Grafito, ¿un imán permanente?

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Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), en un estudio publicado recientemente en la revista Physical Review Letters, explican el origen de un exótico comportamiento del grafito. Los resultados revelan que los escalones de grafito no presentan carácter ferromagnético.

(Foto: UAM, ICMM)

Bien conocido por sus propiedades como lubricante sólido, o por encontrarse como principal componente de la mina de los lápices, el grafito todavía sigue escondiendo el origen de algunas de sus propiedades físicas. Constituido únicamente por átomos de Carbono, su estructura se compone de delgadas láminas, de espesor atómico, conocidas como grafeno —el Premio Nobel de Física de 2010 ha tenido como principal motivo el aislamiento individual de estas láminas—.

Durante los últimos diez años, el grafito ha sido protagonista de un gran número de publicaciones científicas al descubrirse en él evidencias de un inesperado comportamiento ferromagnético, similar al de un imán permanente, en regiones localizadas de tamaño nanométrico asociadas con defectos de la red cristalina que lo forma.

En octubre de 2009, un grupo de investigadores de la Universidad técnica de Eindhoven y la Universidad Radboud de Nijmegen en Holanda, parecía haber encontrado la clave de dicho comportamiento. Según ellos, a lo largo de los escalones monoatómicos en la superficie del grafito, formados por una gran cantidad de defectos a escala atómica, se observaba una clara e inequívoca señal ferromagnética.

Sin embargo, los experimentos anteriores no son concluyentes, dado que sigue sin resolver el conocido problema para separar los campos eléctricos de los magnéticos en la nanoescala. El estudio de estas interacciones es fundamental para la Nanotecnología, ya que son el origen de las fuerzas que gobiernan el mundo de lo pequeño, pues en esas dimensiones la gravedad, que nos es tan familiar, es despreciable.

Cuatro investigadores de la UAM (David Martínez-Martín, Miriam Jaafar, Rubén Pérez y Julio Gómez-Herrero) junto con la investigadora Agustina Asenjo, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), consiguieron desarrollar una nueva metodología que permite, por fin, la separación correcta de las interacciones eléctricas y magnéticas en sistemas nanoscópicos.

Para desenmascarar el comportamiento magnético del grafito, los investigadores se valieron de un dispositivo experimental que integra de forma simultánea (1) la microscopía de fuerza atómica, (2) la microscopía de sonda Kelvin y (3) la microscopía de fuerza magnética.

La primera es la encargada de adquirir la información topográfica superficial de la muestra en estudio. La segunda, sensible únicamente a los campos eléctricos, determina con gran exactitud el campo eléctrico local asociado a un punto determinado de la topografía; y crea un campo eléctrico igual pero de sentido opuesto al existente, de manera que el campo eléctrico resultante es nulo.

La microscopía de fuerza magnética, por su parte, determina con altísima sensibilidad el campo magnético en esa región del espacio. Toda esta instrumentación se encuentra en el interior de una campana de alto vacío, lo cual consigue aumentar muy eficazmente sus límites de detección.

Los resultados del estudio, publicados recientemente por la revista Physical Review Letters, han desvelado que los escalones de grafito no presentan carácter ferromagnético. El trabajo confirma también que la señal observada a lo largo de los escalones de grafito es independiente del campo magnético externo aplicado, corroborando la naturaleza no magnética de la señal observada en tales defectos cristalinos.

Además, los investigadores han señalado que un gran número de las evidencias que se pueden encontrar en la literatura, son el resultado de confundir interacciones eléctricas con interacciones magnéticas. El equipo confía en que el método permitirá avanzar en el conocimiento de los muchos procesos que tienen lugar a escalas atómica y molecular. (Fuente: SINC/UAM)

El Silicio Con Ciertas Impurezas Puede Experimentar un Derretimiento "Retrógrado"
13 de Septiembre de 2010. Como un cubito de hielo en un día caluroso, la mayoría de los materiales se funden, es decir cambian del estado sólido al líquido cuando se calientan. Sin embargo, algunos materiales raros lo hacen a la inversa: se funden cuando se enfrían. Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha descubierto que el silicio, el material más ampliamente usado para los chips de ordenador y las células solares, puede exhibir esa extraña propiedad de la “fusión retrógrada” cuando contiene altas concentraciones de ciertos metales disueltos en él.


El material, un compuesto de silicio, cobre, níquel y hierro, se “funde” (en realidad deja de ser sólido para convertirse en una especie de barro, una mezcla pastosa entre un sólido y un líquido) cuando se enfría por debajo de los 900 grados Celsius, mientras que el silicio ordinario se funde a los 1.414 grados Celsius.

El material y sus propiedades han sido estudiados por un equipo de investigadores encabezado por Tonio Buonassisi, Steve Hudelson y Bonna Newman.

Los resultados de este trabajo podrían ser útiles para reducir el costo de fabricación de algunos dispositivos basados en el silicio, sobre todo aquellos en los que cantidades diminutas de impurezas pueden reducir significativamente su rendimiento. En el material que Buonassisi y sus colaboradores han estudiado, las impurezas tienden a emigrar a la porción líquida, dejando así regiones de silicio mucho más puro. Este fenómeno puede hacer posible la fabricación de ciertos dispositivos basados en el silicio, como las células solares, usando como materia prima un silicio menos puro y por consiguiente menos caro, que luego se purificaría durante el proceso industrial mediante el fenómeno descrito.

Buonassisi predijo en el 2007 que debía ser posible inducir el derretimiento retrógrado en el silicio, pero las condiciones necesarias para producir tal estado y para estudiarlo a escala microscópica son muy complejas y sólo recientemente ha sido posible contar con ellas en el laboratorio.

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El Superconductor Más Pequeño del Mundo

5 de Mayo de 2010. Un equipo de científicos ha descubierto el superconductor más pequeño del mundo, una lámina de cuatro pares de moléculas de menos de un nanómetro. El estudio proporciona la primera evidencia de que es posible fabricar cables superconductores moleculares a escala nanométrica que podrían ser usados para dispositivos electrónicos nanométricos y en ciertos sistemas de transmisión de energía.


Se ha determinado que es casi imposible realizar interconexiones a escala nanométrica usando conductores metálicos porque la resistencia aumenta conforme el tamaño del cable disminuye. Los nanocables se calientan hasta tal punto que se pueden fundir. Ese problema ha sido un gran impedimento para el desarrollo de nanodispositivos que resulten prácticos de usar.

Los materiales superconductores no experimentan resistencia eléctrica y pueden conducir grandes corrientes eléctricas sin la disipación de potencia ni la generación de calor que sí afectan a los conductores convencionales.
La superconductividad fue descubierta en 1911, y hasta fechas recientes fue considerada un fenómeno macroscópico. Sin embargo, el nuevo hallazgo sugiere que existe en la escala molecular, por lo que se abre un nuevo campo para estudiar este fenómeno. Actualmente, los superconductores se usan en aplicaciones que van desde las supercomputadoras hasta los dispositivos para captación de imágenes del cerebro.

En el nuevo estudio, el equipo del físico Saw-Wai Hla de la Universidad de Ohio examinó moléculas sintetizadas de un tipo de sal orgánica, ubicadas sobre una superficie de plata. Usando espectroscopia de Efecto Túnel, los científicos observaron la superconductividad en cadenas moleculares de varias longitudes. En las cadenas por debajo de los 50 nanómetros de longitud, la superconductividad disminuía cuando las cadenas se hacían más cortas. Sin embargo, los investigadores aún fueron capaces de observar el fenómeno en cadenas tan pequeñas como de cuatro pares de moléculas o 3,5 nanómetros de longitud.

Para observar la superconductividad a esta escala, los científicos necesitaron enfriar las moléculas hasta una temperatura del orden de los 260 grados centígrados bajo cero. Las temperaturas más calientes redujeron la actividad.

En estudios futuros, los científicos podrán poner a prueba materiales de diversas clases, a fin de hallar alguno con el que fabricar cables nanométricos que sean superconductores a temperaturas más altas.

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Crean "manto" de invisibilidad en 3-D

BBC Ciencia

Los científicos crearon una estructura que utiliza luz con una longitud de onda invisible al ojo humano.

Científicos lograron crear el primer dispositivo que logra hacer a un objeto invisible en tres dimensiones.

El "manto" -cuyos detalles aparecen publicados en la revista Science- puede ocultar a un objeto utilizando luz con una longitud de onda muy cercana a la de la luz visible para el ser humano.

Los aparatos previamente desarrollados habían logrado ocultar objetos de la luz que viajaba en la misma dirección, pero visto desde cualquier otro ángulo el objeto seguía siendo visible.

Ahora lograron hacer al objeto invisible en tres dimensiones.

Tal como expresan los científicos del Instituto de Tecnología Karlsruhe en Alemania, éste es un paso inicial pero muy importante hacia los verdaderos mantos de invisibilidad.

Según explicó a la BBC el profesor Tolga Ergin, quien dirigió el estudio, el manto esta basado en el concepto de que es posible "transformar" el espacio con un material.

El profesor Ergin y su equipo diseñaron un metamaterial fotónico que es capaz de influir en la conducta de los rayos de luz.

"Se puede pensar en cualquier tipo de transformación que se desee llevar a cabo y crear un material que simule esa transformación" explica el científico.

La base del diseño fue propuesta por el profesor John Pendry del Imperial College de Londres, quien también participó en el estudio.

En teoría no hay límites al tamaño del objeto que se desea esconder. Podríamos llevarlo a gran escala para cubrir una casa

Profesor Tolga Ergin

"Él propuso el diseño teórico de tener un objeto escondido detrás de un bulto y hacer que ese bulto desaparezca", explica el profesor Ergin.

"Es como una alfombra en un espejo. Si escondes un objeto debajo de ésta aparece un bulto y en el espejo ves una distorsión en la imagen reflejada", asegura.

"Si colocamos el manto sobre ese bulto éste logra desviar la luz de forma que la distorsión desaparece. Y tú tienes la impresión de que el espejo que estás viendo es plano", agrega.

Desvío de luz

El truco, agrega el científico, es cambiar la velocidad y dirección en las cuales viaja la luz a través del material, o sea, cambiar el índice refractivo del material.

Los investigadores lograron hacer esto utilizando un cristal polímero fabricado con pequeñísimas varillas.

"Al cambiar el grosor de las varillas se puede cambiar la proporción de aire por polímero", explica el doctor Ergin.

El estudio es un paso importante hacia el desarrollo de un aparato de invisibilidad.

"Ya que el índice refractario del aire es de cerca de uno y el índice refractario del polímero es de 1,52, en principio podremos lograr cualquier índice refractario entre esos dos números", agrega.

Creando un índice refractario "a la medida" para la superficie del bulto, los científicos lograron hacer invisible a una variedad de longitudes de onda ligeramente más largas que las que podemos ver.

Como resultado, debajo de esta luz la superficie reflectante parece ser plana.

Un efecto similar fue alcanzado previamente en dos dimensiones, cambiando el índice refractivo de una pieza de silicio perforando pequeños orificios en su superficie.

Pero estos orificios sólo pudieron ser perforados en una dirección.

"Como resultado si miras al objeto desde cualquier otro ángulo inmediatamente lo ves", dice el profesor Ergin.

En el nuevo estudio el equipo utilizó una técnica llamada litografía multifotónica (o escritura láser) para crear su manto en tercera dimensión.

Esta utiliza un láser enfocado con mucha precisión para "escribir" en el material sensible a la luz.

"Cualquier lugar donde se enfoque el láser en el material quedará endurecido. Es un proceso similar a la fotografía, que cuando se procesa los sitios que no han sido expuestos al láser se desvanecen", agrega.

Tres dimensiones

Cuando el doctor Ergin y sus colegas calcularon cómo los rayos de luz podrían viajar a través de un objeto se dieron cuenta de que podían utilizar su técnica para construir una estructura que funcione en tres dimensiones.

En este caso, los científicos utilizaron el aparato para cubrir un bulto de un micrómetro (una milésima de un milímetro) de altura.

"En teoría no hay límites al tamaño del objeto que se desea esconder. Podríamos llevarlo a gran escala para cubrir una casa", dice el científico.

"Pero nos tomó tres horas construir esta estructura, así que algo más grande tomará mucho tiempo".

Los expertos creen que uno de los mayores desafíos que todavía se deben superar en el diseño de aparatos de invisibilidad es esconder objetos de la longitud de onda que es visible al ojo humano.

No contaremos con un manto de invisibilidad en el futuro cercano, pero este estudio ha demostrado una extraordinaria prueba de concepto

Prof. Ortwin Hess

"Los cristales fotónicos a menudo funcionan porque los elementos que los constitutyen no son visibles a la longitud de onda con la cual los observamos", explica el profesor Ortwin Hess, de la Universidad de Surrey.

"Si usted mira su escritorio no ve los átomos individuales porque son muy pequeños. Sólo puede ver la estructura completa, como la madera o el plástico".

Esto significa que los mantos para la luz visible tendrían que estar compuestos de varillas mucho más pequeñas y para esta técnica el rayo láser tendría que ser incluso más pequeño.

En el nuevo estudio las varillas que se utilizaron fueron de 200 nanómetros y para esconder el bulto de la luz visible se requirieron varillas de hasta 10 nanómetros.

Y, tal como explica el profesor Ergin, hay un límite para el tamaño del enfoque que debe tener el punto de luz.

"No es tan fácil crear estas estructuras a esta escala. Las técnicas de fabricación tienen límites", dice el científico.

Pero de cualquier forma, expresa el profesor Hess, éste es un gran avance y los materiales fotónicos que fueron creados podrían usarse en el desarrollo de lentes, almacenamiento de luz y circuitos ópticos.

"No contaremos con un manto de invisibilidad en el futuro cercano, pero este estudio ha demostrado una extraordinaria prueba de concepto", agrega el experto.

Nuevo Dispositivo Adherente Que Podría Permitir a Humanos Desplazarse Por Paredes

15 de Marzo de 2010. ¿Podría un día un humano desplazarse por las paredes, como Spiderman? Una futura versión mejorada de un dispositivo recién inventado en la Universidad Cornell, que es lo bastante pequeño como para caber en la palma de la mano, y que utiliza la tensión superficial del agua para ejercer una insólita fuerza de adherencia, podría hacer posible esa habilidad hasta ahora limitada al ámbito de la ciencia-ficción.


El mecanismo de adherencia rápida podría conducir a aplicaciones tales como zapatos o guantes que se adhieran y desprendan de paredes, o notas autoadhesivas de quita y pon pero capaces de sostener objetos pesados. Así lo cree Paul Steen, profesor de ingeniería química y biomolecular, quien ha inventado el dispositivo en colaboración con Michael Vogel.

El dispositivo está inspirado en un escarabajo natural de Florida, el cual se puede adherir a una hoja de vegetal con una fuerza de 100 veces su propio peso, pero manteniendo al mismo tiempo la capacidad de poder despegarse por sí mismo al instante.

El dispositivo consta de tres partes básicas: Una placa plana, con agujeros de tamaño diminuto, del orden de los micrones; una placa inferior que contiene un depósito de agua; y en el medio otra capa porosa. Un campo eléctrico, aplicado por una pila ordinaria de 9 voltios, bombea el agua a través del dispositivo y hace que se aprieten gotas a través de la capa superior. La tensión superficial de las gotitas de agua expuestas hace que el dispositivo se adhiera a otra superficie.
En nuestra experiencia cotidiana, esta fuerza es relativamente débil. Pero si se acumula en cantidad suficiente y se puede controlar, como lo hace el escarabajo, es posible conseguir una fuerza de adherencia asombrosamente fuerte.

Steen vislumbra prototipos futuros a mayor escala, una vez que sea perfeccionado el mecanismo de bombeo, los cuales serán capaces de ejercer una fuerza de adherencia aún más fuerte.

Eso podría conducir a dispositivos con los que una persona podría desplazarse por las paredes, como Spiderman.

Steen también imagina recubrir las gotitas con membranas delgadas; lo bastante delgadas como para que sean controladas por el bombeo, pero lo bastante gruesas como para eliminar el humedecimiento. El líquido encapsulado podría ejercer fuerzas simultáneas, como pequeñas perforadoras. Se podría fabricar un dispositivo del tamaño de una tarjeta de crédito que se pueda poner en la grieta de una roca o en una puerta, y partirla aplicando un voltaje muy pequeño.

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Un "Tinte" Para Dotar de Capacidad de Almacenaje de Electricidad a Ropa de Algodón o Poliéster

22 de Febrero de 2010. ¿Suministrar energía a un iPod o a un teléfono móvil podría volverse tan fácil como conectarlo a la camiseta o a los pantalones, y después recargar la ropa durante la noche?


Un equipo de científicos, integrado por Yi Cui de la Universidad de Stanford y otros, describe una forma más fácil de convertir al algodón o al poliéster convencionales en tejidos textiles conductores de electricidad, capaces de servir también como pilas recargables.

Los dispositivos electrónicos que constituyen prendas de vestir o que están incorporados a éstas, representan un nueva clase en desarrollo de materiales con varias funcionalidades novedosas, tales como flexibilidad, elasticidad, y ligereza, las cuales hacen posibles muchas aplicaciones y diseños que previamente resultaban imposibles sin contar con más ayuda que la de las tecnologías electrónicas tradicionales.
Ropas deportivas de alto rendimiento, pantallas incorporadas a prendas de vestir, nuevas clases de baterías para llevarlas puestas como parte de la indumentaria, y sistemas de monitorización de constantes vitales u otras mediciones médicas incorporados en la propia vestimenta del sujeto, son ejemplos de estas innovadoras aplicaciones.

El nuevo proceso para lograr esos asombrosos tejidos se basa en un "tinte" fabricado con nanotubos de carbono de una sola pared.

En pruebas realizadas, cuando el tinte fue aplicado a tejidos de algodón o de poliéster, los dotó de una excelente capacidad para almacenar electricidad. Los tejidos mantuvieron la flexibilidad y elasticidad del algodón y el poliéster convencionales, y también conservaron sus nuevas propiedades bajo condiciones que simulaban lavados repetidos.

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Fabrican un material imposible

El investigador Eugenio Coronado y su equipo del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia han desarrollado a nivel químico un material superconductor y ferromagnético a la vez, dos propiedades incompatibles en la naturaleza. La información se ha presentado hoy durante un encuentro organizado por la Fundación Ramón Areces y el grupo editorial Nature, en el que diversos expertos han debatido sobre la revolución nanotecnológica.

Un grupo de investigadores del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia, dirigido por el científico Eugenio Coronado, ha logrado controlar la materia a nivel químico hasta tal punto que han conseguido introducir en un mismo material dos propiedades incompatibles: la superconductividad (capacidad para conducir la corriente eléctrica sin resistencia en determinadas condiciones) y el ferromagnetismo (ordenamiento magnético o imantación).

“En física se dice que un material ferromagnético y superconductor no pueden existir si la conductividad y el ferromagnetismo están en la misma región del espacio”, ha explicado a SINC Coronado, “pero en química podemos diseñar ese tipo de estructuras poniéndolas en distintas regiones del espacio, y con bloques muchos más pequeños de lo investigado hasta ahora”.

Las aplicaciones de este estudio, cuyos detalles se publicaran previsiblemente este año, podrían dirigirse a áreas como la electrónica, la espintrónica y las tecnologías de la información. Los materiales ferromagnéticos y conductores son muy sensibles a los campos magnéticos, y ya se emplean, por ejemplo, en los lectores de los discos duros.

Otra de las líneas de investigación del equipo son las “moléculas imán”, según ha señalado hoy Coronado durante un encuentro sobre nanotecnología organizado hoy en Madrid por la Fundación Ramón Areces y Nature Publishing Group Iberoamérica. “Una sola molécula que se comporte como un imán significa que esa molécula mide un nanómetro (normalmente los tamaños de los bits de memoria magnéticos suelen medir 1000 nm), por lo que hacer memorias de 1 nm es importante”, ha destacado el químico.

“Además las ‘moléculas imán’ se comportan en física de forma diferente a la de los sistemas microscópicos, y a escala nanométrica aparecen fenómenos cuánticos, que se pueden aplicar, a su vez, en computación cuántica, donde en lugar de tener bits binarios de unos y ceros tenemos más valores”, ha añadido.

Más almacenamiento y nanochips

En cualquier caso Coronado ha destacado que, en principio, las investigaciones básicas no buscan su aplicación directa, sino el concepto del “cómo” realizarlas, algo en lo que también coincidió otro de los ponentes, Andreas Berger, director del Centro de Investigación Científica CIC nanoGUNE de San Sebastián.

“A veces las investigaciones son maravillosas, pero al final pueden no tener un sentido práctico, debido a factores como el coste o que no se pueda controlar adecuadamente algún aspecto”, ha indicado Berger, que también ha mencionado el estudio que realiza su grupo sobre un mecanismo para aumentar la capacidad de almacenamiento de los sistemas. “Puede que resulte practico para su uso, pero no está claro si va a dar un producto al mercado”.

En el encuentro también ha participado el ingeniero, matemático y médico Mauro Ferrari, director del Departamento de Nanotecnología e Ingeniería Biomédica de la Universidad de Texas (EE UU), quien ha explicado sus trabajos sobre la validación clínica de los fármacos. Su equipo trata de producir chips destinados a muestras de sangre con contenidos moleculares que permitan identificar con rapidez la eficacia de los medicamentos contra el cáncer.

Normalmente tras la administración de un fármaco hay que esperar varios meses para comprobar su eficacia, y durante ese periodo la persona que lo ha ingerido está expuesta a la toxicidad de la sustancia. Los nanochips que desarrollan estos investigadores se centran en lograr reducir al máximo el periodo necesario para conocer la eficacia del medicamento.

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Fecha Original: 28 de enero de 2010
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