¿La materia? No es fácil llegar a entenderla

A finales de los años 70, los físicos de partículas decidieron acudir a los seminarios de cosmología para escuchar los que los cosmólogos tenían que decir sobre las galaxias y los quásar y, los cosmólogos (para no ser menor), alquilaron máquinas del CERN y el FERMILAB para trabajar en física de de altas energías en instalaciones subterráneas desde donde no se podían ver las estrellas.

Los experimentos que se producen en tan descomunales máquinas, llevan sus resultados hasta las pantallas de los ordenadores provistos de programas bien elaborados que recogen todos y cada uno de los sucesos del acontecimiento allí ocurrido cuando dos haces de muones, por ejemplo, chocan lanzados en direcciones opuestas a velocidades cercanas a la de la luz, y, en el choque, las partículas dan lugar a otras más elementales que están ocultas en el corazón de la materia y, con esta fórmula de altas energías, pueden salir a la luz para que las podamos conocer.

“La Física de partículas elementales y el estudio del Universo primitivo, las dos ramas fundamentales de la ciencia de la Naturaleza, se habían fundido esencialmente.” Declaró Gell-Mann, cuando físicos y cosmólogos unieron sus conocimientos para saber sobre el todo desde lo puy pequeño hasta lo muy grande: El átomo y la Galaxia.

Encierran y tienen tantos secretos las galaxias que, existen multitud de familias, de formas y colores, y, todas ellas, son portadoras de la esencia del Universo, las galaxias, son retazos del Universo en las que están presentes todos los elementos y objetos que son son, también allí residen las fuerzas y las constantes y, para que no falte de nada, podríamos suponer que también, está la vida presente.

En encuentra que buscaron físicos y cosmólogos fue el Big Bang. Loa físicos habían identificaron simetrías en la Naturaleza que hoy están rotas pero que estuvieron intactas en el entorno de las inmensas energías, en el entorno de aquellos primeros momentos en los que se cree nació el universo. Los cosmólogos informaron de que el universo estuvo entonces en tal estado de alta energía, durante las etapas iniciales del Big Bang. Unidas ambas cosas, aparece el cuadro de un universo perfectamente simétrico y cuyas simetrías se quebraron a medida que se expandió y se enfrió, creando las partículas de materia y energía que encontramos hoy a nuestro alrededor y estampándoles las pruebas de su genealogía.

Gráfica de la ruptura de simetría espontánea de la función

En el modelo estándar,  la ruptura espontánea de simetría se complementa por el uso del bosón de Hihhs, que es responsable de las masas de los bosones W y Z.  Todo esto puede verse de forma más técnica en la interacción de Yucawa donde se muestra cómo obtienen masa los fermiones  mediante la ruptura de simetría. Este mecanismo se aplica al caso de una ruptura de simetría gauge local local.

El toro es un ejemplo de grupo de Lie homeomorfo a .

En física la ruptura espontánea de la simetría ocurre cuando un sistema definido por una lagrangiana simétrica respecto a un grupo de simetría  cae en un estado vacío que no es simétrico.  Cuando eso sucede el sistema no se comporta más de forma simétrica.

El grupo de simetría puede ser discreto como el grupo espacial  de un cristal, o continuo como un grupo de Lie,  como la simetría rotacional del espacio. Sin embargo, si el sistema solo tiene una dimensión espacial entonces solo las simetrías discretas pueden romperse en un estado vacío de la teoría cuántica, aunque también una solución clásica puede romper una simetría continua.

La ruptura de la simetría conlleva la aparición de nuevas partículas (asociados a nuevos términos de masas en el nuevo lagrangiano como los bosones de Nambu-Goldstone  o los bosones de Higss) y la aparición de términos de masas de partículas ya existentes en el lagrangiano. Claro que la teoría electrodébil se describió por Steven Weinberg unificada en términos de su relación con el universo primitivo.

Lo que resulta tan especial en la Teoría electrodébil  es que las partículas (portadoras de la fuerza) forman una familia estrechamente unida, con cuatro miembros: la W⁺, la W^– , la Z neutra, y el cuarto miembro es nuestro viejo amigo el Fotón, portador del electromagnetismo. Son todas hermanas, estrechamente relacionadas por el principio de simetría que nos dice que son, todas las misma cosa pero, que la simetría se ha roto. La simetría está allí, en las ecuaciones subyacentes de la teoría M, pero no es evidente en las partículas mismas. Por eso las W y la Z son mucho más pesadas que el fotón.

                           El Universo temprano

Hubo un tiempo, en el universo temprano, en que la temperatura estaba por encima de algunos cientos de veces de la masa del protón, cuando la simetría aún no se había roto, y la fuerza débil y la electromagnética, no sólo eran la misma matemáticamente, sino realmente la misma. Un físico que hubiera podido estar allí por aquel entonces, lo que no es fácil de imaginar, no habría contemplado ninguna diferencia real entre las fuerzas producidas por el intercambio de estas cuatro partículas: las W, la Z y el Fotón.

De la misma manera, aunque menos clara, las nacientes teorías de la supersimetría conjeturan que las cuatro fuerzas tal vez estaban ligadas por una simetría que se manifestaba en aquellos niveles de energías aún mayores que caracterizaban al universo incluso ya antes del Big Bang.

La introducción de un eje de tiempo histórico en la cosmología y la física de partículas, benefició a ambos campos. Los físicos proporcionaron a los cosmólogos una serie de herramientas útiles para saber como se desarrolló el universo. Evidentemente, el Big Bang no fue la muralla de fuego de la que se burló Hoyle, sino un ámbito de sucesos de altas energías que muy posiblemente pueden ser comprensibles en términos de la teoría de campo relativista y cuántica.

La cosmología por su parte, le dio un tinte de realidad histórica a las teorías unificadas. Aunque ningún Acelerador concebible podría alcanzar las titánicas energías supuestas por las grandes teorías unificadas y la supersimetría, esas exóticas ideas aún pueden ser puestas a prueba, investigando su las partículas constituyentes del universo actual son compatibles con el tipo de historia primitiva que implican las teorías.

“Las partículas elementales aparentemente proporcionan la clave de algunos de los misterios fundamentales de la cosmología temprana… y, resulta que la cosmología nos brinda una especie de terreno de prueba para alguna de las ideas de la física de partículas elementales.”

A pesar de todo, de lo mucho que hemos avanzado y de los descubrimientos ciertos que se han podido conquistar y que están debidamente contrastados una y mil veces para estar seguros de que, todo eso es así. A pesar de ello, digo, no creo que aún sepamos, a ciencia cierta, lo que las fuerzas fundamentales son, y, nos quedan algunos flecos que añadir a ese “traje” para que, la “niña” (en este caso la Naturaleza), se nos pueda mostrar con toda su belleza y esplendor.

¿Qué son las fuerzas?

Sí, más o menos, aunque con ciertas carencias y faltas de completitud, podemos dar una idea de lo que las fuerzas son y, para andar por casa, podría ser una explicación suficiente pero, si queremos dar un paseo más largo, y llegar hasta los confirnes de la Galaxia, entonces, no podemos confiar en esta exigua explicación a la que, como antes decía, le faltan esos flecos que la adornan y completan y las acercarían a nuestra total comprensión.

Sabemos del nacimiento de las estrellas, la acumulación de estas en galaxias, que a la vez se agrupan en cúmulos y por si fuera poco,  esparciéndose en forma uniforme mientras el Universo sigue  y sigue expandiéndose. La formación de nebulosas en todas partes, de ellas las nacientes estrellas, blancas, azules, rojas y amarillas, y a su alrededor la formación de planetas. Todo un ciclo que se repite y se repite por miles de millones de años, entregándonos un formato claro y que podemos aventurarnos a predecir sin temor a fallar y, sabemos que, todo eso es posible gracias a que, las cuatro fuerzas fundamentales del universo están presentes y, el ritmo que imponen, hacen posible que las cosas sean tal como las podemos contemplar.

Quarks que se unen para formar nucleones, estos que conforman los núcleos, la llegada de los electrones atraídos por la carga eléctrica positiva de los núcleos hacen que se formen los átomos del universo que, unidos forman moléculas que, a su vez, se unen para formar cuerpos como las estrellas y los mundos que las rodean, grupos de estrellas que dan lugar a enormes galaxias y estas, reunidas, forman cúmulos que son las estructuras más grandes del universo y, todo ello, es posible gracias a esas fuerzas y a esas “insignificantes” partículas que conforman la materia.

Ahí los tenéis y aunque pueda parecer sencillo, el lidiar con estas tres familias de partículas que son, enn realidad las que conforman todo lo que existe en el mundo (entendiéndose por el mundo el universo entero), no es fácil y de ellas, surgen muchas implicaciones, algunas que no hemos podido llegar a entender aunque, en honor a la verdad tendremos que decir que, en lo más básico, podemos formular hipótesis y teorías que las implican y que están acordes con la realidad observada en el laboratorio experimental. Sin embargo, muchos son, todavía, los secretos que nos esconden y al que nuestro intelecto no ha podido llegar aún. Sin embargo, si nos dan más tiempo, todo llegará.

Y, a todo esto, no debemos olvidar que, aparte de las propiedades que dichas partículas pueden tener de manera individual, todas tienen que convivir con las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza que, de alguna manera, inciden en ellas de mil maneras diferentes.

No sólo toda la materia del Universo, nosotros también, supeditamos nuestros comportamientos a lo que rige la norma que establen esas cuatro fuerzas fundamentales del Universo que, junto con las constantes universales, hacen de nuestro universo lo que es y permite, que la vida esté presente para observar todas estas maravillas.

Ayer por la tarde (como hago tantas veces por estas fechas si el tiempo lo permite), acompañado de mi inseparable esposa, me di una vueltecita por todos estos parajes y, nos paramos en un “chiringuito” situado en un lugar apartado. Ella, mi mujer, después de tomarnos un café, se marcha un rato a la playa a tomar un baño y echarse en la fina arena a tomar el Sol, y, mientras tanto, saco mi libreta (que siempre me acompaña) y, mirando ese inmenso horizonte escribo de todo esto que antes habéis podido leer.

Realmente, cuando te acercas a la Naturaleza, las cosas se ven diferentes, te sientes más cerca de lo verdadero y puedes llegar a comprender algunas cosas,  la simbiosis del momento te acercan a la comprensión. Recordé que desede estos mismos lugares partíó Colón para “las Américas” lo que después llamamos el nuevo mundo, y, aunque él creía que se dirigía a otro lugar, el descrito por Marco Polo, el hombre llegó a ese nuevo Mundo que ahora (a pesar de todo lo que hicimos), sentimos hermanos.

Gabriel’s oboe – Nella fantasia – YouTube

¿Cuándo llegaremos a comprender? ¿Entenderemos alguna vez por qué hicimos aquellas cosas? ¿Sabrán ellos perdonarnos? y, sobre todo, comprenderemos de una vez por todas que todos somos uno… ¡falta mucho para que eso sea una realidad!

Emilio Silvera V.

  ¡Ese fantásticio mundo…, de lo muy pequeño!

La fuerza nuclear débil nos habla de materiales que, de manera natural, emiten radiación y se desintegran. Al pensar en la desintegración me ha traído a la memoria aquellos libros de Asimov que nos explicaba cuestiones de ciencia y nos decía existen materiales que también se desintegran de manera natural y que son materiales fértiles, o que sin serlo, se pueden transformar en otros que sí lo son.

Al hablar de material fértil me estoy refiriendo a núclidos que pueden absorber neutrones para formar material fisible. El uranio-238, por ejemplo, absorbe un neutrón para formar uranio-239, que se desintegra en plutonio-239. Este es el tipo de conversión que la imaginación del hombre hace que ocurra en un reactor reproductor.

Lo explicaré con más detalles: El Reactor Reproductor Rápido es un reactor de neutrones rápidos diseñado para producir combustible generando más material fisible del que consume. El FBR es uno de los tipos posibles de reactores reproductores.

Veamos: El uranio-235 es un combustible práctico, es decir, los neutrones lentos son capaces de hacer que el uranio-235 se fisione, o lo que es lo mismo, se rompan sus átomos en dos, produciendo neutrones lentos, que a su vez inducen otras fisiones atómicas. El uranio-233 y el plutonio-239 son también combustibles nucleares prácticos por las mismas razones.

Desgraciadamente, el uranio-233 y el plutonio-239 no existen en estado natural sino en trazas mínimas, y el uranio-235, aunque existe en cantidades apreciables, no deja de ser raro. En cualquier muestra de uranio natural, sólo siete de cada mil átomos son de uranio-235, el resto es uranio-238.

                                                                   Uranio

El uranio natural extraído de las minas contiene un 99´3 % de U-238  y apenas el  0´7 % de U-235.

El uranio-238, la variedad común de uranio, no es un combustible nuclear práctico. Así que, el uranio que más abunda en la naturaleza no sirve como combustible nuclear. Podemos conseguir que se fisione, pero sólo con neutrones rápidos. Los átomos de uranio-238 que se rompen en dos, producen neutrones lentos, que no bastan para producir o inducir nuevas fisiones.  El uranio-238 cabría compararlo a la madera húmeda: es posible hacer que arda, pero acabará por apagarse.

El uranio es un elemento químico metálico de color plateado-grisáceo de la serie de los actínidos, su símbolo químico es U y su número atómico es 92. Por ello posee 92 protones y 92 electrones, con una valencia de 6. Su núcleo puede contener entre 142 y 146 neutrones, sus isótopos más abundantes son el ²³⁸U que posee 146 neutrones y el ²³⁵U con 143 neutrones. El uranio tiene el mayor peso atómico de entre todos los elementos que se encuentran en la naturaleza. El uranio es aproximadamente un 70% más denso que el plomo, aunque menos denso que el oro o el wolframio. Es levemente radioactivo. Fue descubierto como óxido en 1789 por M. H. Klaproth que lo llamó así en el honor del planeta Urano que acababa de ser descubierto en 1781.

Supongamos, sin embargo, que se separa el uranio-235 del uranio-238 (trabajo más bien difícil) y que se utiliza aquel para hacer funcionar un reactor nuclear. Los átomos de uranio-235 que forman el combustible del reactor se fisionan y esparcen miríadas de neutrones lentos en todas direcciones. Si el reactor está rodeado por una capa de uranio ordinario (que en su mayor parte es uranio-238), los neutrones que van a parar allí son absorbidos por el uranio-238 y, aunque no pueden hacer que el uranio-238 se fisione, sí pueden provocar otros cambios que finalmente, producirán plutonio-239. Separando este plutonio-239 del uranio (tarea muy fácil), puede ser utilizado como combustible nuclear practico para la fisión.

De esta manera, el reactor nuclear genera nuevo combustible a partir de un material (uranio-238) que no lo es. Este es el motivo de que al reactor nuclear que hace posible la transformación se le llame “reactor generador”.

Un reactor generador bien diseñado puede producir más plutonio-239 que el uranio-234 consumido para ello. De este modo, las reservas totales de uranio de la Tierra (y no sólo las de uranio-235) se convierten en potenciales de combustible nuclear.

                                        Torio

Carlo Rubbia, exdirector del CERN (los mismos que hicieron el Colisionador de Hadrones)  y ganador del premio Nobel de física en 1984, ha trabajado buena parte de su carrera en el desarrollo de tecnologías para la producción de energía a partir de torio y calcula que con un reactor adecuado, este proceso de fisión podría generar a partir de 1 tonelada del elemento la misma cantidad de energía que 200 toneladas de uranio y 3.500.000 toneladas de carbón.

El torio, tal como se da en la naturaleza, consiste todo él en torio-232, que al igual que el uranio-238, no es un combustible nuclear práctico, porque requiere neutrones rápidos para fisionarse. Pero si se coloca torio-232 alrededor de un reactor nuclear, sus átomos absorberán los neutrones y, sin experimentar fisión alguna, se convertirán en átomos de uranio-233. Como el uranio-233 es un combustible práctico que se puede separar fácilmente del torio, el resultado es otra variedad del reactor generador, que convierte las reservas de torio en un combustible nuclear en potencia.

  Hasta que no se descubra otra manera de producir energía, el Uranio seguirá

La cantidad total de uranio y de torio que hay en la Tierra es unas 800 veces mayor que las reservas de uranio-235, lo que significa que el buen uso de los reactores generadores podría multiplicar por 800 la oferta potencial de energía extraída de plantas de fisión nuclear.

En este punto, sin dejar de elogiar la inteligencia del hombre que ha sabido encontrar la manera de transformar una materia inservible en otra practica, hay que decir que la energía de fisión nuclear genera también muchos problemas.

Como estará comprobando al lector de este trabajo, el autor ha querido esta vez diversificar los temas y plasmar una variedad múltiple que facilite el conocimiento de distintas cosas que ocurren en la naturaleza, o que la mano del hombre hace que ocurran, y todas estas cuestiones tratadas aquí van encaminadas a resolver preguntas que en alguna ocasión nos hemos podido hacer, tales como:

¿Por qué al calentar un metal se pone primero rojo, luego naranja, después amarillo, pero a continuación blanco en lugar de seguir el espectro y ponerse verde?

¿Y el color en las estrellas?

Cualquier objeto, a cualquier energía superior al cero absoluto, radia ondas electromagnéticas. Si su temperatura es muy baja, emite sólo ondas de radio largas, muy pobres en energías. Al aumentar la temperatura, radia una cantidad mayor de ondas, pero también empieza a radiar ondas de radio más cortas (y más energéticas). Si la temperatura sigue subiendo, empiezan a radiarse microondas aún más energéticas y después radiaciones infrarrojas.

Esto no quiere decir que a una temperatura dada sólo se emitan ondas de radio largas, un poco más arriba sólo ondas de radio cortas, luego sólo microondas y después sólo infrarrojos. En realidad, se emite toda la gama de radiaciones, pero siempre hay una radiación máxima, es decir, una gama de longitudes de onda que son las más radiadas, flanqueadas por cantidades menores en el lado de las energías bajas y por cantidades todavía más pequeñas en el de las altas.

Cuando un objeto alcanza la temperatura del cuerpo humano (37°C), el máximo de radiación se encuentra en los infrarrojos largos. El cuerpo humano también radia ondas de radio, pero las longitudes de ondas más cortas y más energéticas son siempre las más fáciles de detectar por ser los más potentes.

Cuando la temperatura alcanza aproximadamente los 600°C, el máximo de radiación se halla en el infrarrojo corto. Pero a estas alturas la pequeña cantidad de radiación que se halla en el lado de las energías altas adquiere una importancia especial, porque entra ya en la región de la luz visible roja. El objeto reluce entonces con un rojo intenso.

Este rojo constituye sólo un pequeño porcentaje de la radiación total, pero como da la casualidad de que nuestro ojo lo percibe, le otorgamos toda nuestra atención y decimos que el objeto está al “rojo vivo”.

Si la temperatura sigue subiendo, el máximo de radiación continúa desplazándose hacia las longitudes de ondas cortas y cada vez se emite más luz visible de longitudes cada vez menores. Aunque el objeto radia más luz roja, se van agregando poco a poco luz anaranjada y luz amarilla en cantidades menores pero significativas. Al llegar a los 1.000°C la mezcla de colores la percibimos como naranja, y a los 2.000°C como amarilla. Lo cual no significa que a los 1.000°C sólo se radie luz naranja y a los 2.000°C sólo se radie luz amarilla, porque si fuese así, habría efectivamente que esperar que lo siguiente fuese “color verde”. Lo que en realidad vemos son mezclas de colores.

Al llegar a los 6.000°C (la temperatura superficial del Sol), el máximo de radiación está en el amarillo visible y lo que llega a nuestros ojos son grandes cantidades de luz visible, desde el violeta hasta el rojo. La incidencia simultánea de toda la gama de luz visible sobre nuestra retina nos da la sensación de blanco, y de ahí el color del Sol.

Los objetos más calientes aún que el Sol radian todas las longitudes de ondas de luz visible y en cantidades todavía mayores, pero el máximo de radiación se desplaza al azul, de modo que la mezcla se desequilibra y el blanco adquiere un tinte azulado.

Toda esta travesía se produce para objetos calientes que emiten “espectros continuos”, es decir, que radian luz en la forma de una ancha banda de longitudes de ondas. Ciertas sustancias en condiciones adecuadas, radian sólo luz de determinadas longitudes de onda. El nitrato de bario radia luz verde cuando se calienta, y con ese fin se lo utiliza en los fuegos de artificio,  “calor verde”, podríamos decir.

                            Nitrato de Bario que produce el color verde en los bonitos fuegos artificiales

¡Qué bonito es saber! Ya me gustaría.

En alguna ocasión todos hemos oído mencionar la palabra “gases nobles”, y sin embargo no siempre sabemos lo que son y el por qué le llaman así. Los elementos que reaccionan difícilmente o que no reaccionan en absoluto con otros elementos se denominan “inertes”. El nitrógeno y el platino son ejemplos de elementos inertes.

En la última década del siglo pasado se descubrieron en la atmósfera una serie de gases que no parecían intervenir en ninguna reacción química.  Estos nuevos gases (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón) son más inertes que cualquier otro elemento y se agrupan bajo el nombre de gases inertes.

Los elementos inertes reciben a veces el calificativo de “nobles” porque esa resistencia a reaccionar con otros elementos recordaba un poco a la altanería de la aristocracia. El oro y el platino son ejemplos de “metales nobles”, y por la misma razón se llaman a veces “gases nobles” a los gases inertes. Hasta 1.962, el nombre más común era el de gases inertes, quizá porque lo de nobles parecía poco apropiados en sociedades democráticas.

La razón de que los gases inertes sean inertes es que el conjunto de electrones de cada uno de sus átomos está distribuido en capas especialmente estables. La más exterior, en concreto, tiene 8 electrones. Así la distribución electrónica del neón es (2,8) y la del argón (2,8,8). Como la adición o sustracción de electrones rompe esta distribución estable, no pueden producirse cambios electrónicos. Lo cual significa que no pueden producirse reacciones químicas y que estos elementos son inertes.

Ahora bien, el grado de inercia depende de la fuerza con que el núcleo, cargado positivamente y situado en el centro del átomo sujeta a los 8 electrones de la capa exterior. Cuantas más capas electrónicas haya entre la exterior y el centro, más débil será la atracción del núcleo central sobre los electrones de esa última capa de electrones.

El Radón es un gas radiactivo de origen natural procedente de la desintegración radiactiva de pequeñas cantidades de uranio presentes en rocas y suelo, es el responsable de miles de muertes por cáncer de pulmón en Europa cada año. El gas se filtra en los edificios a través del suelo y de los sótanos, puede acumularse llegando a niveles elevados, especialmente en espacios cerrados y poco ventilados.

Quiere esto decir que el gas inerte más complejo es también el menos inerte. El gas inerte de estructura atómica más complicada es el radón. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2,8,18,32,18,8). El radón, sin embargo está sólo constituido por isótopos radiactivos y es un elemento con el que difícilmente se pueden hacer experimentos químicos. El siguiente en orden de complejidad es el xenón, que es estable. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2,8,18,18,8).

Se sabe desde hace décadas que la abundancia en la Tierra del xenón es menor de lo que debería ser según las proporciones observadas del resto de gases nobles. Las abundancias de estos gases se usan por los geoquímicos para evaluar y datar los principales procesos terrestres, incluyendo la formación de la atmósfera. Para poder hacerlo parten de una hipótesis básica: que los gases nobles son inertes en toda circunstancia. Un trabajo realizado por Gary Schrobilgen y David Brock, de la Universidad McMaster (Canadá), cuyos resultados se publican en el Journal of the American Chemical Society explica la baja abundancia del xenón y pone en evidencia que el xenón no es tan noble como se suponía.

Los electrones más exteriores de los átomos de xenón y radón están bastante alejados del núcleo y, por consiguiente, muy sueltos. En presencia de átomos que tienen una gran apetencia de electrones, son cedidos rápidamente. El átomo con mayor apetencia de electrones es el flúor, y así fue como en 1.962 el químico canadiense Neil Bartlett consiguió formar compuestos de xenón y flúor.

Desde entonces se han conseguido formar también compuestos de radón y kriptón. Por eso los químicos rehúyen el nombre de gases inertes, porque a fin de cuentas, esos gases no son completamente inertes. Hoy día se ha impuesto la denominación de “gases nobles”, y existe toda una rama de la química que se ocupa de los “compuestos de gases nobles”.

Naturalmente, cuanto más pequeño es el átomo de un gas noble, más inerte es, y no se ha encontrado nada que sea capaz de arrancarles algún electrón. El argón, cuya distribución electrónica es de 2,8,8 y el neón, con 2,8 electrones respectivamente, sigue siendo completamente inerte. Y el más inerte de todos es el helio, cuyos átomos contienen una sola capa electrónica con dos electrones (que es lo máximo que puede alojar esta primera capa) que al estar en la primera linea cerca del núcleo positivo, están fuertemente atraídos al tener su carga eléctrica el signo negativo.

Para finalizar diré que los gases nobles (gases inertes, gases raros) están clasificados en el grupo 18 (antiguamente 0) de la Tabla periódica de los elementos y se definen por símbolos que responden a: helio (He), neón  (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y radón (Rn).

Ya se dijo antes la configuración electrónica de cada uno de ellos y todas las capas internas están completamente ocupadas, lo que hace que estos elementos, por tanto, constituyan la terminación de un periodo y posean configuración de capa completa, por lo que sus energías de ionización son muy elevadas y su reactividad química escasa.

Como son monoatómicos, las moléculas de los gases nobles poseen simetría esférica, y las fuerzas intermoleculares son muy débiles, por lo que sus entalpías de vaporización son muy bajas.

Con todo lo anteriormente expuesto sobre los gases nobles, espero que el lector del trabajo aquí reflejado pueda tener una idea más amplia y un conocimiento más certero sobre lo que en realidad son los denominados como “gases nobles”.

En comparación con la inmensidad del universo, nos queda aún muchísimo que aprender. Si nos limitamos a nuestro entorno más cercano, la Tierra, ¿Cómo hemos podido llegar tan lejos?

¡La curiosidad! y ¡La necesidad! ¡El Instinto! y ¡La Evolución! Todo ello, amigos míos, nos lleva a querer saber y, para ello, debemos desvelar los secretos de la Naturaleza,  que por cierto, no resulta nada fácil.  Llevamos miles de años intentando comprender y, de momento, sólo sabemos… ¡Algunas cosas!

Emilio Silvera V.

Fuente: Variada y destacando, Cien preguntas básicas sobre ciencia de Asimov.

  Carnaval de Física

                    Richard Feynman

Alguna vez hemos hablado aquí de Nanotecnología pero, pocos saben que sus comienzos se remontan a 1959 cuando el físico y premio Nobel Richard Feynman pronunció en el Instituto de Tecnología de California su ahora famoso discurso (en el ámbito de la Física). Feynman trató en su conferencia del problema de la manipulación individual de objetos tan pequeños como átomos y moléculas y de las múltiples oportunidades tecnológicas que ofrecería dicha manipulación.

A él le hubiera gustado conocer la realidad actual sobre todo lo que vaticinó en aquella conferencia, ya que, al haberse cumplido todos sus pronósticos, estaría satisfecho al ver que llevaba razón y sus ideas estaban bien encaminadas. La Nanociencia y la Nanotecnología son hoy un conjunto de conocimientos teóricos y prácticos que permiten determinar como se comporta el denominado nano-mundo (el ámbito en el que el tamaño de los objetos tienen entre 1 y 100 nm). A partir de estos conocimientos se están haciendo continuamente interesantes y arriesgadas apuestas sobre nuevos procedimientos.

Pero los seres humanos no somos los primeros nano-tecnólogos. Ese honor le corresponde a cualquier célula, sea esta una bacteria, un protozoo o un fibroblasto. Las células están continuamente realizando procesos nanotecnológicos para mantenerse vivas. Como siempre, los seres humanos estamos aprendiendo a copiar procesos que se llevan a cabo en la Naturaleza con la esperanza de mejorarlos y beneficiarnos de ellos.

La elaboración de materiales nanoestructurados tridimensionales – aquellos que tienen formas distintivas y estructuras a escalas de unas pocas millonésimas de un metro – se ha convertido en un área fértil de investigación, produciendo materiales útiles para dispositivos biomédicos, fotónica y electrónica.

Sin embargo, los métodos de elaboración de materiales han estado limitados en la complejidad 3D que pueden producir. Ahora, un equipo del MIT ha encontrado una manera para producir estructuras más complicadas utilizando una mezcla de enfoques Top-down y Bottom-up.

En aquel discurso de Feynman, no se pronunció, sin embargo, la palabra Nanotecnología. Dicho término no fue acuñado hasta 1974 por el profesor N. Taniguchi de la Universidad de las Ciencias de Tokio en un artículo titulado “On the Basic Concept of ´Nanotecnolgy´”. Se presentó en una conferencia de la Sociedad Japonesa de Ingenieria de Precisión. En este contexto, la Nanotecnología se presenta como la tecnología que nos permite separar, consolidar y deformar materiales átomo a átomo o molécula a molécula.

En la Nanotecnología suelen intervenir Ingenieros, Físicos, Químicos, Bioquímicos, Biólogos, Médicos y perfiles de todos aquellos campos dónde la nanotecnología tiene aplicación. La nanotecnología es un sector transversal. Un campo de las ciencias aplicadas a tecnologías que pueden ayudar a optimizar la cadena de valor de cualquier proceso de producción, permitiendo implementar el ratio de competitividad de las empresa. Es tecnología punta y, va estando presente en infinidad de máquinas y sofisticados aparatos que, tanto en la Tierra con el en Espacio, llevan a cabo cometidos de todo tipo con una garantía y seguridad que antes era imposible obtener.

Aquellas semillas sembradas por Feynman y regadas por Taniguchi, empezaron a germinar cuando E. Drexter publicó su libro titulado “Engines of Creation” en el que describe como será viable construir desde ordenadores hasta maquinaria pesada, ensamblando molécula a molécula, ladrillo a ladrillo, mediante nano-robots ensambladores, que funcionarán de un modo parecido a como lo hacen los ribosomas y otros agregados moleculares en las células de nuestro cuerpo (siempre copiando a la Naturaleza). Este conjunto de ideas -1960-1990-, han sido el punto de arranque de lo que hoy en día conocemos por Nanotecnología, el bagaje creciente de conocimientos teórico-prácticos que nos permitirán dominar la materia en la región de dimensiones comprendidas entre 1 y 100 nm, y que denominamos nano-escala que es el ámbito de la Nanotecnología y la Nanociencia.

Si vamos ya a ejemplos concretos de interrelaciones entre estas tecnologías en desarrollo encontraremos una importante cantidad de trabajo dirigido al área de la salud, por ejemplo en el campo de los biosensores y técnicas de diagnóstico, en donde se unen principalmente herramientas nano y bio, siempre apoyadas por la tecnología de la información. Así mismo, aparecen los proyectos dirigidos a desarrollar tratamientos médicos localizados o al transporte y suministro local de fármacos. También en el campo de la salud, una imprescindible sinergia está ya establecida entre la bio y la info en lo que se llama la bioinformática, que permite por ejemplo diseñar fármacos computacionalmente, desarrollar terapias génicas o la ingeniería genética en los cultivos. Sobre las ciencias cognitivas, sus aplicaciones e interacciones con las otras tecnologías, también encontramos importantísimas áreas de trabajo ya en marcha, como es el caso del desarrollo de órganos artificiales o prótesis inteligentes, combinando los conocimientos de neurociencia, principalmente con tecnologías de la información y bio, y en muchos casos, con el área de nuevos materiales desarrollados gracias a la nanotecnología. De manera general, para entender mejor el funcionamiento del cerebro (ciencias cognitivas), tendremos que apoyarnos fuertemente en las herramientas que nos brinda la biotecnología y la tecnología de la información, que, a su vez aprovechará las conclusiones que se vayan obteniendo para proponer nuevas aplicaciones.

Claro que, trabajar con objetos tan pequeños entraña una gran dificultad, y de hecho fue prácticamente imposible hasta que se desarrollaron los microscopios de campo cercano (SPMs) a partir del miscroscopio de Efecto Túnel (STM que fue inventado por H. Rohrer y G. Binning a principio de la década de los 80, contribución por la que recibieron el premio Nobel en 1986. Las herramientas SPM permiten no sólo la visualización, sino también la manipulación de objetos de dimensiones nanométricas y de muy distinta naturaleza.

Aventurarse a predecir futuras aplicaciones del conocimiento científico siempre resulta una tarea arriesgada, y con más razón cuando se trata de un conocimiento tan joven como la Nanociencia. No obstante, a la luz del camino ya recorrido es posible adivinar algunas de las implicaciones futuras de este conocimiento. Los campos científicos y tecnológicos que podrían beneficiarse a medio o largo plazo son muchos y variados.

Sin ánimo de ser exhaustivos, podemos destacar algunas de las ramas del saber y de la técnica que pueden aplicar la Nanotecnología en un futuro no demasiado lejano.

                                          Nanomateriales

A medio plazo podemos destacar las siguientes mejoras:

– Televisores y pantallas para presentar información. Se pretende aumentar el área útil de estos dispositivos, mejorando el brillo de los actuales TFT. Nano-cristales de seleniuro de cinc o de sulfuro de cadmio con candidatos muy prometedores que, además, permitirían reducir el consumo energético.

– Aditivos en aditivos: Se ha comprobado que las nanopartículas de óxido de cerio permiten reducir el gasto de diésel.

– Baterías diésel: para la necesidad de aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de las baterías que se utilizan en dispositivos móviles (ordenadores portátiles, teléfonos). Se ha comprobado que los nano-cristales sintetizados por técnicas sol-gel mejorar dicha capacidad debida a su estructura aerogel.

– Catálisis: La eficacia de este proceso depende fundamentalmente del área, y la razón área/volumen es mayor en partículas de pequeño tamaño.

        Nanomateriales aplicados a dispositivos electrónicos y los tres tipos de geometrías de nanotubos de carbono

Las aplicaciones a largo plazo podrían ser:

• Composites de nanotubos de carbón, que deberían presentar unas excepcionales propiedades mecánicas (alta resistencia y poco peso).
• Lubruicantes: Se pretenden utilizar nano-esferas de materiales inorgánicos que actúen como pequeños rodamientos, reduciendo el desgaste de superficies sometidas a grandes tensiones mecánicas.

• Materiales magnéticos: Los nano-cristales de ytrio-samario-cobalto presentan grandes campos coercitivos. Su uso mejoraría las prestaciones de ciertos instrumentos como aquellos utilizados en Resonancia Magnética Nuclear. Asimismo, podrían mejorar la capacidad de almacenamiento de información de los discos duros empleados por los ordenadores.

Electrónica

• Miniaturización de circuitos integrados: Esta objetivo sigue siendo esencial para el desarrollo de la electrónica tal y como la conocemos hoy día. Se cree que la tecnología de 22 nm estará disponible en unos 10 años.
• Cristales fotónicos, con mejores rendimientos para focalizar haces de luz, mejorando la eficiencia de las guías de luz. Por ejemplo, un típico cristal fotónico podría estar basado en redes de agujeros realizados en un dieléctrico, cada uno fabricado con una precisión inferior a los 10 nm. Las imperfecciones deben ser necesariamente pequeñas porque en caso contrario se degradan las bandas prohibidas de estos dispositivos.
• Computación Cuántica y criptografía cuántica: Los puntos cuánticos basados en semiconductores son candidatos ideales para fabricar dispositivos que permitan aplicar todas las teorías que ya existen sobre computación y criptografía cuánticas.
• Sensores: El sensor ideal es aquel de pequeño tamaño que resulte mínimamente invasivo. Para fabricar un dispositivo de 1 mm2 que contenga una fuente de alimentación, el sensor y el transmisor de la señal es indudable que se requiere una alta miniaturización.

        Diferentes geometrías de cristales fotónicos

Biotecnología

• Nano-farmacología: El transporte de los fármacos a los lugares específicos del cuerpo donde son necesarios reduce la necesidad de ingesta alta dosis de los mismos y mejora su eficacia. Así, se especula que los nano-cristales de plata podrían liberar iones de plata durante un largo intervalo de tiempo, actuando sobre un espectro de unos 150 agentes patógenos.
• Nanosensores: Al disminuir su tamaño resultan menos invasivos y por tanto más beneficiosos para el diagnóstico médico.
• ADN: Sus propiedades de carácter semiconductor cuando se ha eliminado el agua son muy prometedoras para su uso como nano-hilos. Además, tiene unas cualidades muy atractivas para su aplicación en nanoelectrónica por su capacidad para auto-ensamblarse y duplicarse. Se alcanzaría así el objetivo de conseguir circuitos electrónicos con capacidad para auto-repararse.

     Molécula de ADN

Todos estos conocimientos generados han desembocado en la puesta a punto de diferentes iniciativas (programas de investigación, nuevos centros y equipamientos, proyectos futuristas, ingenios espaciales, óptica, medicina, ingeniería, fotónica, computación, robótica, etc. Y, pocas dudas nos pueden caber a estas alturas de que, todo este nuevo “universo” de lo NANO, desembocará en un nuevo mundo de tecnología muy tangible y real en nuestro futuro próximo. La gran belleza de estos experimentos y nuevas técnicas, junto a las enormes e ilimitadas expectativas que de ellos se generan han conducido a la proliferación del prefijo “nano” (no pocas veces un tanto abusiva y con el simple objetivo de revalorizar el producto o la línea de investigación). Así podemos oir hablar de disciplinas como nanoquímica, nanoelectrónica, nano-fotónica, nanomedicina o nano-biotecnología; o de objetos tales como nanopartículas, nanotubos, nano-imanes o nanomotores. Es decir, el colocar el prefijo “nano” delante de una palabra determinada nos indica que ese campo se va estudiar enfatizando aquellos aspectos del mismos relacionados con la nano-escala.

Los más fiables y sofisticados aparatos son empleados hoy para desarrollar estas tecnologías que, si buscamos un símil sencillo, el fundamento en que se baza gran parte de la tecnología actual se asemeja al trabajo realizado por un escultor, que cincela, pule y modela un bloque de material para obtener un objeto más pequeño con la forma deseada. Puesto que cada vez son más necesarias tecnologías de fabricación más precisas, es importante disponer de tamños de “cincel” cada vez más pequeños y, también, más precisos. Este planteamiento es conocido como tecnología de fabricación descendente o “top-down” (arriba y abajo, el nombre de los quarks que conforman a los protones y neutrones).

Se están consiguiendo maravillas en el campo de la electrónica molecular. El potencial de las moléculas como componentes electrónicos manométricos. Variando la estructura de moléculas especialmente diseñadas que contienen átomos de metales de transición, como el cobalto en un caso y un par de átomos de vanadio en el otro ,se consigue obtener las características similares a de un transistor y establecer un flujo de corriente a través de un estado cuántico. El siguiente dibujo es una representación de un complejo cobalto-terpiridinil (cobalt-terpyridinyl) (a la izquierda) y de una molécula di vanadio(a la derecha) unidas ambas a electrodos de oro.

El “universo” de lo muy pequeño, nos tiene deparadas grandes sorpresas

Investigadores de la universidad de Cornell y de la universidad de Harvard informaron sobre el desarrollo de este sistema de un solo átomo del cobalto en un caso y dos átomos del vanadio en el otro. Todo una hazaña increíblemente difícil de realizar, construir estos circuitos requirió la fabricación de “moléculas diseñadas” integradas por varios átomos dispuestos a modo de andamio en donde los átomos de cobalto o de vanadio se ubican en forma central.

Una pequeña molécula de 1 a 2 nm(nanómetro) de longitud se une a dos electrodos de oro, los cuales se depositan en una superficie de oxido de silicio. Infinidad de experimentos y funciones son objetos de los más variados proyectos

La Electrónica se hace molecular y la molécula Memoria

Por ejejmplo, una punta de cobalto sobre un colorante azul finamente fijada en una isla de cobalto emplatada en una base de cobre. Parece una receta de cocina de vanguardia, pero no, es molectrónica, electrónica molecular nanométrica. Un equipo de instituto tecnológico de Karlsruhe ha conseguido un detector magnético de un nanómetro de diámetro, basado en una molécula orgánica común (el azul de los bolis) y un fenómeno mecanocuántico la magnetorresistencia gigante. Rico, rico, veamos el sencillo fundamento.

Magnetorresistencia gigante mediante una única molécula de H2  ftalocianina. Electrónica molecular de espín. Representación del dispositivo compuesto por una isla base de cobalto sobre la que se deposita una sola molécula de ftalocianina, la punta a escala atómica de cobalto. La escala del dispositivo es realmente sorprendente, el diámetro de la molécula orgánica es de 0.6 nm de diámetro y la fila de diez átomos de cobalto (Co) es de unos 1.5 nm. De longitud.

La magnetoresistencia es la variación de la resistencia que ofrece un material cuando se aplica sobre él un campo magnético. La magnetorresistencia gigante es un fenómeno cuántico, a escalas pequeñas, se da en estructuras de finísimas capas ferromagnéticas separadas por un espaciador no magnético, un sandwich donde el pan conduce y la mortadela no. Cuando se aplica un campo magnético externo disminuye muchísimo la resistencia eléctrica al alinearse los espines de los electrones de todas las capas.

La idea que subyace es utilizar la simple química de moléculas orgánicas comunes, como la utilizada en la tinta azul de los bolis y unirla a su peculiar física cuando se depositan como una capa monoatómica entre dos sustratos ferromagnéticos. Se aúna electrónica molecular, con la electrónica de espín ‘espintrónica’. Son las moléculas de hidrógeno ftalocianina las que actuarán como transistores, resistencias y unidades del circuito electrónico.

Científicos en Suiza han logrado visualizar hace una semanas los átomos que forman la molécula del pentaceno, representando un hito en el ámbito de la nanotecnología y la electrónica molecular. La molécula es el pentaceno (C22H14), consistente en cinco anillos de benceno enlazados formando una cadena aromática, que es candidato a ser utilizada en nuevos semiconductores orgánicos.

Investigadores europeos informaron en el Internacional Solid-State Circuits Conference de San Francisco, California, el desarrollo del primer microprocesador flexible orgánico. Los investigadores, especialistas en polímeros y electrónica molecular, son del Imec, un centro de investigación de nanotecnología de Bélgica.

El mayor escollo para desarrollar esta tecnología, según el leader del equipo de investigadores, Jan Genoe, fue encontrar la forma de controlar los transistores orgánicos, pues cuando se habla de estructura, el silicio es mejor que las alternativas orgánicas pues su estructura monocristalina permite una reacción más consistente.

El costo de estos tipos de procesadores es mucho más baratos que los de silicio. Más o menos costaría producirlos solo el 10 % de lo que cuesta producir uno de silicio.

Según la fuente, este descubrimiento puede ser el inicio de un montón de aplicaciones que van desde poder registrar la presión del agua, cuando se lo coloca alrededor de una caño, hasta empaquetar alimentos y drogas de farmacia, ya que podría indicar el estado de la comida y avisar cuando nos olvidamos de tomar una medicina.

Fullereno C₅₄₀.

Ampliamente hemos hablado aquí de los fullerenos y Nanotubos de carbono, Grafeno, Nano-hilos y Nanopartículas y seguiremos hablando en el futuro, todos estos vocablos y palabras nuevas son las que están describiendo las tecnologías que nos llevarán hacia adelante y, si queremos estar al día, si deseamos no quedarnos atrás, debemos estar pendientes de todo lo que se mueva en ese “nuevo” campo de la Ciencia que, de seguro, nos dará muchas alegrías.

¿Hasta dónde podremos llegar?

¿Qué límite nos impondrá la Naturaleza?

O, al ser también nosotros parte de ella, nos dejará acercarnos tanto que, podremos, finalmente, confundirnos con ella al llegar a entenderla tan profundamente que, nada se interpone para que, nos podamos fusionar en un abrazo final cuando, llegado el momento y, convertidos en pura luz de energía infinita, podamos vagar por las estrellas del Universo siendo parte, una importante parte, de todo ese complejo conglomerado que llamamos Universo.

Emilio Silvera V.