viernes 22 de enero de 2021

Formadas por átomos de carbono, iguales una pelota de fútbol Nº 5, pero su diámetro es mil millones de veces más chico.
Sociedad

Física: mecánica cuántica y el mínimo ámbito de los electrones

Gran parte de la tecnología que usamos a diario está basada en propiedades cuánticas de los materiales. Veamos algunos descubrimientos y avances.

  • viernes, 6 de noviembre de 2020
Formadas por átomos de carbono, iguales una pelota de fútbol Nº 5, pero su diámetro es mil millones de veces más chico.

Según las leyes de la mecánica cuántica, establecidas a principios del siglo pasado, un electrón puede comportarse como partícula o como onda, según las condiciones del experimento. Ésta es una propiedad muy anti-intuitiva pero que fue verificada por numerosos experimentos.

En un material en el que los electrones están restringidos a moverse en una zona pequeña del espacio, podemos observar su característica ondulatoria. Para definir precisamente “pequeño”, debemos comparar el tamaño del sistema al de la longitud de la onda del electrón (la distancia entre dos máximos de la onda). Tamaños típicos van desde el micrón al nanómetro (o sea, desde una milésima de milímetro, a una millonésima).

En 1913, el físico danés Niels Bohr descubrió que, en un átomo, se dan estas condiciones y los electrones se describen como “funciones de onda” alrededor de los núcleos. Sus energías están “cuantizadas”, o sea que tienen valores definidos y no pueden tomar cualquier valor. Más recientemente, hace algunas décadas, avances importantes en la tecnología (que dio lugar a lo que hoy llamamos la nanotecnología) permitieron fabricar sistemas artificiales en los que los electrones se encuentran aislados y en los que se observan claramente las propiedades cuánticas.

Podemos mencionar, por ejemplo, los pozos cuánticos en materiales semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs) en donde los electrones se mueven en un plano (y no en tres dimensiones como en los materiales usuales). Este desarrollo dio lugar a cuatro premios Nobel: Esaki en 1973 por el diodo túnel; von Klitzing en 1985 por el efecto Hall cuántico; Laughlin, St rmer y Tsui en 1998 por observar cargas eléctricas fraccionarias (o sea con valores que son una fracción de la carga eléctrica del electrón) y Alferov y Krömer en 2000, por usarlos en optoelectrónica.

Más adelante, en 2004, los físicos Geim y Novoselov lograron aislar y caracterizar otro material, que llamaron grafeno, lo que les valió el premio Nobel en 2010. Este material está constituido por átomos de carbono puro que forman una estructura bidimensional (láminas) con forma de panal de abejas (ver figura en donde los átomos de carbono se encuentran en cada vértice de los hexágonos). Debido a sus propiedades eléctricas y mecánicas, este material tiene múltiples aplicaciones en electrónica, paneles solares, LEDs y pantallas táctiles, entre otras. El grafito de los lápices está formado por millones de estas láminas encimadas, débilmente acopladas y que se pueden mover fácilmente una respecto de la otra.

Con este mismo material se pueden fabricar alambres cuánticos, ¡enrollando las láminas monoatómicas de grafeno y uniendo los bordes por ligaduras químicas! Son los llamados nanotubos de carbono y fueron descubiertos por Ijima en 1991 en Japón. El diámetro de estos alambres varía entre 1 y 100 nanómetros (nm), algo así como 1.000 veces más pequeño que un cabello humano, y su largo tiene aproximadamente 100 micrones (0,1 mm). Sus propiedades son fascinantes. Dependiendo de cómo se enrollen, por ejemplo, en forma de zigzag o sillón, y del diámetro de los tubos, podemos fabricar alambres semiconductores o conductores de electricidad y, en consecuencia, usarlos para diferentes propósitos. En estos alambres los electrones están aislados (prácticamente) en una dimensión y pueden transportar densidades muy altas de corriente, varios órdenes de magnitud mayor que la transportada por los conocidos alambres de cobre, por lo que se está estudiando su potencial aplicación para micro-circuitos electrónicos con nanodiodos y nanotransistores.

Otras macromoléculas relacionadas, también formadas puramente por átomos de carbono, son las llamadas “fullerenos”. ¡Son exactamente iguales a una pelota de fútbol número 5 pero con un diámetro unos mil millones de veces más chico! Como se ve en la figura, esta molécula tiene la misma cantidad de hexágonos (20) y de pentágonos (12) que la pelota de fútbol y está conformada por 60 átomos de carbono localizados en los vértices. Esta molécula fue descubierta por Curl, Smalley y Kroto, y eso les valió el Premio Nobel de Química en 1996.

En resumen, es interesante notar cómo el orden de los átomos en un material, llamado el orden cristalino (así como el tipo de unión química entre los átomos constituyentes), puede determinar las características de ese material. Por ejemplo, todos sabemos que el diamante es un material formado puramente por átomos de carbono (ubicados en una red tridimensional con un orden determinado) y constituye el material natural de mayor dureza y conductividad térmica con múltiples aplicaciones, además de su belleza. Pero acabamos de ver que si ordenamos estos átomos de carbono de otras formas (panales de abeja como en el grafeno, láminas de grafeno enrolladas como los nanotubos o esferas como las nanopelotas de fútbol), los materiales tienen propiedades totalmente diferentes. ¡Y todo esto se debe al comportamiento cuántico de los electrones!

*Edición y producción: Miguel Títiro.


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