{"id":83287,"date":"2007-01-01T00:00:00","date_gmt":"2007-01-01T00:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/2007\/01\/01\/la-danza-da-los-metales\/"},"modified":"2015-06-12T13:45:33","modified_gmt":"2015-06-12T16:45:33","slug":"la-danza-da-los-metales","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/la-danza-da-los-metales\/","title":{"rendered":"La danza da los metales"},"content":{"rendered":"
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FERNANDO SATO<\/span>Ciencia y arte: las simulaciones muestran como se forman y si rompen las uniones entre los \u00e1tomosFERNANDO SATO<\/span><\/p><\/div>\n

Una fin\u00edsima l\u00e1mina de oro y plata halada por las puntas se estira y afina en el medio, hasta que no tiene m\u00e1s como estrecharse y se rompe. Observada en un microscopio electr\u00f3nico, esta imagen en movimiento, que recuerda el queso derretido que se estira entre la mordida y el jam\u00f3n y el pan caliente, no tiene nada de banal, pues revela lo que sucede con la l\u00e1mina al nivel de los \u00e1tomos, las unidades que componen la materia. A medida que la l\u00e1mina se estira, las uniones entre los \u00e1tomos se rompen y otras se forman, en una danza serpenteante, hasta que queda un hilo de solamente un \u00e1tomo de espesor. Esos \u00e1tomos alineados uno a uno parecen un collar de perlas – un collar ef\u00edmero y min\u00fasculo, formado por tres \u00e1tomos, que dura s\u00f3lo tres segundos.<\/p>\n

Daniel Ugarte, f\u00edsico experimental de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotr\u00f3n (LNLS), en Campinas, es uno de los pocos que ya tuvieron el privilegio de observar un fen\u00f3meno tan raro y fugaz. Su colaboraci\u00f3n con el grupo de f\u00edsicos te\u00f3ricos liderado por Douglas Galv\u00e3o, tambi\u00e9n de la Unicamp, es responsable de grandes avances en el estudio de c\u00f3mo los metales se comportan en escala nanom\u00e9trica, de una millon\u00e9sima de mil\u00edmetro. S\u00f3lo despu\u00e9s de comprendido el funcionamiento de los materiales en esa escala es que ser\u00e1 posible utilizarlos para fines tecnol\u00f3gicos.<\/p>\n

Ugarte y Galv\u00e3o ya sab\u00edan que oro y plata en su estado puro se comportan de forma diferente poco antes de romperse. Ambos pueden formar el hilo con la espesura de un \u00e1tomo – o cadenas at\u00f3micas suspendidas – cuando son halados en direcciones diferentes, espec\u00edficas para cada metal. Recientemente, Galv\u00e3o y su estudiante de doctorado Fernando Sato, en colaboraci\u00f3n con Pablo Coura y S\u00f3crates Dantas, de la Universidad Federal de Juiz de Fora, exploraron nuevas fronteras al simular en una computadora el comportamiento de aleaciones de oro y plata, con proporciones variadas de los dos metales. Al ver los resultados, Ugarte percibi\u00f3 algo intrigante: en buena parte de los casos, la liga se comportaba como el oro puro. El equipo te\u00f3rico volvi\u00f3 entonces a analizar sus animaciones y vio que los \u00e1tomos de oro emigran para la regi\u00f3n cada vez m\u00e1s fina del metal estirado, en vez de mantenerse diseminados de forma homog\u00e9nea por la hoja met\u00e1lica. La cadena at\u00f3mica suspendida, por lo tanto, casi s\u00f3lo contiene oro. “S\u00f3lo cuando constituye por lo menos 80% de la liga es que la plata comienza a expresar sus propiedades”, dice Ugarte, que con sus colegas relat\u00f3 esos resultados inesperados en la edici\u00f3n de diciembre de la revista cient\u00edfica Nature Nanotechnology.<\/p>\n

Teor\u00eda y pr\u00e1ctica
\n<\/strong>La colaboraci\u00f3n entre Ugarte y Galv\u00e3o comenz\u00f3 en 2001 e involucra la rara conjunci\u00f3n de mentes te\u00f3ricas y experimentales, adem\u00e1s de herramientas que permiten una investigaci\u00f3n completa, como simulaciones en computadora, microscopia, cristalograf\u00eda y medici\u00f3n del transporte de corriente el\u00e9ctrica. Cada una de esas t\u00e9cnicas permite investigar un aspecto diferente de esas estructuras tan peque\u00f1as: la imagen en el microscopio muestra los \u00e1tomos en movimiento, pero no distingue con seguridad los del oro de los de plata; la cristalograf\u00eda describe la conformaci\u00f3n espacial de los \u00e1tomos, pero no informa nada sobre las propiedades del transporte el\u00e9ctrico del material. Es la concordancia entre los resultados obtenidos por las \u00e1reas e instrumentos diferentes que da fuerza a los descubrimientos del equipo y desvenda aquello que un mirar aislado no consigue distinguir.<\/p>\n

Como las aleaciones met\u00e1licas no se comportan como metales puros (vea Pesquisa FAPESP n\u00ba 72), el estudiar las mezclas trae novedades que podr\u00e1n, en el futuro, ayudar a tornar la electr\u00f3nica en la escala molecular una realidad. El mayor desaf\u00edo a la producci\u00f3n de aleaciones es impuesto por las propiedades at\u00f3micas de los materiales, que si fueran muy diferentes impiden un encaje harmonioso entre los \u00e1tomos. Sato explica que la buena relaci\u00f3n entre metales depende de la distancia entre dos \u00e1tomos en el metal puro, que es espec\u00edfica para cada elemento. Como los \u00e1tomos del oro y de la plata se organizan con distancias parecidas, la aleaci\u00f3n que une esos dos metales es estable y m\u00e1s f\u00e1cil de crear, y en algunas proporciones – como tres \u00e1tomos de oro para uno de plata – puede hasta existir espont\u00e1neamente en la naturaleza.<\/p>\n

Otra observaci\u00f3n inesperada en las simulaciones de Galv\u00e3o y Sato fue la estructura que aparece en las im\u00e1genes de estas p\u00e1ginas. Si la aleaci\u00f3n contiene menos del 10% de oro, los \u00e1tomos de plata se organizan en pent\u00e1gonos alrededor de los de\u00a0 oro, formando un hilo de oro encapado por plata que funcionaria como un hilo el\u00e9ctrico com\u00fan, en una escala millones de veces menor. Por ser mejor conductor de electricidad que el cobre de los hilos comunes, el oro es usado en hilos cuando es necesario un transporte el\u00e9ctrico de alta calidad.<\/p>\n

Por ofrecer mayor resistencia al transporte de electrones, la plata funcionar\u00eda como aislante en la estructura descubierta por los f\u00edsicos te\u00f3ricos. Por el momento esa estructura es apenas te\u00f3rica, pues surgi\u00f3 en las simulaciones en computadora y a\u00fan no fue observada en la realidad, pero Galv\u00e3o es optimista. “Como hasta ahora los resultados experimentales han confirmado las suposiciones te\u00f3ricas, los chances de que la estructura en pent\u00e1gonos exista de hecho es del 95%.” Si el descubrimiento se confirma, podr\u00e1 ser un hallazgo\u00a0 importante para la electr\u00f3nica molecular.<\/p>\n

Experimentos anteriores ya hab\u00edan investigado el comportamiento de los componentes at\u00f3micos de aleaciones met\u00e1licas, pero Jefferson Bettini, del LNLS, fue uno de los primeros en observarlo en el microscopio en tempo real. Otro avance es que los experimentos fueron hechos a la temperatura ambiente, lo que s\u00f3lo se hizo posible en los \u00faltimos diez a\u00f1os, cuando el alumno de maestr\u00eda Varlei Rodrigues desarroll\u00f3 un aparato que, por ultra-alto vacio, crea condiciones ultralimpias en el ambiente donde se producen roturas en las placas fin\u00edsimas de metal. El vac\u00edo es importante porque el ambiente tiene que estar perfectamente limpio, ya que cualquier \u00e1tomo intruso puede alterar la composici\u00f3n del material estudiado. En general ese grado de limpieza es alcanzado al realizar experimentos a temperaturas entre menos 260\u00ba y menos 270\u00ba Celsius, que, seg\u00fan Ugarte, no conducen a resultados satisfactorios porque la temperatura tambi\u00e9n afecta las propiedades del metal. “En temperaturas tan bajas los materiales parecen todos iguales”, explica. V\u00eddeos que registran la ruptura del metal a temperatura ambiente y en nitr\u00f3geno l\u00edquido muestran que el metal fr\u00edo no rehace sus aleaciones de forma tan din\u00e1mica como a la temperatura ambiente. En esas condiciones, el proceso es m\u00e1s lento, menos fluido y menos representativo que lo cotidiano. “Si un tel\u00e9fono celular fuera hecho con nanohilos, \u00e9l tendr\u00e1 que funcionar en temperatura ambiente”, argumenta.<\/p>\n

El caso de los nanohilos met\u00e1licos es un buen ejemplo de como la nanociencia est\u00e1 a\u00fan en una fase exploratoria, pues la emigraci\u00f3n de los \u00e1tomos de oro para el punto de ruptura y las estructuras en pent\u00e1gono que protegen el hilo de oro fueron reacciones completamente inesperadas. Adem\u00e1s de eso, Ugarte explica, “en la escala at\u00f3mica los objetos son pegajosos”. Un nanohilo sufre una atracci\u00f3n espont\u00e1nea por el substrato en que est\u00e1 apoyado, como una fuerza de la gravedad exacerbada, lo que hace muy dif\u00edcil la manipulaci\u00f3n. Pero la alumna doctorado Denise Nakabayashi desarroll\u00f3 un aparato que permite manipular hilos de 1 micr\u00f3n (una mil\u00e9sima de mil\u00edmetro).<\/p>\n

La mayor parte de las aplicaciones de la nanotecnolog\u00eda a\u00fan est\u00e1 por llegar. Seg\u00fan Galv\u00e3o, 80% de lo que se hace en esa \u00e1rea a\u00fan est\u00e1 en fase de entender como los metales funcionan en la escala nanom\u00e9trica, para en seguida pensar en aplicaciones pr\u00e1cticas. \u00c9l cree que a\u00fan faltan entre diez y 15 a\u00f1os para que la nanotecnolog\u00eda forme parte de lo cotidiano. Galv\u00e3o presume que, aunque las cadenas at\u00f3micas suspendidas normalmente no duren m\u00e1s que pocos segundos, construir nanohilos estables no ser\u00e1 un problema: basta usar otro material como soporte. La dificultad est\u00e1 en construir hilos con composici\u00f3n conocida, de forma eficaz y controlada. Una opci\u00f3n es utilizar mol\u00e9culas sint\u00e9ticas como la Lander, construida en 2002 por investigadores dinamarqueses y franceses, y as\u00ed llamada por parecerse a un m\u00f3dulo de exploraci\u00f3n lunar.<\/p>\n

Ella est\u00e1 compuesta por \u00e1tomos de carbono y de hidr\u00f3geno – un eje largo con proyecciones laterales que funcionan como patas. Galv\u00e3o y Sato explicaron, con simulaciones publicadas en 2004 en la revista Nature Materials, como la mol\u00e9cula Lander se pasea por entre \u00e1tomos sueltos y deja atr\u00e1s de si peque\u00f1os tramos de nanohilos de cobre. Para construir otros nanomateriales, mol\u00e9culas bajo medida pueden ser de gran utilidad. Pero Galv\u00e3o destaca que buena parte de ese tipo de descubrimiento se da por casualidad. “La suerte favorece, pero el que mira tiene que estar preparado para ver.”<\/p>\n

Pero cuando – y si – fueran vencidos los obst\u00e1culos t\u00e9cnicos y de conocimiento, los nanocircuitos pueden cambiar bastante la electr\u00f3nica. No s\u00f3lo por su tama\u00f1o, que permitir\u00eda la fabricaci\u00f3n de aparatos mucho menores, sino tambi\u00e9n por sus propiedades. En la escala nanom\u00e9trica, la conducci\u00f3n de electricidad no sigue las mismas reglas del mundo macrosc\u00f3pico. En los nanohilos la energ\u00eda viene en paquetes, en vez de ser continua como en los tomacorrientes de una casa. Pero la transmisi\u00f3n es eficiente, a pesar de ser inconstante. Y no disipa energ\u00eda, seg\u00fan Ugarte, lo que significar\u00eda circuitos el\u00e9ctricos que no se calientan.<\/p>\n

A pesar de que se sabe a\u00fan relativamente poco sobre el comportamiento at\u00f3mico de los materiales, el conocimiento que existe, aliado a la imaginaci\u00f3n humana, ya permiti\u00f3 crear una gran cantidad de productos que pueden alegrar la Navidad de los aficionados por tecnolog\u00eda. La p\u00e1gina en la internet del Proyecto sobre Nanotecnolog\u00edas Emergentes (www.nanotechproject.org<\/a>) trae una lista de m\u00e1s de 300 de ellos, que incluyen desde nanotubos de carbono para pantallas planas de monitores hasta nanopart\u00edculas de plata que combaten bacterias y hongo en embalajes para alimentos.<\/p>\n

La alta tecnolog\u00eda necesaria para estudiar los \u00e1tomos cuesta caro, y por eso los proyectos de Ugarte tienen presupuestos astron\u00f3micos – un microscopio electr\u00f3nico puede costar de 3 millones a 7 millones de reales. Esos trabajos exigen instalaciones especiales que hicieron necesario un nuevo edificio – y cuya construcci\u00f3n lo f\u00edsico est\u00e1 coordinando en el LNLS. Pero, para \u00e9l, lo que limita el avance de la nanociencia experimental no son recursos financieros, sino humanos. Es com\u00fan que sus alumnos tengan que usar la maestr\u00eda para construir o aprender a usar un equipamiento para, finalmente, aplicarlo para investigaci\u00f3n en el doctorado, como hicieron Varlei Rodrigues y Denise Nakabayashi.<\/p>\n

“No se consiguen personas que a las que les guste hacer bricolaje; es necesario entender, pensar, tener paciencia, errar en las medidas. Los estudiantes est\u00e1n acostumbrados a encontrar respuestas inmediatas en la internet”, observa Ugarte, que hace su parte para cambiar ese cuadro. Los mismos principios que lo orientan en la formaci\u00f3n acad\u00e9mica de sus alumnos Ugarte los adopta en casa. Sus hijos Pedro y Maia, de 6 y 4 a\u00f1os, hacen macarr\u00f3n casero, bajan laderas en el carrito de ruedas hecho en\u00a0 casa y ya construyeron un telescopio en alianza con el padre.<\/p>\n

Los Proyectos
\n<\/strong>1. Estudio te\u00f3rico multiescala de nanoestructuras puras e h\u00edbridas
\nModalidad
\n<\/strong><\/em>Proyecto Tem\u00e1tico
\nCoordinadora
\n<\/strong><\/em>Mar\u00edlia J. Caldas – USP
\nInversi\u00f3n
\n<\/strong><\/em>85.268,00 d\u00f3lares y 181.110,54 reales (FAPESP)
\n2. Microscopio electr\u00f3nico de transmisi\u00f3n anal\u00edtico para la nanocaracterizaci\u00f3n espectrosc\u00f3pica de materiales
\nModalidad
\n<\/strong><\/em>Auxilio a la Investigaci\u00f3n – Regular
\nCoordinador
\n<\/em><\/strong>Daniel Ugarte – Lnls
\nInversi\u00f3n
\n<\/strong><\/em>2.500.000 d\u00f3lares (FAPESP)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Una aleaci\u00f3n de oro y plata observada por primera vez en la menor escala posible revela un comportamiento inesperado de los \u00e1tomos","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[95],"class_list":["post-83287","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/83287","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=83287"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/83287\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=83287"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=83287"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=83287"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=83287"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}