sábado, 29 de junio de 2013

Esclarecen cómo se disipa el calor en dispositivos nanotecnológicos

Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid y de la Universidad de Michigan (EEUU) han logrado establecer los principios fundamentales que gobiernan la disipación de calor en los circuitos eléctricos de tamaño atómico. El descubrimiento abre la puerta a la posibilidad de superar uno de los grandes retos actuales de la nanociencia: la refrigiración in situ de circuitos compuestos por átomos y moléculas individuales.


La fabricación de circuitos compuestos por átomos y moléculas individuales –el objetivo final de la miniaturización de los circuitos eléctricos– es una realidad reciente. Sin embargo, hasta el momento su diseño tan sólo se lleva a cabo en laboratorios de investigación, ya que el desconocimiento de cómo se disipa el calor en ellos supone un obstáculo para su implementación en aplicaciones tecnológicas.


En un artículo publicado esta semana en la revista Nature, Juan Carlos Cuevas y Linda Angela Zotti, investigadores del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), han contribuido a esclarecer, junto a científicos de la Universidad de Michigan (EEUU), el enigma de la disipación del calor en circuitos eléctricos de tamaño atómico.

Según constata el artículo, los investigadores utilizaron nuevos termómetros a escala nanométrica para medir la cantidad de calor disipado en una serie de nanocircuitos formados por átomos y moléculas individuales.

Los científicos además pudieron identificar cómo y donde se producía el fenómeno. “Con el desarrollo de una teoría cuántica de la conducción térmica —explica Cuevas—fue posible establecer que el lugar en el que se disipa el calor viene determinado por la estructura electrónica de los átomos y las moléculas que componen estos circuitos”. 

Según expresan los investigadores de la UAM, “este descubrimiento permitirá comprender cómo se disipa el calor en numerosos dispositivos de tamaño nanométrico que deben constituir la base de la futura nanoelectrónica".

"Por otro lado –añaden– este trabajo abre la puerta a la posibilidad de usar circuitos atómicos o moleculares para refrigerar in situ nanodispositivos, en estos momentos uno de los grandes retos de la nanociencia”.

Compuestos avanzados de fibra de carbono: Coches, trenes y aviones más ligeros, robustos y veloces

En los últimos años, se han usado compuestos avanzados de fibra de carbono para aligerar el peso de los aviones. Estos materiales pueden igualar al aluminio y al titanio en fortaleza, pero con una fracción del peso de estos, y están presentes en aviones como el Boeing 787 y el Airbus A380, reduciendo el peso de estos en un 20 por ciento.

Para la próxima generación de aviones comerciales a reacción, los investigadores están buscando materiales aún más fuertes y ligeros, como por ejemplo los compuestos hechos con fibras de carbono recubiertas con nanotubos de carbono (tubos diminutos de carbono cristalino). Cuando se les coloca en determinadas configuraciones, los nanotubos pueden ser cientos de veces más fuertes que el acero, pero con una sexta parte del peso de éste, lo cual hace que estos compuestos sean atractivos para su uso en aviones, automóviles, trenes, y naves espaciales.

Sin embargo, existe a escala nanométrica un obstáculo importante para fabricar en cantidades industriales dichos compuestos: Los científicos que han tratado de hacer crecer nanotubos de carbono sobre fibras de carbono han encontrado que, al hacerlo, se degradan significativamente las fibras subyacentes, despojándolas de su fuerza inherente.


El efecto fotoeléctrico

A finales del siglo XIX se sabía experimentalmente que cuando un haz de luz (en la región visible o ultravioleta del espectro) incidía sobre una superficie metálica, dicha superficie emitía electrones en un proceso conocido comoefecto fotoeléctrico. A los electrones emitidos se les llama fotoelectrones. Hertz fue el primer científico en observar este fenómeno en 1887.



El fenómeno en sí no sorprendía a los científicos, puesto que si la luz es radiación electromagnética, es natural que el campo electromagnético generado por la onda luminosa ejerza una fuerza sobre los electrones del metal provocando el desprendimiento de alguno de ellos. Lo realmente misterioso de este fenómeno fue descubrir que la Energía Cinética (K) del electrón emitido era independiente de la intensidad de la luz, pero dependía de la frecuencia, aumentando linealmente con ella. Con la física clásica conocida entonces, no podía explicarse este fenómeno. 

Movimientos moleculares que desafían las leyes de la física clásica

Una nueva investigación ha mostrado que el movimiento de una molécula de pirrol, de forma similar a un anillo, sobre una superficie metálica, va en contra de las leyes de la física "clásica" que gobiernan nuestro mundo cotidiano.

Usando técnicas experimentales singularmente sensibles, unos científicos han descubierto que las leyes de la física cuántica, que mayormente se pensaba que actuaban sólo a escala subatómica, en realidad pueden actuar a escala molecular. 

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, y la Universidad Rutgers de Nueva Jersey en Estados Unidos, han obtenido evidencias de que, en el caso del pirrol, las leyes cuánticas que afectan los movimientos internos de la molécula, modifican la naturaleza de su mapa energético. Así pues, este "movimiento cuántico" es esencial para comprender en su totalidad la distribución energética de la molécula completa.

Basándose en experimentos llevados a cabo por Barbara Lechner en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, con el objetivo de determinar la energía requerida para el movimiento del pirrol por una superficie de cobre, el equipo descubrió una discrepancia que los condujo por una "pista cuántica" hasta un hallazgo inusual.

En un trabajo previo con moléculas más simples, los científicos pudieron calcular con precisión la "barrera de activación" (la energía necesaria para romper el enlace de una molécula con una superficie y permitir que se mueva).

Sorprendentemente, las "barreras de activación" predichas para el pirrol resultaron no concordar con otros datos. Después de darle muchas vueltas al enigma, sin encontrar ningún error, los científicos comenzaron a considerar el posible papel de un fenómeno exclusivamente cuántico, la Energía del Punto Cero.

F2-Capítulo 5 - Temperatura y calor

https://docs.google.com/file/d/0B5WIZ3hXaw7gdmp0aVpHcklFdEE/edit?usp=sharing

F2-Capítulo 4 - Fluidos

https://docs.google.com/file/d/0B5WIZ3hXaw7gMFZRTXhqYnRHQVU/edit?usp=sharing

F2-Capítulo 3 - Ondas


https://docs.google.com/file/d/0B5WIZ3hXaw7geDVMNUpYOUNpWGM/edit?usp=sharing

F2-Capítulo 2 - Movimiento Armonico Simple

https://docs.google.com/file/d/0B5WIZ3hXaw7gbjVSX2xtRlJuZjQ/edit?usp=sharing

F2-Capítulo 1 - Elasticidad

https://docs.google.com/file/d/0B5WIZ3hXaw7gNjJoWDVjWFdNU3c/edit?usp=sharing