metálicos cercanos a los llamados “puntos crítico cuántico”. En estos metales “raros”, las corrientes eléctricas no se ve que portan electrones, sino que se transmite a través de excitaciones más complejas, la naturaleza de las cuales aún no se comprende completamente.

Los metales han sido materiales importantes para la humanidad durante milenios, y aún así parece que aún no tenemos una completa comprensión de toda la riqueza del estado metálico. En este sentido las implicaciones de estos nuevos fenómenos son potencialmente de largo alcance.

Según explica el Profesor Saunders: “El comportamiento de los fermiones pesados y la criticalidad cuántica están normalmente asociados con materiales más complejos, y han desafiado una explicación definitiva. Nuestra observación del colapso del comportamiento del líquido Fermi en una variante bidimensional de 3He líquido, el paradigma del líquido Fermi, es inesperado y emocionante”.

Añade: “El helio siempre ha sido un fértil campo de juego para la física de materia condensada fundamental. El líquido 4He fue el primer Condensado Bose-Einstein y el superfluido 3He el primer superfluido de onda-p. Incluso hay una sugerencia sobre que el 4He sólido puede ser un supersólido. Necesitamos sistemas simples para probar las teorías candidatas para explicar sistemas complejos”.

Esta investigación fundamental en Royal Holloway apuntala el enorme programa internacional de “descubrimiento de materiales” que actualmente está en desarrollo. Nuevos materiales con nuevas propiedades llevan a nuevas aplicaciones de los dispositivos.

Esta investigación fue patrocinada por el Consejo de Investigación en Ciencias Físicas e Ingeniería del Reino Unido.

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Autor: Alison Denyer de la Universidad de Londres
Fecha Original: 7 de septiembre de 2007
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Físicos de Estados Unidos y Alemania han propuesta un nuevo tipo de material que podría solventar los problemas de absorción que han evitado la creación de “superlentes” prácticas para la luz visible. El material – que aún no ha sido fabricado – usa “quiralidad inducida electromagnéticamente” para hacerse transparente a la luz mientras mantiene una densidad lo bastante baja para que su fabricación se práctica (Phys. Rev. Lett. 99 073602).

Las superlentes — lentes que en teorías pueden tener una resolución ilimitada –evitan los límites relacionados con la difracción en la resolución de las lentes normales capturando las ondas “evanescentes” especiales que existen cerca de la superficie de una muestra. Para hacer esto deben construir un material con un índice de refracción negativo, pero hasta ahora los físicos han fallado al tratar de encontrar un material que funcione con la luz visible pero no absorba demasiada luz.

Ronald Walsworth de la Universidad de Harvard y sus colegas de la Universidad de Connecticut y de la Universidad Técnica de Kaiserslautern dicen que la absorción puede ser eliminada casi por completo usando una nueva técnica llamada quiralidad inducida electromagnéticamente (EIC) — una variación de una técnica establecida llamada transparencia inducida electromagnéticamente (EIT).

En EIT, la transmisión de un pulso láser de prueba a través de un medio es controlado mediante un pulso láser “bomba”. Cuando el pulso bomba se apaga, la prueba excita momentáneamente un átomo a un estado superior de energía antes de caer y re-emitir la luz en direcciones aleatorias. Pero al encender el pulso bomba los átomos son pre-excitados a diferentes estados de energía, dejando que el pulso de prueba pase a través de los átomos como si fuesen transparentes.

Para lograr EIC, Walsworth y sus colegas proponen un conjunto más complicado de niveles de energía que no sólo formarían un medio transparente, y por tanto no absorbente, sino que haría que interactuasen los campos magnéticos y eléctricos de la luz. Tal “quiralidad” haría que el índice de refracción negativa fuese alcanzable de forma práctica reduciendo la densidad del material requerido.

La otra ventaja de la propuesta es que, cambiando la intensidad de los pulsos, la fuerza de la refracción negativa puede ser ajustada con precisión. De acuerdo con Walsworth, esto sería importante para fabricar lentes que no distorsionen las imágenes.

Walsworth dijo a physicsworld.com que las versiones experimentales de esta idea están en investigación por sus colegas de Harvard.

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Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 31 de agosto de 2007
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Los materiales de punto cuántico pueden mejorar la eficiencia de las células solares de silicio.

Investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables del Departamento de Energía de los Estados Unidos (NREL), en colaboración con Innovalight, Inc., han mostrado un nuevo e importante efecto llamado Generación de Excitones Múltiples (MEG) que tiene lugar de forma eficiente en los nanocristales de silicio. MEG surge como consecuencia de la formación de más de un electrón por fotón absorbido.

El silicio es el material semiconductor predominante en las células solares usadas hoy día, representando más del 93 por ciento del mercado de células fotovoltaicas. Hasta este descubrimiento, se había informado de la ocurrencia de MEG en nanocristales en los dos últimos años (también llamados puntos cuánticos) de materiales semiconductores que no se usan actualmente en las células solares comerciales, y los cuales contenían materiales dañinos ambientalmente (como el plomo). El nuevo resultado abre las puertas a aplicaciones potenciales de MEG para mejorar enormemente la conversión de la eficiencia de las células solares basadas en el silicio debido a que se convierte más energía solar en electricidad. Este es un paso adelante clave en hacer la energía solar más competitiva en costes con respecto a las fuentes de energía convencionales.

En un artículo publicado en la versión inicial on-line del 24 de julio de la revista de la Sociedad de Química Americana Nano Letters Journal, un equipo de NREL informó que los nanocristales de silicio, o puntos cuánticos, obtenidos de Innovalight pueden producir más de un electrón por cada fotón individual de luz solar que tiene longitudes de onda mejores de 420 nm. Cuando las células fotovoltaicas solares de hoy absorben un fotón, aproximadamente el 50 por ciento de la energía incidente se pierde en forma de calor. MEG proporciona una forma de convertir parte de esta energía perdida como calor en electricidad adicional.

Los nanocristales de silicio producidos por Innovalight, Inc., un productor de células solares de capa fina con base en Santa Clara, California, fueron estudiados en NREL como parte de una colaboración entre NREL y los científicos de Innovalight. El equipo de NREL está compuesto por Matthew C. Beard, Kelly P. Knutsen, Joseph M. Luther, Qing Song, Wyatt Metzger, Randy J. Ellingson y Arthur J. Nozik.

Los hallazgos representan una importante extensión del rango de materiales semiconductores que exhiben MEG y son una mayor confirmación de un trabajo iniciado por Nozik, que en 1997 predijo que los puntos cuánticos semiconductores podrían exhibir multiplicación electrónica eficiente y por tanto mayor eficiencia en las células solares.

Hasta la fecha, todos los experimentos que muestran la producción de más de un electrón por fotón absorbido han estado basados en distintos tipos de espectroscopía óptica. En un dispositivo de célula solar es necesario extraer los electrones producidos en los puntos cuánticos y pasarlos a través de un circuito externo para generar energía eléctrica. Tales experimentos están actualmente en desarrollo en NREL, Innovalight y otros laboratorios para demostrar que MEG puede llevar efectivamente a una mejora en la eficiencia de las células solares. Los cálculos de NREL realizados por Mark Hanna y Nozik han mostrado que la eficiencia teórica máxima de las células solares de punto cuántico exhibiendo un MEG óptimo es de aproximadamente un 44 por ciento con luz solar normal no concentrada y de un 68 por ciento con luz solar concentrada en un factor de 500 mediante unos espejos o lentes especiales. Las células solares convencionales actuales que producen un electrón por cada fotón tienen una eficiencia máxima de un 33 por ciento y un 40 por ciento respectivamente, bajo las mismas condiciones solares.

Además de extraer eficientemente los electrones de los puntos cuánticos en las células solares, las investigaciones futuras se dirigen a producir MEG a longitudes de onda que cubran una mayor parte del espectro solar, así como producir un inicio más afinado de los procesos del MEG decrementando las longitudes de onda de los fotones.

NREL es el principal laboratorio nacional del Departameto de Energía de los Estados Unidos para investigación en energías renovables y eficiencia energética y desarrollo. La investigación de NREL fue patrocinada por la Oficina Cientítica del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Ciencias de Energía Basica, la División de Ciencias Químicas, Geociencias, y Biociencias. NREL está gestionado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos a través del Instituto de Investigación del Medio Oeste y Battelle.

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Fecha Original: 24 de julio de 2007
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La fantasmagórica fase cuántica de la materia conocida como supersólido puede originarse a partir de dislocaciones que existen en los cristales. Esto es lo que afirman físicos de Canadá, Estados Unidos y Suiza, que han usado unas simulaciones por ordenador de miles de partículas de helio para concluir que la transición de fase a los supersólidos podría involucrar dislocaciones “de hélice” a bajas temperaturas (Phys. Rev. Lett. 99 035301).

La primera prueba convincente de la supersolidez vino en 2004, cuando los físicos estadounidenses Moses Chan y Eun-Song Kim estaban monitorizando la rotación de una muestra de helio-4 apoyada dentro de un oscilador de torsión. Cuando redujeron la temperatura por debajo de 230 mK, notaron que las oscilaciones se aceleraban ligeramente, y concluyeron que un 1% de la muestra se había convertido en supersólido y por tanto estaba aún en el marco del laboratorio.

Al principio, se pensó que esto era una prueba de la transición de fase predicha a finales de los 60, que sugirió que cerca del cero absoluto cualquier hueco presente en el entrelazamiento de una muestra colapsaría en el mismo estado cuántico, convirtiéndose en el llamado condensado Bose-Einstein. En esta fase de supersólido, los huecos serían capaces de moverse a través del resto del sólido sin esfuerzo, como en un superfluido.

Cálculos más recientes, no obstante, han demostrado que no habría suficiente condensación de huecos a bajas temperaturas para dar una señal supersólida tan grande como un 1%.

Una explicación alternativa es que la señal en realidad procede de la supersolidez que involucra a los diminutos “límites de grano”, pero esto fue descartado experimentalmente el mes pasado por Chan, quien dijo a Physics Web que sospechaba que la señal podría estar originada por las dislocaciones dentro del entramado cristalino.

Ahora, Massimo Boninsegni de la Universidad de Alberta y sus colaboradores de Estados Unidos y Suiza han respaldado sus sospechas simulando una dislocación en hélice en un cristal microscópico de helio-4. Las dislocaciones en hélice se formaron cuando una rotura en la estructura cristalina provocó que los átomos se apilasen en una estructura similar a una escalera en espiral, y para un cristal complejo de helio-4 anteriormente era demasiado difícil de simular con precisión.

Usando un nuevo algoritmo de ordenador, el grupo de Boninsegni encontró que, conforme reducían los parámetros de temperatura hacia el cero absoluto, el núcleo de la dislocación en hélice actuaba como un tubo a través del cual algunos átomos podrían fluir con libertad – fundamentalmente en una dimensión – como un superfluido. “Este es un aspecto importante experimentalmente, dado que un sistema unidimensional tiene distintas marcas físicas que pueden demostrarse mediante medidas”, dijo Boninsegni.

Los investigadores dicen que una red de estos núcleos superfluidos podrían producir una señal supersólida en una muestra real, aunque podría no producir una tal grande como la de un 1% originalmente registrada por Kim y Chan. La fuerza de la señal, sugieren, podría deberse a fuentes auxiliares, como “bolsas” de superfluido.

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Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 20 de julio de 2007
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La normalmente atractiva fuerza de Casimir entre dos superficies puede hacerse repulsiva si una lente “perfecta” con un índice de refracción negativo se incrusta entre la superficies, de acuerdo con cálculos realizados por físicos en el Reino Unido. Ulf Leonhardt y Thomas Philbin de la Universidad de St Andrews creen que la fuerza repulsiva podría ser lo bastante fuerte para hacer levitar un espejo pequeño. El efecto repulsivo – que aún tiene que observarse de forma experimental – podría también ayudar a minimizar la fricción en máquinas micrométricas provocada por la fuerza de Casimir. (New Journal of Physics to be published).
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Físicos de los Estados Unidos han publicado unas sorprendentes fotografías de chorros de líquidos rebotando sobre la superficie de una bañera. Los chorros, que a veces recuerdan a una serpiente ondeante, fueron creados vertiendo una corriente de aceite en una bañera rotatoria del mismo fluido. Los investigadores creen que el fenómeno podría ayudar a mejorar un número de procesos industriales desde el moldeado de materiales fundidos a los fluidos aéreos (arXiv: 0707.1721v1).

Chorro rebotando

Las fotografías fueron tomadas por Matthew Thrasher y sus colegas de la Universidad de Texas en Austin, que construyeron una bañera rotante de aceite en la cual se vertió una corriente de aceite bajo la atenta mirada de una video cámara. Las fotografías revelan que cuando el chorro golpea la superficie de la bañera, se desliza sobre la superficie en una fina capa de aire. Además, la fuerza del impacto crea una hendidura en forma de cuenco en la superficie del líquido que actúa como una rampa, lanzando al chorro de nuevo en el aire (ver figura “Chorro rebotando”). El chorro entonces forma un arco sobre la superficie y se zambulle de nuevo en el líquido, a veces emergiendo en un segundo arco.

El rebote fue observado en un distinto número de aceites de silicio con viscosidades entre 56 y 560 veces la del agua. El arco se hizo más pequeño cuando la bañera rotaba más rápidamente hasta que el chorro no abandonaba la superficie sino que removía su superficie (ver figura “Removiendo”)

Removiendo

Thrasher dijo a Physics Web que un requisito crucial para el rebote es que la capa de aire que soporta al chorro no debe romperse en burbujas de aire, lo que interrumpiría el chorro. Añade que una comprensión de porqué algunos líquidos rebotan mientras que otros hacen burbujas podría mejorar el proceso de moldeado del metal – en el que el material fundido se vierte en un molde y se debe evitar la formación de burbujas para que no debiliten el metal sólido. En cambio, los chorros que se zambullen se usan a menudo para introducir burbujas de aire en los líquidos – un ejemplo común son las burbujas que se forman tras abrir un grifo. Además Thrasher cree que los diseñadores de sistemas de líquidos aéreos deberían comprender cómo evitar el rebote de los fluidos.

Thrasher llegó a la idea para el experimento cuando estaba echando aceite de un contenedor en otro y notó que el chorro de aceite que vertía a veces rebotaba sobre la superficie del contenedor. En su artículo, los investigadores sugieren varios experimentos simples para observar chorros que rebotan en clase o incluso en casa.

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Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 19 de julio de 2007
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Científicos de la Universidad de Delaware han inventado un nuevo biomaterial con sorprendentes propiedades antibacterianas que puede inyectarse como un gel de baja viscosidad en una herida donde se queda rígido casi al contactar – abriendo la puerta a la posibilidad de enviar una carga prevista de células y antibióticos a reparar el tejido dañado.

Fibroblastos de ratón (células que forman el tejido conectivo) en la superficie de un hidrogel de la UD. El hidrogel proporciona un “andamio” donde las células pueden colgarse y crecer. Imagen cortesía de Joel Schneider.

Regenerar el tejido sano en un hígado canceroso, curar una biopsia y proporcionar a los soldados heridos en la batalla un tratamiento médico contra las infecciones están entre la miríada de usos que los científicos prevén para esta nueva tecnología.

El invento patentado por Joel Schneider, profesor asociado de la UD de química y bioquímica, y Darrin Pochan, profesor asociado de ciencia de los materiales, y sus grupos de investigación marcan un gran paso adelante en el desarrollo de hidrogeles para aplicaciones médicas.

Formular los hidrogeles como vehículos de reparto para las células extiende los usos de estos polímeros más allá de las lentes de contacto blandas en un mundo intrigante visto en un tiempo dentro del dominio de la ciencia ficción, incluyendo huesos crecientes y órganos que reemplacen a aquellos que están enfermos o heridos.

“Esta es un área que se explotará durante la próxima década”, dijo Pochan.

Los hidrogeles están formados por redes de cadenas de polímeros superabsorbentes. Aunque no son solubles en agua, pueden absorber gran cantidad de ella, y su estructura porosa permite a los nutrientes y células pasar a través de ella.

Schneider y Pochan y sus equipos de investigación se han centrado en el desarrollo de hidrogeles basados en péptidos que, una vez implantados en el cuerpo humano, se convertirán en andamios para que las células crezcan sobre ellos – células como los fibroblastos, que forman el tejido conectivo, y los osteoblastos, que forman los huesos.

“Son como las barras de refuerzo que se usan cuando construyes algo de hormigón”, dijo Schneider. “Dan soporte a algo para que se construya sobre él”.

La base de los hidrogeles de la UD es “MAX1”, un péptido autoensamblable diseñado hace seis años y nombrado así por el hijo de Pochan, Max.

Los péptidos son cadenas cortas de aminoácidos, los constituyentes básicos de las proteínas. Distintos aminoácidos se unen entre sí para formar cadenas, las cuales se pliegan en formas más compactas con funciones específicas.

Los científicos de la UD Joel Schneider (derecha) y Darrin Pochan han inventado un nuevo hidrogel basado en péptidos para gran cantidad de potenciales aplicaciones médicas.

El péptido que Schneider y Pochan y sus equipos de investigación diseñaron experimenta un “autoensamblado” por disparo, lo que significa que el péptido se plegará automáticamente en una forma específica en respuesta a un disparador concreto, o estímulo ambiental, tal como la exposición a la luz. Tras plegarse, se autoensambla, proporcionando el hidrogel.

Usando “MAX8”, la octava iteración del péptido original, Lisa Haines-Butterick, estudiante de doctorado del grupo de Schneider, imaginó cómo sería encapsular células vivas en el hidrogel y luego inyectar el hidrogel en lugares secundarios sin dañar las células.

“Aunque actualmente sólo hemos demostrado esta capacidad de nuestro gel usando modelos simples, prevemos que cuando lo inyectemos en el cuerpo, las células encapsuladas en el gel pueden propagar su tarea de reestructurar el tejido”, explicó Schneider.

Los hidrogeles basados en péptidos de la UD muestran varias características novedosas. No son sólo citocompatibles, lo que significa que no son tóxicos para las células vivas que han reclutado para transportar, sino que algunos de los geles son, de forma inherente, antimicrobianos, acabando con ciertos tipos de bacterias gram-negativo y gram-positivo, una característica que está explorando actualmente el equipo de investigación.

Los hidrogeles de la UD también pueden ser liofilizados en polvo y reconstituidos en una solución para su uso. Pueden inyectarse desde una jeringuilla, ofreciendo una aproximación mínimamente invasiva al tratamiento médico, así como un método “a prueba de filtraciones” para enviar potencialmente células y medicinas a un órgano herido o enfermo.

Las colaboraciones con los médicos del Sistema de Atención Sanitaria Christiana en Newark, Delaware, pueden llevar a futuros desarrollo de los hidrogeles. Schneider comenzó a trabajar hace poco con el Dr. Joseph Bennett, cirujano en el Centro para el Cáncer Helen F. Graham que extirpa tumores de hígado.

Tanto Schneider como Pochan atribuyen esta nueva colaboración al Centro de Investigación del Cáncer Traslacional, una colaboración del Sistema de Atención Sanitaria Christiana, el Hospital para Niños A. I. duPont y la UD, incluyendo el Instituto de Biotecnología de la Universidad de Delaware. El centro está bajo la dirección de Mary C. Farach-Carson profesor de ciencias biológicas y ciencias de los materiales en la UD.

“Ya sabes, el hígado es un órgano sorprendente”, dijo Schneider. “Tiene la capacidad de regenerarse a sí mismo con bastante facilidad. Si se pierde casi el 70 por ciento del mismo y se elimina, el 30 por ciento restante puede volver a crecer, proporcionando un hígado funcional. Queremos usar hidrogeles para llevar hepatocitos al hígado”, apunta. “Esto podría usarse para aumentar la función del hígado antes de una intervención quirúrgica si, por ejemplo, alguien padece hepatitis, o bebe mucho, factores que normalmente limitarían la cantidad de hígado canceroso que podría eliminarse”.

Aunque Schneider y Pochan no son Félix y Óscar en “La extraña pareja”, trabajan en disciplinas científicas muy distintas, y siempre están gastando bromas.

Ambos científicos llegaron a la facultad de la UD en 1999. Se encontraron durante la nueva orientación de la facultad en la casa del presidente, sentados en la misma mesa.

“La casualidad puede en realidad ser tu amiga”, dijo Pochan.

Vista cercana sobre los hidrogeles de la UD.

Además de aprender sobre la investigación del otro, Pochan y Schneider también encontraron que vivieron en el mismo vecindario de Filadelfia, aunque en distintas épocas (Schneider durante su investigación de posgraduado en la Universidad de Pennsylvania, y Pochan durante sus primeros años en la UD), e incluso habían tenido amigos comunes.

“¿Cuáles son las posibilidades?”, dijo Schneider.

Ambos científicos desde entonces han conseguido ganar el prestigioso premio de la Fundación Nacional de Ciencia, Desarrollo de Carrera Inicial de la Facultad en 2004 y el Premio al Profesor Joven DuPont (Pochan en 2002 y Schneider en 2005). Schneider también recibió el Premio al Joven Estudiante de la Sociedad Francis Alison en 2003, y Pochan es el galardonado de este año para la Medalla John H. Dillon de la Sociedad Física Americana.

“La cosa es que, él solía tirar estas cosas”, dijo Pochan, refiriéndose a los hidrogeles y apuntando con el pulgar a Schneider.

“Para la investigación en la que estaba trabajando cuando era estudiante graduado hace mucho tiempo, lo último que quería hacer era trabajar con hidrogeles”, explicó Schneider, “por lo que cuando termine trabajando con ellos, los tiré fuera. Entonces Darrin me dijo, “Sabes, esas cosas son realmente muy interesantes….”

“Ha sido una colaboración muy exitosa”, añadió Schneider. “Una gran cantidad de fantásticos estudiantes y otra gente de dentro y fuera del campus han ayudado a la realización de esto”, apunta. “Sin estos estudiantes y colaboradores, este trabajo sería imposible”.

El estudio más reciente de Schneider y Pochan sobre hidrogeles se publicó el 8 de mayo en la edición impresa de Proceedings of the National Academy of Sciences. Su investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Instituto Nacional de Salud.

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Autor: Tracey Bryant
Fecha Original: 18 de julio de 2007
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El descubrimiento del Laboratorio Ames arroja una nueva luz sobre 70 años de libros de texto de física.

Como el patrón de una pompa de jabón, la distribución espacial de un campo magnético que penetra en un superconductor puede exhibir una intrincada estructura similar a la espuma. Ruslan Prozorov en el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de los Estados Unidos ha observado estos desconcertantes patrones bidimensionales en muestras de plomo cuando el material está en estado de superconductor, por debajo de 7,2 Kelvin.

Patrones de equilibrio en el plomo superconductor: a la izquierda, el patrón “espuma de jabón” de Prozorov; y a la derecha, el patrón laminar de Landau. Ambas imágenes se obtuvieron a la misma temperatura y campo magnético. La única diferencia es cómo se incrementó o decrementó el campo magnético para alcanzar el equilibrio.

A través de una innovadora investigación para relacionar la geometría compleja de los patrones de equilibrio con las propiedades físicas macroscópicas, tales como el magnetismo, Prozorov ha demostrado que la forma de toda la muestra determina la topología del patrón y el comportamiento magnético general del sistema – un hallazgo significativo que representa una contribución principal en el campo de la superconductividad. “Se puede tener la misma masa y volumen, pero si cambias la forma se obtendrá un tipo distinto de respuesta por parte de la muestra y un distinto tipo de geometría del patrón de campo de equilibrio”, dijo. “El descubrimiento ha reabierto completamente el campo del equilibrio en los conductores de tipo-I, que había estado inactivos debido a que se consideran cerrados”.

El descubrimiento de Prozorov de los patrones complejos en el plomo superconductor marca una notable desviación del primer modelo propuesto por el físico ruso Lev Landau en los años 30. El modelo de Landau, que recuerda a un laberinto o un patrón laminar, ha sido el estándar incontestable en los libros de texto de física durante 70 años.

Pero Prozorov cuestiona el modelo de Landau y mantiene que es imposible deducir los patrones de equilibrio de los superconductores a partir de la minimización de la energía global – una ley de la física establecida. “Se puede suponer cierta geometría o patrón y trabajar con él para obtener una configuración óptima, pero esto no garantiza que el patrón que se ha supuesto resulte ser el estado de mínima energía absoluta en la naturaleza”, explicó.

Ofreciendo un ejemplo del problema que observó en el modelo de Landau, Prozorov dijo, “Si se suponen dos patrones, se puede calcular la energía total para cada uno de ellos, y aquel con menor energía puede ser el patrón de equilibrio. Por supuesto, no se puede probar que no haya otro patrón que tenga una energía menor. Se necesita, de hecho, observar los patrones y relacionarlos con las propiedades físicas medidas reales”.

A lo largo de los años se han realizado observaciones de los patrones de equilibrio en los superconductores que difieren del modelo de laberinto propuesto por Landau. Sin embargo, se consideró que los patrones inusuales tenían defectos o fluctuaciones debidos a imperfecciones en el material estudiado. Nadie se molestó en relacionar los patrones que estaban observando con las propiedades macroscópicas. Nadie, claro, hasta Prozorov.

“Todo comenzó con un descubrimiento accidental”, dijo. Estaba intentando calibrar el termómetro en mi criostato magneto-óptico, por lo que puse un trozo de plomo muy limpio y libre de tensión. Esta es una forma fácil de calibrar debido a que el plomo se convierte en superconductor a 7,2 Kelvin, por lo que observé mi muestra y cuando vi superconductividad supe que mi termómetro estaba bien”.

Pero algo no iba bien, al menos no para un libro de texto. Cuando Prozorov aplicó un campo magnético lo bastante grande y observó la muestra de plomo en el sistema magneto-óptico, se sorprendió al no ver el patrón de laberinto de Landau sino, más bien, un patrón de formas tubulares bidimensionales que él describe como espuma de jabón. “Estaba impactado debido a que esto era algo totalmente inesperado”, dijo. “Por lo que ahora, la gran pregunta era,¿qué patrones representan el equilibrio?”

El experimento de Prozorov demostró que, dependiendo de su pureza y su forma física macroscópica, la muestra en investigación mostró el patrón de espuma de jabón o el patrón laminar de Landau. Él sabía que muestras con formas de discos o bloques que tienen dos superficies paralelas también tienen la propiedad conocida como barrera geométrica. Sólo aquellas muestras con esas formas exhibieron el patrón de Landau, y sólo cuando se redujo el campo magnético. Sin embargo, Prozorov descubrió que las formas sin dos superficies planas, tales como esferas, semiesferas, pirámides y conos, no muestran el comportamiento de Landau. “Observamos la fase de espuma, o tubular, en todas las formas de las muestras, y no tenemos la fase de Landau en ninguna”, dijo. “Por tanto la pase de espuma es la de estado de equilibrio del sistema. La mayoría de los estudios anteriores se hicieron con muestras de superficies planas, debido a esto la gente nunca observó anteriormente esto para un campo magnético decreciente”.

Enfatizando la dificultad involucrada en la creación de estas formas de muestra menos comunes, dijo Prozorov, “Para observar este fenómenos de espuma de jabón, las muestras deben estar muy limpias y sin defectos con una estructura cristalina uniforme. Pasamos una gran cantidad de tiempo intentando hacer muestras de plomo en forma de semiesferas, conos y pirámides y finalmente lo logramos. Tener acceso a los expertos en materiales disponibles en el Laboratorio Ames ha sido un tremendo beneficio en nuestro esfuerzo”, añadió.

La Oficina Científica del Departamento de Energía, la Oficina de Ciencias de la Energía Básica y la Fundación Nacional de Ciencia patrocinaron el trabajo sobre patrones de equilibrio en superconductores.

El Laboratorio Ames, que celebra su 60 aniversario en 2007, está dirigido por el Departamento de Energía a través de la Universidad Estatal de Iowa. El laboratorio lleva a cabo investigaciones en distintas áreas de interés nacional, incluyendo recursos energéticos, diseño de computadoras de alta velocidad, limpieza y restauración medioambiental y la síntesis y estudio de nuevos materiales.

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Fecha Original: 5 de julio de 2007
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Una nueva investigación liderada por físicos de la Universidad de New Hampshire ha probado la existencia de un nuevo tipo de onda electrónica en superficies metálicas: los plasmones de superficie acústica, que tendrá implicaciones en el desarrollo de nano-óptica, superconductores de alta temperatura, y la comprensión fundamental de las reacciones químicas en las superficies. La investigación, liderada por Bogdan Diaconescu y Karsten Pohl de la UNH, se publicó en el número del 5 de julio de la revista “Nature”.

“La existencia de esta onda significa que los electrones de la superficie del cobre, hierro, berilio y otros metales se comportan como el agua de la superficie de un lago”, dice Pohl, profesor asociado de física en la UNH. “Cuando se arroja una piedra a un lago, las ondas se propagan radialmente en todas las direcciones. Puede crearse una onda similar mediante electrones en la superficie de un metal cuando se perturban, por ejemplo, con luz”.

Los plasmones de superficie acústica se han predicho desde hace mucho tiempo en terrenos meramente teóricos, su existencia ha sido tremendamente difícil de probar de forma experimental. “Sólo hace un año, otro grupo de científicos concluyó que estas ondas no existían”, dijo Diaconescu, investigador postdoctoral asociado en el Grupo de Materia Condensada del departamento de física de la UNH. “Estos investigadores no han sido capaces de encontrar los plasmones acústicos debido a que los experimentos requieren de una extrema precisión y paciencia. Un intento tras otro no mostraron nada si, por ejemplo, la superficie no estaba lo bastante bien preparada o los detectores no estaban ajustados con la precisión suficiente”.

El nuevo experimento que encontró que los plasmones de superficie acústica usó una pistola electrónica extremadamente precisa, que dispara electrones lentos a una superficie especialmente preparada de cristal de berilio. Cuando los electrones eran reflejados de vuelta desde el lago de electrones de la superficie del metal, algunos de ellos perdían una cantidad de energía que corresponde a la excitación de una onda de plasmones acústicos. Esta pérdida de energía pudo medirse con un detector que fue colocado en una cámara de vacío ultra-alto, junto con la muestra de berilio. LA pérdida de energía es pequeña pero corresponde exactamente a la predicción teórica.

La investigación sobre las superficies metálicas es importante para el desarrollo de nuevos catalizadores industriales y para la limpieza de los gases de combustión de las fábricas y vehículos. Dado que es muy probable que los nuevos plasmones desempeñen un papel en las reacciones químicas en las superficies metálicas, la investigación teórica y experimental tendrá que tenerlos en cuenta como un nuevo fenómeno en el futuro. Además, hay varias perspectivas prometedoras en la nano-microscopía y en el procesado de señales ópticas cuando los plasmones se excitan directamente con luz difractada de nano-características muy pequeñas. Los investigadores estiman que, dependiendo de sus energías, las ondas se dispersan uno pocos nanómetros (una millonésima de milímetro), y se extinguen tras unos pocos femtosegundos (una millonésima de una mil millonésima de segundo) después de haber sido creados, presenciando de esta forma los veloces procesos químicos a escala atómica.

Otra aplicación potencial es el uso de las ondas para portar señales ópticas a lo largo de canales de anchura nanométrica durante unos pocos micrómetros y de esta forma permitir la integración de la señal óptica y su dispositivo de procesado a escalas de longitud del nanómetro. Y una de las más interesantes pero aún de las más especulativas aplicaciones de los plasmones está relacionado con los superconductores de alta temperatura. Se sabe hoy que la superconductividad tiene lugar en hojas bidimensionales en el material, el cual genera los pares de electrones especiales que pueden moverse sin resistencia a través de un conductor. Cómo sucede esto con precisión aún no está claro pero los plasmones acústicos podrían ser parte de la explicación. Si es así, es una gran ventaja el que ahora sea posible el estudio de los nuevos plasmones acústicos de superficie, donde es mucho más fácil probarlos que dentro del material.

Diaconescu y Pohl recibieron fondos para esta investigación de la Fundación Nacional de Ciencia.

Para descargar el artículo, “Low-energy acoustic plasmons at metal surfaces (Plasmones acústicos de alta energía en superficie de metales)” pulse aquí: http://unh.edu/news/docs/plasmons.pdf

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Autor: Beth Potier
Fecha Original: 5 de julio de 2007
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Se ha sabido desde hace tiempo que cuando dos tipos de átomos distintos se unen, algunos de los cúmulos resultantes son más estables que otros. Físicos de Alemania y Estados Unidos han desarrollado una regla que predice las proporciones de aluminio e hidrógeno que formarán tales cúmulos estables. También dicen que los cúmulos podrían ser empaquetados para formar un nuevo tipo de material que pueda almacenar hidrógeno como fuente de energía alternativa (Phys. Rev. Lett. 98 256802).

Como magia.

Los cúmulos atómicos se forman cuando un número finito de átomos se unen para formar un ensamblado mayor que una molécula típica, pero demasiado pequeña para considerarse sólida. Aunque cualquier número de átomos pueden formar un cúmulo, aquellos con una cierta proporción de elementos, llamados “cúmulos mágicos”, son de forma inherente más estables que otros.

Los cúmulos mágicos son interesantes debido a que pueden usarse como elementos básicos para nuevos materiales, las propiedades de los cuales pueden ser afinadas con precisión ajustando la composición del cúmulo. Pero nadie ha sido capaz de predecir las proporciones mágicas, que previamente se habían determinado mediante ensayo y error.

Ahora, un grupo liderado por Kiran Boggavarapu ode la Universidad de Virginia Commonwealth en los Estados Unidos ha surgido con tal regla que teniendo en cuenta cómo se unen entre sí dos átomos en concreto – aluminio e hidrógeno.

Así como las moléculas, los cúmulos tienen una serie de niveles discretos de energía, y sólo se hacen estables una vez que uno de éstos está completamente lleno de electrones. Por tanto, enfrentado a un cúmulo de átomos de aluminio, un átomo de hidrógeno se unirá de tal forma que tomará o donará un electrón para rellenar un nivel. “Es muy poco usual que el átomo más pequeño – hidrógeno – pueda proporcionar una diferencia tan grandes”, dijo Boggavarapu.

Por ejemplo, si un cúmulo de átomos de aluminio necesita un electrón más para ser estable, un átomo de hidrógeno podría formar un “puente” entre dos átomos de aluminio o formar una tapa uniendo tres átomos de aluminio. Esto permitiría que su electrón se desclocalizara de tal forma que pudiese compartirse en el cúmulo de aluminio. Por otra parte, si un cúmulo tiene demasiado, un hidrógeno podría unirse “radialmente” y retirar el electrón extra del cúmulo. (Ver figura: “Como magia”.)

Usando estas condiciones de compartición de electrones, el grupo de Estados Unidos describió una ecuación que predecía el distinto número de átomos de hidrógeno que podría formar un cúmulo estable de cierto tamaño de átomos de aluminio. Un cúmulo de siente átomos de aluminio, por ejemplo, podría tener un hidrógeno unido radialmente (Al₇H), o podría tener dos hidrógenos unidos radialmente y otro unidos en un puente atómico (Al₇H₃).

Boggavarapu mostró la regla de su grupo a Kit Bowen y sus compañeros de trabajo en la Universidad Johns Hopkins para ver si funcionaba para cúmulos mágicos de verdad usando una técnica llamada espectroscopia fotoelectrónica, en la cual se usa luz ultravioleta para emitir electrones desde un cúmulo de tal forma que su energía de unión pueda determinarse. Hallaron que las energías de unión para distintos cúmulos mágicos encajaban con los tipos de cuerpos que predecía su regla.

Los investigadores ahora quieren ver si los cúmulos mágicos mantendrán sus propiedades cuando interactúen entre sí. Si lo hacen, podrían ser un material prometedor para el almacenamiento de hidrógeno, que es ampliamente considerado como una alternativa limpia a los combustibles fósiles. Boggavarapu dijo a Physics Web que el hidrógeno está lo bastante débilmente unido el los cúmulos mágicos de aluminio-hidrógeno como para permitir su liberación a temperatura y presión ambiental.

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Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 5 de julio de 2007
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Científicos de la NASA, Europa y Australia tomarán el camino hacia el campus Carseldine de la Universidad de Tecnología de Queensland cuando la única torre de microgravedad del hemisferio sur esté terminada este año.

La torre de microgravedad permitirá a los científicos estudiar, en un entorno de gravedad reducida, muchos fenómenos diversos en muchos campos, incluyendo nanomateriales, nuevos materiales, seguridad contra incendios, metalurgia, biotecnología y combustión.

El arquitecto de la torre, el Profesor Asociado Ted Steinberg de la Escuela de Ingeniería de Sistemas de la QUT, dijo que cuando esté finalizada, la torre sería una de las únicas tres o cuatro instalaciones de este tipo en el mundo y que pondría a la QUT a la cabeza mundial en la investigación de los efectos de la gravedad en muchas disciplinas de investigación.

“La torre de microgravedad ya ha atraido muchos socios de investigación tanto en la industria como en el gobierno de varios lugares de Europa y los Estados Unidos”, dijo el Profesor Steinberg.

“Unos importantes programas de investigación propuestos relacionados con el apoyo al desarrollo del Vehículo de Exploración Tripulado (CEV) que reemplazará a la Lanzadera Espacial”.

Pintada de verde y con una altura de 30 metros – “la misma altura que los árboles gomeros característicos del campus de la QUT ” – la discreción de la torre oculta su verdadero valor para la investigación, dice.

La torre funciona colocando el material experimental dentro de una “cápsula de caida” que, cuando se deja caer desde lo alto de la torre, permite al experimento estar en caida libre (o gravedad cero) durante dos segundos, tiempo suficiente para que los científicos hagan cruciales observaciones sobre los fenómenos que estudian.

La cápsula de caida se lleva al reposo en un airbag inflado que permite al experimento decelerar y poder usarse para otro lanzamiento Los científicos son capaces de analizar el resultado cuando la caida se completa”, dijo el Profesor Steinberg.

Dijo que la torre de microgravedad sería una alternativa barata y atractiva a los métodos usuales de probar la gravedad cero.

“Hacer este tipo de investigación sin torre de microgravedad a menudo es bastante caro y consume mucho tiempo debido a que los investigadores tienen que enviar sus experimentos al espacio en una lanzadera o usar un avión de cero G, un jet de la NASA que cambia de altitud rápidamente, para eliminar los efectos de la gravedad”, comentó.

“Los investigadores pueden pagar grandes cantidades para realizar un experimento que pese sólo unos pocos kilos en las lanzaderas espaciales mientras que la instalación de la QUT costará mucho menos por lanzamiento. También podemos realizar muchos lanzamientos por día y el sistema experimental puede pesar cientos de kilogramos y ser bastante grande”.

El Profesor Steinberg dijo que las pruebas en gravedad reducida podrían dar a los científicos pistas sobre los fenómenos que no pueden estudiarse en la gravedad normal debido a los efectos de flotabilidad, sedimentación y otras perturbaciones convectivas no presentes en la gravedad.

“Por ejemplo, se ha demostrado que la formación de ciertos nanomateriales de silicio mejoran enormemente si se producen en gravedad reducida, lo que lleva a unos mejores materiales ya que la solidificación de metales en entornos de gravedad reducida produce estructuras más fuertes que los formados en gravedad normal”.

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Enlaces Relacionados: La ciencia que no puede hacerse en la Tierra

Autor: Niki Widdowson
Fecha Original: 07 June 2007
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Transportar energía sin ninguna pérdida, viajar en trenes que levitan magnéticamente, realizar imágenes médicas (IRM) con equipos de pequeña escala: todas estas cosas podrían ser ciertas si tuviésemos materiales superconductores que funcionasen a temperatura ambiente. Hoy, investigadores del CNRS han dado otro paso adelante en el camino que lleva a este objetivo final. Han revelado la naturaleza metálica de una clase de material llamado superconductor de alta temperatura. Este resultado, que probablemente se publicará en el número del 31 de mayo de 2007 de la revista Nature, ha sido ansiosamente esperado durante 20 años. Ésto pavimenta el camino hacia la comprensión de este fenómeno y hace posible contemplar su descripción teórica completa.

La superconductividad es un estado de la materia caracterizado por una resistencia eléctrica de cero e impermeabilidad a un campo magnético. Por ejemplo, actualmente se usa en fotografía médica (dispositivos IRM), y podría encontrar aplicaciones espectaculares en el transporte y almacenamiento de energía eléctrica sin pérdida, el desarrollo de sistemas de transporte basados en la levitación magnética, comunicación sin cables e incluso computadores cuánticos. Sin embargo, por ahora, tales aplicaciones están limitadas por el hecho de que la superconductividad sólo se da a temperaturas muy bajas. De hecho, sólo una vez que se desarrolló la forma de conseguir helio líquido, lo que requiere temperaturas de 4,2 kelvins (-269 °C), se pudo descubrir la superconductividad, en 1911 (un descubrimiento que fue galardonado con el Premio Nobel dos años más tarde).

Desde finales de los años 80 (Premio Nobel en 1987), los investigadores han tratado de obtener materiales superconductores de “alta temperatura”: algunos de estos compuestos pueden hacerse superconductores usando simplemente nitrógeno líquido (77 K, o -196 °C). El récord de temperatura crítica (la temperatura de transición de fase bajo la cual se produce la superconductividad) es hoy de 138 K (-135 °C). Esta nueva clase de superconductores, que son más baratos y fáciles de usar, han dado nuevos ímpetus en la carrera por encontrar unas temperaturas críticas incluso más altas, con el objetivo final de obtener materiales superconductores a temperatura ambiente. Sin embargo, hasta ahora los investigadores se han visto frenados por algunas preguntas fundamentales. ¿Qué causa la superconductividad a escalas microscópicas? ¿Cómo se comportan los electrones en dichos materiales?

Experimento de levitación magnética. El coche contiene dos discos hechos de YBa2Cu3O7, un material superconductor de temperatura crítica alta enfriado por nitrógeno líquido. El camino, compuesto de imanes, produce un campo magnético que no pueden penetrar en el coche. Es exactamente como si el campo magnético fuese un corriente de aire extremadamente fuerte que eleva al coche del suelo. Dado que no hay fricción, con un pequeño empujón ponemos al coche en movimiento (indefinidamente) a lo largo de la carretera. © J. Billette – CNRS 2007 (estas imágenes pueden obtenerse en la biblioteca fotográfica de CNRS (photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr)

Los investigadores del Laboratorio Nacional para Campos Magnéticos Pulsantes, trabajando junto a investigadores de Sherbrooke, han observado “oscilaciones cuánticas”, gracias a su experiencia en el trabajo con campos magnéticos intensos. Sometieron sus muestras a campos magnéticos de hasta 62 Teslas (un millón de veces más potente que el campo magnético de la Tierra), a muy baja temperaturas (entre 1,5 K y 4,2 K). El campo magnético destruye el estado de superconductor, y la muestra, ahora en un estado normal, muestra una oscilación de su resistencia eléctrica en función del campo magnético. Tal oscilación es característica de los metales: significa que, en las muestras que se estudiaron, los electrones se comportaban de la misma forma que en los metales corrientes.

Los investigadores fueron capaces de usar este descubrimiento, que ha sido ansiosamente esperado durante 20 años, para mejorar su comprensión de la superconductividad a temperatura crítica alta, lo que hasta ahora había resistido todos lo intentos de moderlala. El descubrimiento ha servido para ordenar muchas teorías que surgieron para explicar el fenómeno, y proporciona una base firme sobre la cual construir una nueva teoría. Hará posible diseñar materiales más eficientes, con temperaturas críticas más cercanas a la temperatura ambiente.

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Referencias:
Quantum oscillations and the Fermi surface in an underdoped high-Tc superconductor, Nicolas Doiron-Leyraud, Cyril Proust, David LeBoeuf, Julien Levallois, Jean-Baptiste Bonnemaison, Ruixing Liang, D. A. Bonn, W. N. Hardy, Louis Taillefer, Nature, 31 May 2007, Vol 447, pp 565-568. Autor: Claire Le Poulennec
Fecha Original: 30 de mayo de 2007
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Científicos de Spectrolab, Inc., empresa subsidiaria de Boeing, han publicado recientemente su investigación sobre la fabricación de células solares que superan el hito del 40% de eficiencia — la mayor conseguida hasta el momento para un dispositivo fotovoltaico. Sus resultados aparecen en una edición reciente de Applied Physics Letters.

La mayoría de células solares convencionales usadas en las aplicaciones de hoy, tales como energía suplementaria para casas y edificios, son simples uniones de células de silicio que usan únicamente la intensidad de la luz que el Sol produce de forma natural, y tienen eficiencia óptima para un rango relativamente estrecho de energías de los fotones.

El grupo de Spectrolab experimentó con un concentrador de multiuniones de células solares que usa altas intensidades de la luz solar, el equivalente de cien soles, concentrados por lentes o espejos. Significativamente, las células de multiuniones pueden usar el amplio rango de longitudes de onda de la luz solar de forma mucho más eficiente que las células de uniones simples.

“Estos resultados animan especialmente debido a que se han logrado usando una nueva clase de materiales semiconductores metamórficos, permitiendo mucha mayor libertad en el diseño de células de multiuniones para una conversión óptima del espectro solar”, dijo el Dr. Richard R. King, investigador principal del esfuerzo del desarrollo e investigación en células solares de alta eficiencia a PhysOrg.com. “El excelente rendimiento de estos materiales apunta hacia una eficiencia mayor en futuras células solares”.

En el diseño, las células de multiuniones dividen el amplio espectro solar en tres secciones menores usando tres espacios entre bandas de subcélulas. Cada una de estas subcélulas puede capturar un rango de luz en una longitud de onda distinta, permitiendo a cada subcélula convertir de forma eficiente la luz en electricidad. Con su conversión de eficiencia medida en el 40,7%, las células concentradoras de multiuniones metamórficas sobrepasan el límite teórico de 37% para unas células de unión simple a 1000 soles, debido a su estructura de multiunión.

Aunque el principal negocio de Spectrolab es proporcionar células fotovoltaicas y paneles para la industria aeroespacial (muchas de sus células solares se usan en satélites actualmente en órbita), la compañía prevé que este avance tendrá aplicaciones también en la generación comercial de electricidad solar terrestre.

La investigación que llevó a este descubrimiento de célula de concentradores solares de alta eficiencia fue patrocinada en parte por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y desempeñará un papel importante en la Iniciativa de América Solar del gobierno, lo que apunta a hacer una energía solar de coste competitivo con la generación convencional de energía para el año 2015. La compañía ha dicho que estas células solares podrían ayudar a los fabricantes de sistemas de concentradores a producir electricidad a un coste competitivo con la electricidad generada por los métodos convencionales actuales.

Los científicos de Spectrolab también predicen que con una eficiencia teórica del 58% en células con más de tres uniones usando materiales y diseños mejorados, las células de concentradores solares podrían conseguir eficiencias de un 45 o un 50% en el futuro.

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Cita: King, R. R., Law, D. C., Edmondson, K. M., Fetzer, C. M., Kinsey, G. S., Yoon, H., Sherif, R. A., and Karam, N. H. “40% efficient metamorphic GaInP/GaInAs/Ge multijunction solar cells.” Applied Physics Letters 90, 183516 (2007).

Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 1 de junio de 2007
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Los resultados de la dispersión de neutrones han arrojado dudas sobre la existencia de un fantasmal estado de la materia llamado supersólido. La investigación, llevada a cabo por científicos en los Estados Unidos y Reino Unido, encontró que unas muestras de helio ultrafrío no exhibían las marcas de un supersólido – la ocupación de masa del estado base. Esto hace aguas la esperanza de los físicos de que los sólidos – así como los líquidos y gases – pueden también convertirse en un “condensado” cuántico (Phys. Rev. Lett. 98 205301).

La supersolidez se predijo por primera vez en 1969 por los teóricos rusos Alexander Andreev e Ilya Liftshitz. Dijeron que los huecos en la red que normalmente tienen lugar a temperaturas finitas, podrían seguir existiendo a temperaturas cercanas al cero absoluto en elementos con enlaces débiles como el helio, debido a la energía de “punto cero”. Enfriando helio sólido a bajas temperaturas, estos huecos podrían colapsar en el mismo estado base, convirtiéndose en lo que conocemos como un condensado Bose-Einstein (BEC). En este estados supersólido, los huecos se comportarían como una entidad coherente, moviéndose a través del resto del sólido sin esfuerzo como en un superfluido.

Los físicos Moses Chan y Eun-Seong Kim de la Universidad de Pennsylvania State en los Estados Unidos hallaron la primera prueba de supersolidez cuando notaron un pequeño cambio en la inercia rotacional de una muestra de helio-4 puro apoyado en el interior de un oscilador de torsión a una temperatura de 230 mK. Esto, concluyeron, quería decir que un 1% de la muestra se había condensado en un supersólido y había permanecido en reposo en el marco del laboratorio. Desde entonces, sin embargo, distintos grupos han demostrado que el estado supersólido puede eliminarse “templando” la muestra de helio con antelación para eliminar cualquier impureza. Esto llevó a los físicos a suponer que la supersolidez debía estar relacionada con una cantidad finita de desorden.

Sin embargo, unos nuevos resultados obtenidos usando la fuente de neutrones de ISIS en el Laboratorio Rutherford Appleton del Reino Unido parece contradecir los hallazgos de Chan y Kim. Oleg Kirichek de Rutherford y sus colegas del Reino Unido y los Estados Unidos investigaron cómo los neutrones se dispersaban fuera de los átomos y dejaban huecos vacantes en la red dentro del helio-4 sin templar que había sido enfriado a 80 mK. Usando un modelo por ordenador para convertir sus datos en distribución de momento, hallaron que no hay ocupación de masa en el estado base (momento cero) por parte de los átomos o de los sitios vacantes en la red.

De acuerdo con Kirichek, estos resultados demuestran que la teoría de Andreev y Liftshitz no se aplica al helio-4 sólido de “alta calidad”. Sin embargo, no se revela por qué Kim y Chan observaron los efectos de la supersolidez similares a los superfluidos en el experimento de torsión, el cual usaba muestras de helio de la misma calidad. “No creo que sea una respuesta ambigua”, dijo John Goodkind, que fue el primero en empezar a buscar el estado supersólido en los años 80, a Physics Web. “Estamos esperando a que haya más experimentos que clarifiquen la situación”.

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Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 30 de mayo de 2007
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David Damanik, profesor asociado de matemáticas, ha publicado una prueba clave en el estudio de los cuasicristales.

Un matemático ofrece una nueva prueba sobre unas extrañas propiedades electrónicas.

Profesionalmente hablando, las cosas en el mundo de David Damanik no se alinean – y puede probarlo.

En una nueva investigación que está disponible en línea y en revisión para su publicación en el número de julio de Journal of the American Mathematical Society, Damanik y su colega Serguei Tcheremchantsev ofrecen una prueba clave en el estudio de los cuasicristales, materiales similares a los cristales cuyos átomos no se alinean en una red de filas como los átomos que encontramos en los cristales. El último trabajo de Damanik se centra en un popular modelo que los matemáticos usan para estudiar los cuasicristales. La investigación, que estuvo en proceso durante 10 años, prueba que los cuasicristales del modelo no son conductores eléctricos y arroja algo de luz sobre este rincón poco conocido de la ciencia de los materiales.

“Esta es la primera vez que se ha conseguido, y dado el amplio interés académico en los cuasicristales esperamos que el artículo genere un interés significativo”, dijo Damanik.

Hasta 1982, los cuasicristales no es que no se hubiesen descubierto, es que se creía que eran físicamente imposibles. Comprender el porqué ayuda a comprender cómo se alinean los átomos en un cristal.

En la literatura de principios del siglo XIX, los minerólogos demostraron que todos los cristales – como el diamante o el cuarzo – estaban hechos de un red de una fila de átomos tras otra, repitiéndose cada fila a intervalos regulares. Los matemáticos y Químicos Físicos demostraron más tarde que la estructura periódica de repetición de los cristales no sólo estar en pequeños alineamientos fijos. Esto se reveló de forma elegante en el siglo XX cuando los cristales fueron bombardeados con rayos-X. Los cristales difractaron la luz en patrones de puntos que tenían “simetría rotacional”, lo que significa que se ven exactamente igual cuando se les rota parcialmente. Por ejemplo, un cuadrado tiene una simetría rotacional de cuatro caras debido a que se ve exactamente igual cuatro veces cuando se le da un giro completo.

La cristalografía de rayos-X reforzó lo que los físicos, químicos y matemáticos conocían sobre los cristales; podían producir patrones de puntos con sólo dos, tres, cuatro o seis caras de simetría rotacional. La física de sus entramados no permitía nada más.

Todo esto fue bien hasta 1982, cuando el físico Dan Shechtman hizo un estudio de difracción de rayos-X sobre una nueva aleación que había fabricado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. El patrón de puntos parecía como los hechos por cristales, pero tenía una simetría rotacional de cinco caras, como un pentágono –algo que estaba prohibido claramente para una estructura periódica de un cristal.

La aleación – que fue rápidamente llamada cuasicristal – atrajo intensamente el interés científico. Desde entonces se han fabricado docenas de cuasicristales. Aunque ninguna de sus estructuras se ha resuelto aún, científicos y matemáticos como Damanik están entusiasmados con su comprensión.

“Matemáticamente hablando, los cuasicristales caen en un terreno intermedio entre el orden y el desorden”, dijo Damanik. “Durante la última década, ha quedado cada vez más claro que las herramientas matemáticas que la gente ha usado durante décadas para predecir las propiedades electrónicas de los materiales no funcionarán en este terreno intermedio”.

Por ejemplo, la ecuación de Schrödinger, que apareció en 1925, describe cómo se comportan los electrones en cualquier material. Pero durante décadas, los matemáticos han sido capaces de usar sólo uno de los términos de las ecuaciones – el operador de Schrödinger – para descubrir si el material sería un conductor o un aislante. En los últimos cinco años, los matemáticos han probado que este método no funciona en los cuasicristales. El resultado de esto es que es mucho más complejo en realidad resolver las ecuaciones y averiguar el comportamiento de los electrones dentro de un cuasicristal. Se han usado Supercomputadores para resolverlas, pero Damanik dijo que las simulaciones por ordenador no pueden sustituir la prueba matemática.

“Las simulaciones por ordenador han demostrado que los electrones se mueven a través de los cuasicristales – aunque muy lentamente – de una forma notablemente distinta a como se moverían a través de un conductor”, dijo Damanik. “Pero los ordenadores nunca te mostrarán todo el paisaje complejo. Sólo dan una solución aproximada para un tiempo finito. En nuestro artículo hemos probado que los electrones siempre se comportan de esta forma en el modelo de cuasicrital estudiado, no sólo hoy o mañana, sino siempre”.

La investigación de Damanik fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencia.

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Autor: Jade Boyd
Fecha Original: 23 de mayo de 2007
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Tras leer este artículo, nunca volverás a mirar las bolsas de basura de la misma forma.

Todos usamos bolsas de basura de plástico; son tan comunes que difícilmente lo pensamos dos veces. ¿Entonces quién ha pensado que una modesta bolsa de basura podría ser la clave para enviar humanos a Marte?

La mayoría de las bolsas de basura de uso doméstico están hechas de un polímero llamado polietileno. Los derivados de esta molécula pueden resultar excelentes como escudo para las más peligrosas formas de radiación espacial. Los científicos han sabido esto durante mucho tiempo. El problema ha sido intentar construir una nave especial a partir de este frágil material.

Pero ahora los científicos de la NASA han inventado un innovador material basado en el polietileno llamado RXF1 que es incluso más fuerte y ligero que el aluminio. “Este nuevo material en un inicio en el sentido de que combina propiedades estructurales superiores con propiedades de protección superiores”, dice Nasser Barghouty, Científico del Proyecto de Protección de Radiación Espacial de NASA en el Centro de Vuelo Espacial Marshall.

¿A Marte en una nave espacial de plástico?. Tan ridículo como suena y podría ser la forma más segura de ir.

Menos es más

Proteger a los astronautas de la radiación del espacio profundo es un problema importante sin resolver. Piensa en una misión tripulada a Marte: El viaje de ida y vuelta podría durar al menos 30 meses, y requeriría abandonar la burbuja protectora que es el campo magnético de la Tierra. Algunos científicos creen que materiales como el aluminio, que proporcionan un escudo adecuado en la órbita terrestre o para cortos vuelos a la Luna, serían poco adecuados para el viaje a Marte.

Barghouty es uno de los escépticos: “Ir a Marte hoy con una nave de aluminio es imposible”, cree él.

Los plásticos son una alternativa apetecible: Comparado con el aluminio, el polietileno es 50% mejor como protección a las llamaradas solares y aún mejor para los rayos cósmicos.

La ventaja de los materiales plásticos es que producen mucha menos “radiación secundaria” que los materiales más pesados como el aluminio o el plomo. La radiación secundaria proviene del material aislante mismo. Cuando las partículas de radiación espacial chocan contra los átomos del escudo, dan lugar a minúsculas reacciones nucleares. Esas reacciones producen una lluvia de subproductos nucleares – neutrones y otras partículas – que pasan a la nave espacial. Es como intentar protegerte de una bola de bolos voladora construyendo un muro de bolos. Esquivarás la bola pero serás golpeado por los bolos. ¡Los “secundarios” pueden ser peores para la salud de los astronautas que la radiación original!

Irónicamente, los elementos más pesados como el plomo, que la gente habitualmente asume que es el mejor escudo contra la radiación, produce mucha más radiación secundaria que elementos más ligeros como el carbono y el hidrógeno. Esta es la razón por la que el polietileno es un buen escudo: está compuesto completamente de átomos ligeros de carbono e hidrógeno, los cuales minimizan los secundarios.

Concepto artístico de humano enviados a Marte. Crédito NASA

Estos elementos más ligeros no pueden detener por completo la radiación espacial. Pero pueden fragmentar las partículas de radiación recibida, reduciendo enormemente los efectos perjudiciales. Imagina que te escondes tras una valla metálica para protegerte del golpe de una bola de nieve: Seguirás recibiendo algo de nieve en forma de pequeños trozos de nieve que salvan la valla, pero no sentirás el dolor de un impacto directo de una masa compacta. El polietileno es similar a esta valla metálica.

“Esto es lo que podemos hacer. Fragmentar – sin provocar gran radiación secundaria – es en realidad donde se gana o pierde la batalla”, dice Barghouty.

Hecho por encargo

A pesar de su poder de protección, las bolsas de basura corrientes, evidentemente, no se usarán para construir una nave espacial. Por tanto Barghouty y sus colegas han estado intentado mejorar el polietileno para el trabajo aeroespacial.

Así es como el investigador del Proyecto Protección Raj Kaul, trabajando junto a Barghouty, llegó a inventar el RXF1. RXF1 es considerablemente más fuerte y ligero: tiene tres veces la resistencia a la tensión del aluminio, y es 2,6 veces más ligero – impresionante incluso para los estándares aeroespaciales.

“Dado que es un escudo balístico, también rechaza micrometeoritos”, dice Kaul, quien había trabajado previamente con materiales similares en el desarrollo de blindaje para helicópteros. “Como es un tejido, puede extenderse sobre los moldes y formas de los componentes específicos de la nave”. Y al ser un derivado del polietileno, es también un excelente escudo contra la radiación.

La especificación de cómo se creó el RXF1 es secreta debido a que la patente del material aún está pendiente.

La fuerza es solo una de las características que debe tener una nave espacial, apunta Barghouty. La inflamabilidad y la tolerancia a la temperatura son también importantes: No importa lo fuertes que sean los escudos de una nave especial si se funden a la luz directa del sol o se incendian con facilidad. El polietileno puro es muy inflamable. Se necesita más trabajo para retocar aún más el RXF1 y hacerlo más resistente a las llamas y la temperatura también, dice Barghouty.

El resultado final

La gran pregunta, por supuesto, es el resultado final: ¿Puede el RXF1 llevar humanos con seguridad a Marte?. En este momento, nadie lo sabe con seguridad.

Algunos “rayos cósmicos galácticos son tan energéticos que ninguna cantidad razonable de protección puede detenerlos”, advierte Frank Cucinotta, Delegado Jefe de Salud de Radiación de NASA. “Todos los materials tienen este problema, incluido el polietileno”.

Cucinotta y sus colegas han realizado simulaciones por ordenador para comparar el riesgo de cáncer yendo a Marte en naves de aluminio o de polietileno. Sorprendentemente, “no hay una diferencia significativa”, dice. Esta conclusión depende del modelo biológico que estima cómo los tejidos humanos se ven afectados por la radiación especial – y ahí radica el problema. Tras décadas de vuelos espaciales, los científicos aún no comprenden completamente cómo reacciona el cuerpo humano ante los rayos cósmicos. Si su modelo es correcto, sin embargo, podría tener pocos beneficios prácticos la protección extra que proporciona el polietileno. Este es un tema en el que se continúa la investigación.

Debido a las numerosas dudas, no se han establecido las dosis límite para un astronauta en una misión a Marte, comenta Barghouty. Pero asumiendo que la dosis límite sea similar a los límites establecidos para los vuelos del Shuttle y la Estación Espacial, cree que el RXF1 podría hipotéticamente proporcionar una protección adecuada para una misión de 30 meses a Marte.

Hoy, a la basura. ¿Mañana a las estrellas?. El polietileno podría llevarte más lejos de lo que nunca has imaginado.

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Fecha Original: 2005-08-30

Las membranas ayudarán a viajar a Marte y limpiarán el aire en la Tierra

Una astronave viajando a y desde Marte podría un día depender de membranas para combustible y aire limpio. Trabajo artístico de NASA por Pat Rawlings, SAIC

La tecnología ideal para viajar en el espacio sería simple, robusta, fiable, ligera, y volumétricamente eficiente. Tendría partes rígidas, lo cual la haría menos propensa a rupturas. Sería una tecnología pasiva, que no requiera ninguna energía externa. Sería pequeña. Sería ligera. Una tecnología ideal para el espacio, dice el ingeniero químico Doug Way, es la membrana.

Bien, OK, las membranas no pueden hacerlo todo. Las membranas no podrán propulsarnos en el espacio. Y no nos llevarán a Marte. Pero las membranas podrían resolver algunos de los problemas de viajar allí. Y una vez lleguemos, podrían ayudarnos a regresar.

Básicamente, las membranas son barreras semi-permeables. Son similares a un muro, excepto que los gases, e incluso líquidos, pueden filtrarse a través de ellas. Pero – aquí está el punto clave – diferentes moléculas se mueven a través de las membranas a diferentes velocidades. Las membranas pueden, por lo tanto, ser usadas para ordenar cosas, separando un tipo de molécula de otro.

Doug Way de la Escuela de Minas de Colorado y el Ingeniero de Lockheed Larry Mason están trabajando en un proyecto patrocinado por la NASA que usa membranas para ayudar a producir combustible para cohetes a partir de la atmósfera Marciana. El principio es simple: La atmósfera Marciana es 95% dióxido de carbono (CO₂). Usando membranas, los exploradores podrían extraer algo de ese CO₂, el cual cuando se mezcla con hidrógeno y se calienta produce metano – un útil propulsor para cohetes o vehículos.

El agua es un subproducto de este tipo de producción de metano, llamado proceso Sabatier (descubierto por el químico francés Paul Sabatier en el siglo XIX). Además de esto, el agua puede ser electrolizada en oxígeno, para respirar, e hidrógeno, el cual puede ser usado para producir un nuevo ciclo de metano.

Una membrana en el interior de una célula de prueba. Crédito de la imagen: Doug Way (Escuela de Minas de Colorado) y Larry Mason (Lockheed Martin)

Aunque la atmósfera marciana es en su mayoría CO₂ puro, no es lo suficientemente puro para el proceso de Sabatier. El dióxido de carbono debe ser separado de los demás gases atmosféricos antes de ser procesado. De otra forma los gases no usados – mayormente nitrógeno y argón – aumentan, y finalmente retardarán el proceso de trabajo. Way y Mason están desarrollando una membrana que separará el CO₂.

Los polímeros especializados que crearán estas membranas, algunos de los cuales fueron desarrollados en el Laboratorio de Medio Ambiente e Ingeniería Nacional de Idaho, están organizados para incrementar la solubilidad del dióxido de carbono. “Añadimos en grupos de moléculas polares – portando una carga eléctrica”, dice Way. Debido a que las moléculas de dióxido de carbono son también polares, son atraídas a los grupos cargados de la membrana.

Las membranas son probadas en una cámara especial que simula el entorno Marciano, explica Larry Mason. El dispositivo, el cual es tiene cerca de un metro de altura, está dividido en dos compartimentos. Uno contiene a atmósfera similar a la Marciana, y el otro lado está al vacío. Están separados por una membrana de aproximadamente una pulgada cuadrada de área de superficie (2,5 cm cuadrados aprox.). Un espectrógrafo de masas mide la facilidad de cada gas para moverse al lado del vacío.

“Es el mejor [membrana] material que hemos encontrado”, dice Way, “en condiciones marcianas, el CO₂ era transferido a través de la membrana cerca de 50 veces más rápido que el nitrógeno”.

“Ahora mismo”, añade Mason, “estamos investigando distintos materiales candidatos para encontrar el que propague mejor el CO₂. Una vez lo encontremos, podremos concentrarnos en obtener suficiente paso en una adecuada cantidad de tiempo, cambiando el tamaño del área, reduciéndolo, etcétera”.

Un diagrama esquemático del Complejo de Pruebas de Membranas en el laboratorio de Larry Mason en Lockheed Martin

Los investigadores quieren diseñar un dispositivo que produzca un gas que sea CO₂ en un 99,8 por ciento a un ritmo de 2,5 litros por minuto. Para lograr esto, dice Way, necesitaremos bastante membrana. Aunque la membrana es muy delgada – cerca de 25 micras, un cuarto del diámetro de un cabello – probablemente necesitará tener sobre los 300 pies cuadrados de área (90 metros cuadrados aprox.), el tamaño de una pequeña sala. Todo esto tendrá que ser acondicionado en un paquete de un pie cuadrado (30 cm cuadrados aprox.).

Pero una membrana que separa el CO₂ de otros gases puede hacer más que proporcionar material puro para combustible de cohetes. “Esto es tecnología fundamental”, dice Mason. “Tiene toda clase de usos”.

Las membranas podrían ayudar a reducir las emisiones de dióxido de carbono procedentes de las fábricas

Podría, por ejemplo, ser usado para filtrar aire en la estación espacial o en una nave rumbo a Marte. El dióxido de carbono, el cual es un producto residual de nuestro metabolismo, debe ser continuamente eliminado de la atmósfera contenida en la astronave. La membrana que es permeable solo al dióxido de carbono podría ser perfecta, dice Mason. “El CO₂ simplemente pasaría pasivamente a través de la membrana a una cámara de carga –o al espacio exterior. El Oxígeno y otros gases permanecerían intactos dentro del habitáculo”.

Estas membranas podrían ayudar potencialmente a reducir el efecto invernadero global, también. “Otra idea es”, dice Mason, “que una membrana sea usada para extraer CO₂ de gran cantidad de humos de fábricas – reduciendo la cantidad de dióxido de carbono emitida a la atmósfera”. Tal aplicación aún permanece en el futuro, dice.

“La mayor aplicación potencial terrestre”, añade Way, “es la eliminación de CO₂ del gas natural. El CO₂ es en contaminante más común del gas natural junto al vapor de agua”. Las separaciones por membrana son uno de los principales procesos usados para filtrar el gas natural debido a lo que nos encontramos con especificaciones de tuberías de menos del 2% de CO₂. Esto es un gran negocio ya que “la industria del gas natural es enorme – más de 100 mil millones de dólares por año en valor de consumo”, según Way.

Para Mason, “la parte más excitante de esta tecnología es el hecho de que esto podría influenciarnos de verdad para ir a Marte y vivir y trabajar allí algún día”. Y, mientras tanto, hay gran cantidad de usos para mejorar la Tierra.

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Fecha original : 2003-12-03

Experimentos en la ISS ayudarán a los ingenieros a aprender como manipular fluidos supercongelados

La estructura molecular de sólidos normales contra amorfos. Imagen cortesía Liquidmetal Technologies

Palos de golf de alto rendimiento. Cuchillos ultra afilados. Fibra óptica mejorada para telecomunicaciones. Incluso, materiales livianos para futuras astronaves.

¿Qué tienen todas estas cosas en común? Pueden ser fabricadas usando líquidos “supercongelados”: materiales líquidos que son enfriados bajo el punto de congelación normal y mediante un método especial son mantenidos en estado líquido.

Evitando la congelación normal, se puede conseguir que el líquido se transforme en distintas clases de sólidos. En la congelación normal, las moléculas del líquido se colocan ordenadamente en una red cristalina, como soldados en formación. Así es como el hielo, los metales normales, y de hecho la mayoría de los sólidos están formados. Los líquidos supercongelados solidifican de diferente forma.

Con el enfriamiento, se espesan y finalmente dejan de fluir – como un líquido “en pausa”. El resultado es un sólido cuyas moléculas se mantienen mezcladas en una red amorfa semi-aleatoria. Esta estructura molecular, más comúnmente encontrada en cristales de ventanas pero posible en metales, también, tiene propiedades especiales. La aleación de metales amorfos, por ejemplo, puede ser dos veces más fuerte y tres veces más elástico que el acero.

Hay un gran potencial para los productos realizados a partir de estos líquidos, pero son notoriamente difíciles de fabricar.

Un líquido supercongelado es un delicado e inestable estado de la materia. Él desesperadamente “quiere” cristalizar en un sólido normal. Todo lo que necesita es un lugar donde comenzar la cristalización – tal como la superficie cristalina de un muro de contención o incluso una mota de polvo – y el líquido de pronto se congelará en un sólido. En otras palabras, trabajar con líquidos supercongelados es como jugar con fuego: son propensos a “romperse” de pronto y arruinar el número.

Una muestra de las cosas que los fabricantes pueden mejorar usando fluidos supercongelados. Imagen cortesía Liquidmetal Technologies

Increíblemente, fabricantes de la Tierra han conseguido hacer algunos productos a partir de estos líquidos a pesar de todo: componentes de ordenadores, palos de golf, raquetas de tenis. Hay incluso un colector de viento solar a bordo de la astronave Génesis de NASA fabricado con metales amorfos supercongelados.

Estos elementos son solo el principio. Cuando los ingenieros aprendan más acerca de la física básica y propiedades de los fluidos supercongelados, estarán capacitados para hacer más cosas con ellos. Y aquí es donde la Estación Espacial Internacional (ISS) puede ayudar. En la ingravidez de la órbita terrestre, es posible estudiar los fluidos sin mantenerlos en contenedores que podrían disparar cristalizaciones prematuras.

Edwin Ethridge, un científico de materiales del Centro de Vuelo Espacial Marshall de NASA, y el Prof. William Kaukler de la Universidad de Alabama en Huntsville están trabajando en un modo de medir la viscosidad de los fluidos no contenidos en ningún recipiente a bordo de la ISS. Su idea es simple: Si dos gotas flotantes de un líquido se tocan entre sí, se fundirán para formar una única gota mayor. La velocidad de esta unión está parcialmente controlada por la viscosidad – el agua se unirá mucho más rápido que la miel, por ejemplo. Por esto, mirar esta velocidad permitirá a los científicos medir la viscosidad del líquido.

Unas buenas medidas de viscosidad son críticas para trabajar con fluidos supercongelados, los cuales se espesan radicalmente cuando se enfrían. La fricción entre moléculas en uno de estos fluidos enfriados puede dispararse más de mil billones de veces (10¹⁵) que si solidifica. Sin un gráfico trazado de cómo ocurre este espesamiento con relación a las temperaturas de enfriamiento, los ingenieros no pueden fácilmente moldear estos líquidos en formas útiles.

La velocidad a la cual las gotas se unen depende de su viscosidad.

Para comprender el porqué, imagina qué ocurriría si diseñas un molde con cantidad de rincones y grietas para que este trabaje bien con líquidos supercongelados del espesor del aceite vegetal. Pero cuando se vierte el líquido supercongelado en el molde, enfriándolo ligeramente, causa una inesperada complicación con mil pliegues – transformando el líquido en espeso como la miel. El objeto producido a la vista es más similar al arte moderno que a productos vendibles.

Obtener los datos para hacer las curvas de viscosidad contra temperatura es la última etapa de la investigación de Ethridge y Kaukler. Su próximo experimento, llamado Medidas de Viscosidad de Fluidos Fusionados (en inglés Fluid Merging Viscosity Measurements FMVM), es una prueba del concepto. Esto mostrará cómo las medidas de viscosidad de fluidos no contenidos en recipientes pueden ser realizadas en el entorno de microgravedad de la ISS.

La física es bastante dura, pero los científicos tienen que superar otro problema también: debido a que las salas para envío de equipo de investigación hacia la estación están limitadas mientras la flota de la lanzadera está en tierra, los investigadores tenían que encontrar una forma para hacer sus experimentos usando cosas que puedan ser introducidas dentro del cohete de suministros Russian Progress o que ya se encontrara a bordo de la estación.

“He seleccionado 8 líquidos para probar”, dice Ethridge. “Han sido cargados en jeringuillas que serán lanzadas en un cohete Progress hacia la estación espacial”. Uno de ellos es miel normal. Aunque ésta solo cristaliza muy lentamente, la miel es en realidad un líquido supercongelado. Funciona perfectamente para probar que este método de “gotas flotantes” puede medir con precisión la viscosidad de un líquido.

La fuerza y elasticidad de los sólidos amorfos (‘Glassy Alloys’ en el dibujo) son superiores a la mayoría de otros materiales.

El experimento se desarrollará así: La miel (o alguno de los otros líquidos) será extraída de su jeringuilla y colocada como finos hilos. “En la estación espacial están disponibles hilos de Nomex y pueden ser usados para confinar y controlar las gotas de líquido en órbita. El hilo de soldar fino puede ser usado también para manipular las gotas”, comenta Ethridge. Con una gota aferrada a cada hilo o a cada dos, un miembro de la tripulación podría acercarlas lentamente, permitiendo a las gotas tocarse suavemente y fundirse. Una video cámara guardada a bordo de la estación grabará qué sucede cuando las gotas lentamente forman una figura de cacahuete y finalmente una sola esfera.

De vuelta en la Tierra, los investigadores examinarán la secuencia fotograma a fotograma para determinar exactamente cómo de rápido se funden las gotas. Debido a que la viscosidad de las muestras de prueba es ya conocida, los investigadores pueden comparar el valor medido con el valor real para ver si están en la pista correcta.

Los investigadores actualmente planean llevar el experimento FMVM algún tiempo durante la Expedición 8, la cual está programada para comenzar a finales de Octubre. Su trabajo podría concluir en una nueva forma de conocer la viscosidad de líquidos supercongelados. Y después de esto… no se sabe, pero los palos de golf y los artículos de cocina son sólo el comienzo.

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Fecha original : 2003-10-16