Los Cuasicristales


Hoy voy a dedicar el post al Premio Nobel de Química Dan Shechtman, descubridor de los Cuasicristales. Este artículo es la reproducción exacta del que aparece en la revista VideoPopular número 146 (noviembre-diciembre) firmado por Luis Carlos Pardo, Doctor en Ciencias Físicas por la UPC. Creo que es suficientemente interesante para que lo reproduzca en nuestro blog, sin ninguna otra pretensión que la divulgación.

Alfons Grau – Director Gerente de Grau Luminotecnia

Cuasicristales: El material que ha desafiado las leyes de la física

Cuando Dan Shechtman mostró sus resultados al jefe de laboratorio, éste no respondió. Tomó un libro de física básica, se lo entregó al entusiasmado investigador y volvió a su despacho. El descubrimiento de Shechtman, sencillamente, no podía ser cierto: estaba en contra de las leyes que cualquier estudiante de primero de carrera conocía. Finalmente, el terco interés de Shetchman por demostrar que tenía razón hizo que se le invitara amablemente a dejar el grupo de investigación. Cuesta imaginar la cara de su jefe cuando hace unos meses fue galardonado con el premio Nobel de Química de 2011. Pero, ¿qué era lo que había causado la irónica respuesta del jefe de Shechtman?

Olas de luz

Al tirar una piedra a un lago generamos una onda formada por una serie de crestas y valles que avanzan concéntricamente desde el punto donde cayó la piedra. Si ahora en vez de una piedra lanzamos dos, las ondas que generan se cruzan de una manera un tanto especial. Si en un punto se junta una cresta de la onda con otra cresta, en ese lugar la altura de la ola será el doble. En cambio, si se junta la cresta de una ola con el valle de la otra, lo que ocurrirá es que la altura del agua será la misma que la del resto del lago: las ondas se anularán en ese punto. La técnica que utilizó Shechtman se basa en la deducción de la distancia a la que las dos piedras fueron lanzadas a partir de la posición donde las ondas se anulan o se refuerzan.

Para determinar la posición de los átomos en un cristal se utilizan ondas cuya separación entre dos crestas sea parecida a la distancia entre dos átomos. Al iluminar el material con estas ondas, cada átomo se convierte a su vez en un foco de ondas. Si ahora disponemos una pantalla alrededor del cristal, veremos que aparecen manchas brillantes que corresponden a los puntos donde las ondas se han reforzado. A partir de la posición de estos puntos es posible reconstruir, de una forma considerablemente compleja, la posición original de todos los átomos del material. La técnica que hemos descrito se denomina difracción y está detrás de numerosos grandes descubrimientos, como por ejemplo la estructura de doble hélice del ADN.

El 8 de abril de 1982, después de realizar un experimento de difracción, Shechtman cogió la fotografía que había obtenido, contó los diez puntos que formaban uno de los círculos concéntricos y apuntó en su diario “simetría de orden 10” acompañada de tres interrogantes. Esos tres interrogantes marcaron la carrera de obstáculos que lo llevarían finalmente a ganar el premio Nobel 30 años más tarde.

Embaldosando el espacio

Al mirar un copo de nieve con detenimiento, podemos ver que tienen unas formas geométricas muy precisas. Lo mismo sucede con muchos minerales, como por ejemplo la pirita o la fluorita, que forma unos cubos perfectos. Estas formas geométricas no son más que un reflejo a escala macroscópica de la estructura de los átomos que forman el cristal. Por poner un ejemplo, si queremos pavimentar una habitación cuadrada con baldosas sin que quede espacio entre ellas y sin tener que modificar ninguna, la única opción es utilizar baldosas cuadradas o rectangulares. En este ejemplo, la habitación sería el cristal macroscópico, que estaría formado microscópicamente por una serie de átomos dispuestos en las esquinas de cada baldosa. Imaginemos ahora que la habitación es de forma triangular: en este caso no quedará más remedio que utilizar baldosas triangulares. Imaginemos que ahora la habitación tiene la forma de un pentágono: en este caso, es imposible embaldosar la habitación sin dejar agujeros entre ellas. Dicho de otro modo: no se pueden encajar baldosas pentagonales para cubrir una superficie… sin embargo, precisamente esto es lo que revelaba el experimento que realizó Shechtman.

Mosaicos y ventiladores

De hecho, para poder embaldosar una habitación pentagonal, hay un truco: utilizar baldosas pentagonales y algunas con otra forma geométrica. Y esto es exactamente lo que pasaba con los cristales del experimento de Shechtman. Al nuevo tipo de material en el que los átomos no formaban un solo tipo de forma geométrica (como ocurre en los cristales normales), se le denominó cuasicristales.

De hecho, los árabes, grandes expertos en mosaicos, ya se habían dado cuenta de esto y en algunas de sus obras de arte ya utilizaban piezas de diferentes formas geométricas. De esta forma, conseguían cubrir una superficie, sin dejar agujeros y creando una bellas formas geométricas.

Los cuasicristales, entre otras cosas, nos podrán servir para librarnos de la compañía del sonido del ventilador cuando trabajamos con el ordenador. Estos materiales son excelentes aislantes, tanto térmica como eléctricamente, debido a la extraña ordenación que presentan los átomos que los forman.

La combinación de estas dos propiedades convierten a los cuasicristales en un material idóneo para utilizarse en dispositivos termoeléctricos que utilicen la corriente eléctrica directamente para enfriar un material. De esta forma, en un futuro será posible enfriar los procesadores de un ordenador directamente, sin necesidad de utilizar ventiladores. Y todo esto, gracias a un científico terco y unos mosaicos árabes que parecen inspirados en la estructura de los cuasicristales.

Dr.Luis Carlos Pardo – Doctor en Ciencias Físicas por la UPC

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