Nanotubos de carbón

Cómo los había comentado en otros post, la nanotubos de carbono son una de las tantas innovaciones que se han logrado en base a la nanotecnología. Estos famosos tubitos están compuestos de una o varias láminas de grafito, la mayoría de las veces, enrolladas una sobre otra. Algunos de estos son monocapa o muticapa.

El diámetro de estos nanotubos consta, como su nombre lo dice, de nanómetros, pudiendo llegar a los milímetros, es decir, que pueden llegar a ser muy anchos.

El investigar sobre ellos puede llegar a ser muy interesante, gracias a su aplicación y sus diferentes características, cómo sus propiedades conductivas tanto eléctricas como térmicas o por la manera en que ciertas estructuras cambian a razón del diámetro, su forma de enrollamiento, etc.

Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes y resistentes que se conocen en la actualidad. Un nanotubo perfecto puede llegar a ser de 10 a 100 veces más fuerte que el acero y pueden llegar a conducir electricidad cientos de veces más eficazmente que los alambres de cobre. Una sola capa de grafito es muy estable, fuerte y flexible. 

"Pero existe otra forma de estructurar las capas que produce un material más fuerte todavía, enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un nanotubo de carbono.

Los nanotubos de carbono, además de ser tremendamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal. Esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben también ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo pueda ser un semiconductor o un metal."

Euroresidentes. (n.d.). Nanotubos. Retrieved from http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/nanotubos.htm

Indeterminaciones

Pero el principio de indeterminación de Heisenberg, estudia magnitudes relacionadas, por ejemplo, posición-velocidad y se da a cometer una falacia, es decir, no es correcto establecer que con este principio es imposible conocer su posición o su velocidad. Si no, establece que no se puede conocer 2 magnitudes de una partícula simultáneamente con infinita precisión.
Uno puede conocer la posición de una partícula pero al hacerlo, se tendría incertidumbre acerca de la velocidad que posee o a la que se encuentra. Además, las partículas en física cuántica o a escala diminuta, no siguen trayectorias específicas, es decir, no se puede determinar el valor de las magnitudes físicas que esta posee, sin antes medirlas.
Como se ha ido planteando, se puede establece que dicha partícula puede encontrarse en cierto espacio, en determinado tiempo pero solo probabilísticamente. Y esto que nos daría a entender, pues que la mecánica cuántica ha terminado con el determinismo científico, es decir, poder obtener el valor de las magnitudes de las partículas teóricamente.
"La mecánica cuántica es determinista en sí misma, y es posible que la apartente indeterminación inherente al principio de incertidumbre se deba a que realmente no existen posiciones y velocidades de partículas, sino sólo ondas." (Hawking, 1927)
Esto quiere decir, que la mecánica cuántica basa su estudio de la materia, ajustando su comportamiento al descrito por una onda.

Principio de Indeterminación de Heisenberg

"El hecho de que cada partícula lleva asociada consigo una onda, impone restricciones en la capacidad para determinar al mismo tiempo su posición y su velocidad." (Heisenberg, 1927)


Un componente más de la tan intrigante Mecánica Cuántica, es el principio de Indeterminación de Heisenberg. Este fue establecido por el físico alemán Werner K. Heisenberg y plantea el hecho de que es imposible conocer la posición y la velocidad de una partícula, en el mundo microscópico, y por lo tanto, tampoco se puede determinar su trayectoria. Además, uno puede pensar, bueno entre mayor sea la exactitud del valor de su posición, más cerca estaré del de su velocidad, pero no, entre mayor sea esta exactitud, ya sea en la posición o en la velocidad, mayor será el error del valor del otro elemento.
Pero expliquemos el porque pasa esto. Al estudiar un comportamiento de la materia muy pequeña, en este caso un electrón, se necesitarían fotones de alta frecuencia que al entrar en contacto con el electrón, cambiarían de manera muy significante su velocidad. En el caso contrario, si se utilizaran fotones de poca frecuencia, nos darían una visión borrosa de la posición, lo que serviría igual que si utilizaramos fotones de alta frecuencia, para nada.
En sí, no existen métodos o instrumentos para medir u observar un sistema tan pequeño, sin alterar su estado.
"Cuando se trata de observar el mundo subatómico, llegamos a la imposibilidad de construir aparatos o instrumentos, más sutiles que el sistema en estudio."
Este principio nos da una nueva perspectiva de la manera de estudiar la materia ya que, el hombre esta acostumbrado a un mundo teóricamente exacto o al menos eso es lo que se busca y la mayoría de las ocasiones lo logra. Pero con el mundo atómico nos encontramos en un rincón sin salida, si se le quiere llamar de ese modo, se llegó a un punto en dónde el conocimiento está basado en posibilidades, incertidumbres y que por más que se intente llegar a un cierto valor, es imposible lograrlo.

Y seguimos

Les vuelvo a aclarar que el hecho de que explique todos estos términos tan "ñoños" que para algunos sean desconocidos, son para entender mejor el mundo microscópico.
Bueno como les iba diciendo, esta ecuación de Schorodinger tiene como función encontrar la forma matemática a través de la cuál pueda determinarse el comportamiento de las partículas en escala diminuta. El detalle se encuentra en que esta ecuación no determina el comportamiento exacto, es decir, las velocidades, posiciones, trayectorias, etc. de una partícula en esta escala, son sólo aproximadas.
Esta ecuación, también conocida como ecuación de onda, establece distintos aspectos:

• La existencia de un núcleo atómico.
• Los niveles energéticos donde se pueden encontrar los electrones en base a su energía.
• La dualidad onda-partícula.
• La probabilidad de encontrar al electrón con respecto al tiempo (algo que hasta el momento no se a logrado un 100% por ciento)

Tampoco me adentraré demasiado en este tema ya que existen muchos términos y conceptos que tampoco conosco y que ni entiendo, pero también se relacionan otros muy conocidos como la energía cinética o la energía potencial. En esta ecuación se describe una partícula con energía E relacionada con términos como la cantidad de movimiento(p), la longitud de onda, la frecuencia(v), de la siguiente manera:

E= p^2 / 2m + V ( r )

La solución de esta fórmula, da como resultado la función de onda, es decir, una forma probabilística de hallar un electrón en un determinado espacio, conocido cómo orbital. Y existen otras maneras de expresar esta ecuación como  pero a mi parecer nos quedamos con la otra, es un poquito más sencillita, ¿No creen?

Pero como les he comentado, esta ecuación así como otras que también estudiaremos, son aproximaciones del comportamiento, es decir, la mecánica cuántica tiene una manera de estudio muy diferente a la mecánica clásica ya que la MC se basa en las incertidumbres...

Bueno como les estaba cuanteando...

Espero no comenzar a aburrirlos pero debemos de ponernos un poco "científicos" para poder comprender todo el contexto que rodea este gran tema (la nanotecnologia).
Bueno como les explicaba en el post anterior, el cuanto es un término base del micromundo ya que es la menor cantidad de energía que puede ser absorbida, propagada o emitida por la materia. Pero existen diferentes tipos de cuántos, dependiendo de la radiación a la que nos referimos, esta diferencia viene dada por un término llamado frecuencia. Esta frecuencia nos ayuda a conocer la energía de un cuanto, junto con la constante "h", conocida como la constate de Plank. Dado que la energía de los cuántos es muy pequeña, el valor de esta constante también lo será por lo que sólo se manejara cuándo se refiera a la materia en escala diminuta, junto con otras magnitudes como longitudes o masas, también diminutas.
Y tal vez se preguntarán ¿Y eso que tiene que ver? Pues mucho, ya que estos términos siempre estarán presentes cuándo se estudie a la materia en ésta escala. Les iré demostrando el por que.
Louis de Broglie, físico francés, demostró que a toda partícula le corresponde una onda y la longitud de dicha onda, resultará ser muy pequeña ya que depende de la constante "h", que también lo es.
Posteriormente, Niehls Bohr postula su teoría atómica en la que plantea que el nivel de energía de la materia permanece constante mientras que un electrón se encuentre en orbitando en un mismo nivel, así mismo, cuando este cambie de nivel, se absorberá o emitirá energía como en forma de luz, cuya onda también al depender de la famosa constante de Planck, será muy pequeña.
Puede que sigan preguntandose que para que sirve esta información, pues aquí la respuesta. Con estos estudios comenzó a tomar forma la Mecánica Cuántica, también conocida como Mecánica Ondulatoria, así como su ecuación fundamental, la ecuación de Schrodinger...

Mecánica cuántica

Se preguntaran ¿Qué tiene que ver la nanotecnología con la mecánica cuántica? Pues mucho!
Como he estado mencionando, la materia se comporta de diferente manera cuando se estudia a escala minúscula, a estos cambios de comportamiento se les llaman efectos cuánticos y la mecánica cuántica es la que se encarga de estudiar y describir estos comportamientos.
La mecánica cuántica es la parte de la física que se encarga del estudio del movimiento de las partículas muy pequeñas, y me refiero a partículas "muy pequeñas" refieriéndome al tamaño de dichas, cuándo se comienzan a presentar cambios o los mencionados efectos cuánticos, como por ejemplo su posición exacta o la velocidad a la que se encuentran, que es estudiado por el Principio de Indeterminación de Heisenberg que lo explicaré posteriormente, entre otros ya que en el estudio de la materia diminuta existe demasiado incertidumbre y con esto, más "efectos cuánticos".
El punto clave que quiero desarrollar es que la mecánica cuántica es la que rige y determina el movimiento de sistemas en los cuáles los efectos cuánticos son relevantes. Esta es conocida también como la mecánica del micromundo, de las particulas elementales de la materia como los electrones, protones, etc.
Esta rama de la física tiene un concepto básico llamado cuánto que surgió gracias a los estudios de Max Planck y Albert Einstein. Con estos trabajos se llegó a la conclusión de que la energía de las radiaciones electromagnéticas (como las de la luz, de radio, de rayos X, etc) se emiten, se propagan y se absorben pero de manera discreta, es decir, no continua.
Pero se preguntarán, ¿Qué es un cuánto? El cuanto, es la menor cantidad de energía que puede existir un determinada radiación, por ejemplo la radiación de cualquier color, tomemos en cuenta el rojo, el cuanto sería la menor cantidad de energía de color rojo que puede existir.