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Ciencia

La forma ideal

Investigadores de São Paulo y Minas Gerais muestran cómo se pueden construir nanotubos de carbono que se deslizan casi sin rozamiento

Las dos estructuras de la figura adjunta pueden parecerse a un par de barras de pesas, pero jamás servirían para hacer ejercicios físicos. En realidad, las mismas constituyen la representación de unos tubos formados por 6 mil átomos de carbono, el elemento químico que compone también el grafito o la mina de los lápices. Esa cifra atómica es muy poco, incluso cuando se la compara con la de una simple cabeza de alfiler, constituida por una cantidad de átomos correspondiente al número 1 seguido de 18 ceros. Estos cilindros, visibles en la imagen solamente porque han sido ampliados 30 millones de veces, forman parte de un mundo microscópico en el cual los fenómenos obedecen leyes que muchas veces escapan a la lógica cotidiana, y en las que la unidad de medida es el nanómetro, la milmillonésima parte de un metro. Las ‘pesas’, o los nanotubos, tal como se los denomina, hechos a base de una asociación aleatoria de átomos de carbono de vapor de grafito bombardeado por láser, miden 1,4 nanómetros de diámetro -aproximadamente 100 mil veces menos que el espesor de un pelo- y 8,2 nanómetros de longitud. Cada una de esas pesas está compuesta a decir verdad por dos nanotubos: uno externo y dentro de éste uno menor, representado en amarillo en la imagen.

En un artículo que llegó a la portada de la edición del 7 de febrero de Physical Review Letters, la más importante revista científica de física, un equipo integrado por físicos de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y de la Universidad Federal de Juiz de Fora (UFJF) demostró que el formato de la pesa es la forma más sencilla, aquélla que permite que ese conjunto de dos nanotubos funcione como un nanooscilador: un mecanismo en el cual, partiendo de un impulso inicial, el tubo menor se desplaza de un extremo al otro en un movimiento oscilatorio interminable, capaz de extenderse por un lapso de tiempo prácticamente indefinido.Los nanotubos serían algo así como los liliputienses, aquellos minúsculos habitantes de Lilliput, la ciudad creada por el escritor irlandés Jonathan Swift en Los Viajes de Gulliver, frente al gigante que da nombre al libro.

Y en el papel de Gulliver se encuentran los actuales osciladores electrónicos, 10 millones de veces mayores. Con tales dispositivos se logra actualmente generar o captar ondas electromagnéticas como las utilizadas en las transmisiones de radio, televisión y telefonía celular. Otro ejemplo cotidiano de dispositivos con osciladores son las computadoras, en las cuales el clock, el indicador de velocidad, registra el número promedio de operaciones que el procesador (el chip) es capaz de realizar en un segundo.Dentro de diez años, los nanoosciladores pueden llevar a una nueva generación de equipos electrónicos, en la que el carbono ocuparía el lugar del silicio como materia prima. A su vez, permitirían generar nuevos rangos de transmisión en telecomunicaciones y equipamientos electroelectrónicos más rápidos y durables, ya que se trata de un material sumamente resistente. Pero por ahora, las pesas existen solamente en el ambiente virtual.

Con todo, simbolizan una alternativa más eficiente, más económica y más versátil, capaz de operar en frecuencias casi 40 veces superiores a las de los osciladores actuales, llegando a los 38 gigahertz (GHz) -un hertz, que es la unidad de medida de frecuencia, corresponde a una oscilación por segundo. “El gran mérito de este trabajo fue superar la barrera de los gigahertz”, dice el físico Douglas Soares Galvão, de la Unicamp, que coordinó el estudio, llevado a cabo por medio de simulaciones hechas en computadora.Los nanotubos serán viables en la medida en que se domine su tecnología de fabricación, hoy en día en fase inicial, y los costos de producción caigan -algo que es un poco más fácil que suceda, ya que en algunos años expira un conjunto de patentes internacionales que llevaría a que el precio de los nanotubo cayese de los actuales 1.000 dólares por miligramo a menos de 100 dólares el kilo.

Una vez superados esos obstáculos, los nanotubos se usarán para aplicaciones militares. Despojados de los cilindros de los extremos, funcionarían como nanocañones. Un nanotubo interno, lanzado a más de 1.500 metros por segundo -el equivalente a la velocidad de la bala de un fusil-, sería como una especie de nanobala, venciendo así a la fuerza que lo mantiene en el interior del tubo mayor, la llamada fuerza de Van der Waals, que explica la atracción recíproca entre moléculas neutras (sin carga eléctrica), como los nanotubos.La idea de usar simulaciones de computadora para analizar si los nanotubos funcionarían como osciladores surgió en junio pasado en el Instituto de Física de la Unicamp, cuando se esgrimió la sospecha de que los resultados de un estudio publicado pocos meses antes podrían ser erróneos. En enero de 2002, Cuanshui Zheng, de la Universidad Tsinghua, China, y Qing Jiang, de la Universidad de California, Estados Unidos, sugirieron en Physical Review Letters que los nanotubos de carbono podrían generar nanoosciladores capaces de operar en varias frecuencias del orden de los gigahertz.

Ellos propusieron el uso de nanotubos un poco diferentes -el mayor de ellos sin cilindros en las puntas y con uno de los extremos cerrados. Asimismo, habían hecho los cálculos para el conjunto de nanotubos estáticos sin tener en cuenta los efectos del aumento de la temperatura -que hace que los átomos vibren más intensamente- ni del paso del tiempo, que permite conocer de qué forma se comportan los tubos durante el movimiento. Sergio Legoas, Scheila Braga y Vitor Coluci, del equipo de Galvão, crearon los programas que generaban automáticamente las estructuras, realizaron las simulaciones de los nanoosciladores y por último demostraron que había un error en el modelo de los chinos. Tal como había sido planteado, el sistema de nanotubos no funcionaría: las simulaciones demostraron que el tubo interno, cuando empezaba a oscilar, se chocaba con la pared cerrada y comenzaba a vibrar, impidiendo así la continuidaddel movimiento. La idea quellevó al formato de una pesa surgió de un trabajo publicado enScience dos años antes por Alexander Zettl y John Cumings, ambos de la Universidad de California en Berkeley.

En dicho estudio se demostraba experimentalmente que los nanotubos formados por múltiples capas manifestaban un movimiento oscilatorio: cuando se empujaba a un nanotubo más interno, éste se desplazaba hacia afuera hasta casi escaparse, pero retornaba hacia el interior del nanotubo mayor si se lo movía en sentido contrario -una evidencia de la acción de la fuerza de Van der Waals, que aumenta en forma proporcional al área del tubo interno expuesta fuera del nanotubo mayor. Al juntar los artículos con las simulaciones, el equipo brasileño arribó a la conclusión de que lo más importante para permitir que el tubo interno se deslizase sin rozamiento en el interior del nanotubo mayor era el espacio libre entre ellos.

Mediante una serie de cálculos, el grupo verificó que el radio del tubo más externo debería ser 3,4 angstrom (un angstrom corresponde a la décima parte de un nanómetro) mayor que el del interno. El problema estaba así resuelto, pero solamente en parte. Si armasen el nanooscilador únicamente con base en esas informaciones, el nanotubo se parecería a un caño con dos extremos abiertos y conteniendo una cápsula en su interior. Era necesario obtener una forma que impidiera la entrada de átomos libres, que actuarían como impurezas y obstaculizarían el movimiento del tubo menor. “En tres meses llegamos al formato de la pesa, la conformación más simple posible”, dice Galvão. “Nadie creía que existiera en la naturaleza un sistema como ése, capaz de funcionar casi sin rozamiento.”Con ese formato, y con esa distancia entre los tubos, el oscilador fue capaz de funcionar prácticamente sin perder energía bajo la forma de calor, producida por el rozamiento entre las paredes. Pero aún no era suficiente.

Un mecanismo de esos debe ser capaz de funcionar a temperatura ambiente, es decir, a 25º Celsius. Al repetir las simulaciones, Galvão constató que el sistema de nanotubos actuaba en manera estable no solamente a la temperatura de 0 Kelvin, correspondiente a -273º Celsius, utilizada en los cálculos debido a que representa una de las condiciones en las que los átomos prácticamente paran de vibrar. Permanecía siendo eficiente también a la temperatura de 400 Kelvin (127º Celsius), vibrando a una frecuencia de hasta 38 GHz. “En la simulación, el nanooscilador funcionaría por un lapso indefinido, casi perpetuamente, sin que necesitase recibir un nuevo impulso”, dice Galvão. “Pero en el mundo real, debido a que existen pequeñas perturbaciones, el sistema debería ser alimentado con muy poca energía.”

Nanobalas
El equipo de investigadores de São Paulo y Minas Gerais trabaja ahora para descubrir una manera práctica de poner al nanotubo interno del oscilador en movimiento. El planteo inicial, sugerido por los físicos Pablo Coura y Sócrates Dantas, de Juiz de Fora (Minas Gerais), consistiría en utilizar el campo magnético de una especie de electroimán, para darle un empujón inicial al oscilador. Para tal fin, el tubo interno, pese a ser de carbono, debería reaccionar como un metal, y el externo, como un material aislante. En las pruebas en las que se evaluaban la velocidad máxima a la que el nanotubo interno podría moverse sin escapar de la pesa, los físicos descubrieron que el nanotubo interno era violentamente arrojado hacia fuera del oscilador al alcanzar la velocidad de 1.500 metros por segundo.

De ese resultado que surgióla idea de utilizar los nanotubos como un nanocañón. El equipo de Galvão logró generar ecuaciones capaces de prever el impacto de una nanobala y actualmente lleva adelante experimentos -siempre en ambiente virtual- para aumentar el poder de fuego del proyectil. Los mejores resultados obtenidos se dieron cuando las moléculas de cubanos son encapsuladas dentro del tubo interno. Los cubanos son moléculas compuestas por ocho átomos de carbono y ocho de hidrógeno que se unen formando un cubo -de allí su nombre. De cualquier forma, para que los nanocañones tengan una aplicación militar efectiva -algo que por ahora sigue perteneciendo al terreno de la ficción-, sería necesario reunir miles de millones de nanocañones en pocos centímetros. De ese modo, si se los colocase en un satélite, los nanotubos podrían ser disparados contra un satélite enemigo, rearmando así el hipotético escenario del programa de defensa estadounidense Guerra de las Galaxias, que cobró fuerzaen los años 80, durante la administración del ex presidente Ronald Reagan. “Pero se necesitaría una cantidad muy grande de nanocañones para producir un impacto significativo, porque un solo nanocañón únicamente sería eficaz contra un nanosatélite”, bromea Galvão.

El Proyecto
Estudio Teórico Sistemático de la Relación Estructura-Función en Polímeros Conjugados de Interés Tecnológico
MODALIDAD
Proyecto temático
COORDINADORA
Marília Junqueira Caldas – Instituto de Física/ Unicamp
INVERSIÓN
R$ 384.613,83

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