Física del siglo XX – (11)

Repaso de las tecnologías de la física. Física del estado sólido. Memoria atómica y nuevos materiales y estados de la materia. Plasma, cuasicristales y microagregados.

El siglo XX y lo que va del XXI alojaron una expansión sin precedentes de las tecnologías de la Física, y ella transformó profundamente a las sociedades modernas. Antes de 1900, por supuesto, ya había unas pocas tecnologías que mejoraron importantemente la condición de vida de las gentes y las posibilidades industriales y militares. Los relojes, la imprenta, la pólvora, la máquina de vapor y el ferrocarril, el telar automático, el telégrafo, la máquina de escribir, el alumbrado eléctrico, los ascensores y escaleras mecánicas, el submarino, el automóvil, la máquina de coser, el cierre de cremallera, el frigorífico, los rayos X, el fonógrafo, la fotografía y el cine son todas tecnologías anteriores a 1900, y sin duda hicieron su impacto, pero nada es comparable a la eclosión tecnológica del siglo XX, y aunque las tecnologías de base química y biológica también transformaron y siguen transformando el mundo en que vivimos, son las tecnologías de la Física las más presentes y variadas en nuestro mundo actual.

El aeroplano, la radio, la televisión, el radar y el sonar, las computadoras electrónicas, los cohetes y los satélites artificiales, la fotografía a colores y la nueva fotografía digital, la Internet, la holografía, la criogenia y la superconductividad, los aceleradores de partículas y la energía atómica, el bolígrafo, las células fotoeléctricas, el café instantáneo, el aire acondicionado, la lámpara de neón, el electrocardiógrafo y el electroencefalógrafo, el limpiaparabrisas, las hojillas de afeitar desechables, el tractor, el Hovercraft, el helicóptero, la lavadora, el horno de microondas, el tanque de guerra, los aerosoles, el radiotelescopio y el telescopio espacial, el vidrio Polaroid, el motor a reacción, los relojes atómicos, el máser y el láser, el transistor, el reloj digital, el disco óptico, los LEDs (Light Emitting Diodes), los cajeros automáticos, las pantallas de cristales líquidos, las calculadoras de bolsillo y los iPods, el microscopio electrónico, la tomografía axial computarizada, la resonancia magnética nuclear y la ecosonografía, el teléfono celular, las videograbadoras, los sistemas GPS (Global Positioning System), el corazón artificial, el domo geodésico, el Velcro, la tostadora automática, el esquí acuático, el estabilizador giroscópico, la aspiradora, la subametralladora Thompson y el silenciador de armas de fuego, la cosechadora de algodón, las curitas, la fibra óptica, el Aqua-Lung, integran todos una lista más numerosa de invenciones que surgieron en los últimos cien años. Y esto sin mencionar las tecnologías químicas—la inmensa variedad de plásticos, por ejemplo—ni las biológicas o bioquímicas, como identificación del ADN o la ingeniería genética.

Es, por tanto, del todo imposible hacer referencia de cada una de ellas. En esta lección nos limitaremos a referir unos cuantos casos antonomásicos o representativos.

Pudiera decirse que la columna vertebral de la revolución tecnológica del siglo XX es la electrónica. A fin de cuentas, la tecnología eléctrica, electromagnética y electromecánica ya habían producido dispositivos de gran utilidad, sobre todo a la invención del motor eléctrico. (Michael Faraday, 1821). La electrónica trajo el control del flujo de electrones primero en “tubos de radio” al vacío (válvulas termiónicas), y luego en materiales semiconductores, con los que se hizo el primer transistor. Con estos materiales la electrónica comenzó a depender de lo que se llama física del estado sólido. Los dispositivos electrónicos se emplean en la transmisión de potencia eléctrica o de información.

Las unidades básicas de la electrónica son el diodo y el triodo. Los principios de ambos componentes se conocían a fines del siglo XIX, pero no es sino hasta 1900 cuando el primer receptor de radio que usara un diodo de cristal fuera inventado, por Greenleaf Whittier Pickard. El efecto del diodo es el de permitir el flujo de corriente en una dirección mientras bloquea el flujo en dirección contraria. Por esta razón, un diodo que recibe una corriente “alterna”—que oscila cíclicamente entre ambas direcciones—la transforma en corriente “directa”. (Que fluye en una sola dirección). De allí que a veces se llama “rectificador” a un diodo.

En un diodo de tubo se hace circular una corriente eléctrica hacia el cátodo, que usualmente es un filamento tratado con una mezcla de óxidos de estroncio y de bario. Al calentarse, el filamento emite electrones hacia el interior del tubo de vacío. Otro electrodo metálico, el ánodo, atrae electrostáticamente los electrones emitidos, al estar cargado positivamente. Aunque la mayoría de los diodos de hoy en día son fabricados con materiales semiconductores, todavía se usan los tubos de vacíos en algunas aplicaciones especiales, como algunos amplificadores de sonido de alta fidelidad y rectificadores en ciertas guitarras. También, naturalmente, fueron empleados en los primeros computadores electrónicos, y su tamaño y su importante descarga de calor hacían que esos computadores ocuparan cuartos enteros y requiriesen enfriamiento especial por aire acondicionado.

En 1906 Lee De Forest inventó un tubo de tres elementos al que llamó audión. Era el primer triodo, un tipo de tubo (no al vacío, sino lleno de gas) que no sólo tenía el filamento (cátodo) y la placa (el ánodo), sino un tercer elemento: la reja (grid) que permitía control sobre el flujo de electrones. Versiones posteriores hicieron del triodo el elemento amplificador por excelencia, un componente que convierte una señal eléctrica de baja potencia en una de alta potencia.

Los triodos, por otra parte, pueden funcionar como válvulas lógicas. Es decir, pueden funcionar como si fuesen conectivos lógicos—y, o, si…entonces…, …si y sólo si…—y en ese carácter se combinan en circuitos capaces de computar y decidir. Son, pues, las piezas fundamentales de los computadores electrónicos, aunque ya no son tubos de vacío, sino transistores, inventados en Alemania tan temprano como en 1928. No fue, sin embargo, sino hasta fines de 1947 cuando el primer transistor práctico fue desarrollado en los laboratorios Bell.

Hay diversos tipos de transistores, pero todos están basados en las propiedades intermedias—entre conductores y no conductores—de algunos materiales como el silicio, el carburo de silicio, el arsenuro de galio y el germanio. (El primer transistor fue hecho de germanio por William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, quienes recibieron el Premio Nóbel de Física en 1956).

Se define como semiconductor a un material sólido cuya conductividad eléctrica puede ser variada y controlada. En más de un caso sus propiedades pueden ser modificadas por la adición intencional de impurezas o contaminantes, y en este caso se habla de doping. Estas impurezas añaden electrones de fácil desprendimiento, y pueden conferir a los semiconductores una conductividad tan grande como la de un metal. Como esta conductividad puede ser variada mediante la aplicación específica de campos eléctricos, los transistores exhiben un comportamiento de gran versatilidad, lo que permite emplearlos en muchas aplicaciones prácticas.

La física de los semiconductores recurre a la cuántica para su completa explicación, y en ese sentido es una tecnología de la física cuántica. En términos más generales, la física del estado sólido es una extensión de la física cuántica. La mayor parte de la física del estado sólido trata de las propiedades de los cristales, pero materiales amorfos y de carácter intermedio también caen bajo su atención. La investigación sobre cristales ha generado diversas tecnologías; una de ellas, la cristalografía por difracción de rayos X, permitió descifrar la estructura del ácido desoxirribonucleico, el componente esencial de los genes y cromosomas, y por tanto de la herencia biológica.[1]

La física del estado sólido estudia también los llamados cuasicristales: materiales que presentan un orden similar al de los cristales pero sin su periodicidad. En ellos la aparición de caras en forma de pentágonos, icosaedros y otras formas bilateralmente asimétricas, determinan su carácter. Fueron descubiertos en 1984, en una aleación de aluminio y manganeso. (De hecho, la mayoría de los cuasicristales se forman con aleaciones de aluminio). Antes de su descubrimiento, el matemático inglés Roger Penrose había logrado “cubrir el plano” en una forma no periódica mediante el empleo de mosaicos de forma diferente: por ejemplo, rombos de ángulos distintos.

Los mosaicos de Penrose funcionan, pues, como moldes dentro de los que se forman los cuasicristales al llenarse el patrón con los átomos de un elemento apropiado.

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Los físicos también estudian un cuarto estado de la materia—ni sólido, ni líquido ni gaseoso—al que se llama plasma. Se trata de un gas ionizado, cuyas propiedades son muy diferentes a los estados normales. El plasma es un conductor eléctrico, y por tanto responde a la aplicación de campos electromagnéticos. A pesar de que no fuera descubierto hasta 1879 (por William Crookes en el tubo que inventara), es en realidad el estado más común de la materia, pues es el estado típico en el espacio interestelar e intergaláctico. También son plasmas los relámpagos y los fuegos fatuos, así como las auroras polares, el arco de la soldadura autógena y las llamas que genera una cápsula espacial en su reentrada a la Tierra.

Distintos tipos de plasma encuentran aplicaciones tecnológicas: los televisores más modernos, por ejemplo, o las técnicas de impresión o grabación de capas dieléctricas en la fabricación de circuitos integrados.

Otra sorpresa de la ciencia de los materiales es la de sustancias con memoria. El Nitinol 55, por caso, es una aleación de níquel y titanio con la que puede fabricarse, por ejemplo, alambres de ese material. Un alambre de éstos puede ser moldeado en una cierta forma, digamos para dibujar la rúbrica de una persona. Si ahora se calienta el alambre por encima de una cierta temperatura y se les estira completamente, el alambre retornará a la figura anterior al bajar la temperatura, restituyendo la firma perdida. Una estructura determinada que luego se aplana para transportarla con facilidad recupera su forma al hundirla en el mar.

Los microagregados son también considerados hoy en día otra fase o estado de la materia. Consisten en pequeños paquetes de átomos—desde dos hasta unos pocos cientos—que revelan propiedades muy distintas del mismo material a granel. Así escribían Michael Duncan y Dennis Rouvray en Scientific American en diciembre de 1989: “Divida y subdivida un sólido y los rasgos de su solidez se desvanecen uno a uno, como las cualidades del gato de Cheshire, para ser reemplazados por  características que no son las de los líquidos o los gases. Pertenecen más bien a una nueva fase de la materia, el microagregado”.

Este peculiar estado ha encontrado aplicaciones biomédicas de gran valor, como en la absorción de nutrientes o la estimulación de linfocitos T, las células principales de la inmunología.

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Las tecnologías de la miniaturización han expandido enormemente el horizonte de las aplicaciones de la Física. Son las responsables, por supuesto, del aparentemente incontenible progreso de la computación, cuyos componentes físicos se han hecho progresivamente más pequeños, lo que permite una mayor densidad de elementos lógicos en espacios cada vez menores. No hemos hablado acá de la robótica—como tampoco de muchas otras tecnologías—pero la miniaturización la alcanza, y ahora se fabrican nanobots o robots microscópicos que prometen realizar operaciones complejas a escalas verdaderamente minúsculas. En la Universidad de Rice acaba de demostrarse un “carro” hecho de una sola molécula, cuyas ruedas están hechas de buckyballs.[2] Una vez más, la medicina espera soluciones cada vez más penetrantes de la miniaturización.

Tecnologías aún más esotéricas que las descritas realizan ahora operaciones hasta hace poco impensables, o existentes sólo en literatura de la ciencia-ficción. La física cuántica se aproxima en estos momentos a aplicaciones en el área de la información. La criptografía cuántica, por ejemplo, anticipa la construcción de sistemas de información cifrada verdaderamente inviolables, al sujetar su código a la fundamental relación de incertidumbre descubierta por Werner Heisenberg. Por otro lado, el “teletransporte cuántico” (quantum teleportation) acaba de ser demostrado en el Instituto Tecnológico de Georgia[3], en un experimento que transfirió información cuántica de dos grupos diferentes de átomos—nubes gaseosas de rubidio—a un solo fotón, que la almacenó codificado en forma de polarización óptica. Sería la primera vez que se comprueba la transferencia de información de una masa material hacia la luz. El experimento augura la construcción de computadores en red muchísimo menores en tamaño que los más miniaturizados entre los que conocemos.

Finalmente, posiblemente sea la noticia del año en Física la demostración de materiales que pueden conferir invisibilidad a cuerpos cubiertos con ellos. Se trata de los llamados “metamateriales”, cuyas propiedades electromagnéticas no dependen de su sustancia, sino de su estructura. Para que tal cosa sea posible, los rasgos estructurales del material deben ser de tamaño inferior a la longitud de onda que incida sobre ellos. Para afectar a la luz un metamaterial debe tener elementos estructurales del orden de una micra, pero para el caso de microondas—de onda mucho más larga—puede bastar un decímetro.

Pues bien, investigadores de la Universidad de Duke acaban de anunciar el bloqueo o desvío de radiación en frecuencia de microondas, al producir una refracción atípica de las mismas. El objeto cubierto con el “manto mágico” bidimensional—ahora trabajarán los inventores en uno tridimensional—se hizo invisible a las microondas. La asociación con el famoso manto de Harry Potter no se hizo esperar, y así lo expresó el profesor David Smith: “No es precisamente Harry Potter. No es exactamente perfecto—podemos mejorarlo—pero demuestra el mecanismo, la forma en que las ondas se curvan alrededor de la región central donde se quiere ocultar cosas”. El manto, con un diámetro de doce pulgadas, pudo ocultar un tubo de cobre de seis pulgadas a las microondas, y está construido con sus elementos dispuestos en anillos concéntricos. Una inmediata aplicación de la tecnología es lograr invisibilidad al radar, lo que naturalmente ofrece un evidente interés para el uso militar. No en vano es DARPA[4] (Defense Advanced Research Projects Agency) la agencia que financia la investigación en Duke.

En verdad, es universalmente el interés militar uno de los más importantes propulsores del desarrollo tecnológico, y en los think tanks que hacen investigación por encargo de las organizaciones de defensa—la Corporación RAND, por ejemplo—se investiga desde la capacidad visual asombrosa de las gallinas—que pueden ser adiestradas para apartar minúsculos rodamientos defectuosos en una línea de producción—hasta la telepatía. (La misma Universidad de Duke ha sido pionera en el estudio de lo que se conoce como percepción extrasensorial). Luego, muchas de las tecnologías originalmente militares pasan al campo de las aplicaciones civiles. El fenómeno es tan extendido que ha dado pie a una serie de programas transmitidos por The History Channel: “De la táctica a la práctica”.

Al menos en eso la guerra, a un costo altísimo, rinde algunos beneficios duraderos. LEA

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[1] James Watson, uno de los descubridores de esta estructura, narró en The Double Helix la batalla por el Premio Nóbel que tal hallazgo indudablemente merecería.

[2] Una buckyball es una forma esférica de agregados de átomos de carbono, nombrada así porque su disposición superficial adopta las posiciones de los nodos de un domo geodésico—como el del Poliedro de Caracas—que fuera inventado por el arquitecto norteamericano Buckminster Fuller.

[3] Por el profesor Alex Kuzmich y su alumno de postgrado Dzmitry Matsukevich. Los investigadores usaron luz de 780 nanómetros de longitud de onda, más o menos la mitad del estándar de las fibras ópticas convencionales.

[4] Un ingenuo intento del suscrito y el hoy general retirado José Antonio Olavarría—del staff del Consejo Nacional de Seguridad y Defensa venezolano—por visitar DARPA (en ese entonces llamada ARPA) en 1977, no pasó del oficial de guardia en la recepción. De nada valió mostrar las credenciales del general. Fuimos devueltos de inmediato; nada de visitas informales y espontáneas.