La estructura y tamaño de la materia y las leyes de la realidad física (Conjetura filosófica)
Fuente: Colaje imágenes Google
Este es uno de los tipos de post que más me gusta redactar y barrunto que es de aquellos que menos interesa a los lectores, aunque a veces me llevo sorpresas agradables, como en este, que recibió algunas decenas de miles de vistas. ¿Cómo calificarlo? En la siguiente post os describía el grado de certidumbre que la ciencia ofrece desde que alguien tiene simplemente una “idea” hasta que esta comienza a tomar cuerpo en base a nuestras indagaciones. Empero la simple idea es lo primero (la palabra Eureka en ciencia resulta ser más ambigua). Seguidamente topamos con las Leyes, Teorías, Conjeturas e Hipótesis Científicas: ¿Cuáles son las Diferencias?”, Si bien por orden de maduración en materia de indagación conviene que las leamos por orden: Idea, conjetura, hipótesis, teoría y ley. Los contenidos que os voy a exponer hoy. Y personalmente lo calificaría de conjetura casi filosófica. La “idea” procedió, como podréis leer abajo, de los progresos realizados por varios científicos que fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2013. Ellos descubrieron y manipularon los denominados “puntos cuánticos” y luego usaron sus aplicaciones en áreas de la tecnología que seguramente estéis utilizando al leer esta entradilla. Sin embargo, no se trataba de una simple ocurrencia o “idea”, ya que en mi mente lo que he leído llovía sobre mojado, como os mostré por ejemplo en este otro post: “Propiedades de la Materia: Composición, Tamaño, Abundancia, Forma y Superficie”. Basado en mis conocimientos sobre la estructura del suelo llegué a la conclusión personal de las propiedades y comportamiento de la materia dependían los criterios mentados.
Al leer a cerca de los puntos cuánticos, y especialmente observar sus dimensiones “unas pocas millonésimas de milímetro” generalmente formados por escasos miles de átomos, mi mente retrocedió a aquel post, haciendo que la conjetura fuera más fuerte ahora de lo que propuse hace 11 años. Veamos si logro explicarme breve y concisamente.
Si las propiedades de la materia cambian con el tamaño, los puntos críticos corresponderían a los pedazos de la nanotecnología ínfimos. En consecuencia, las propiedades deberían de cambiar. ¡madre mía!, ¡si lo hacen!. A esas escalas se han detectado las propiedades cuánticas que no vislumbramos en nuestro mundo real, es decir en lo que podemos decir que son los tamaños ordinarios que observamos y con los que trabajamos. Hablamos de la mecánica cuántica. Las disquisiciones y elucubraciones cerca de la filosofía cuántica son asombrosas, ofreciendo una visión de la realidad que no logramos encajar con la nuestra. Esta filosofía no es en si misma filosofía de la ciencia, como advertimos en este post, lo cual no le resta interés. ¿Y si escalamos hacia el extremo puesto? Pues al intentar escarbar desde este diminuto planeta el cosmos nos encontramos con cuerpos de tamaños gigantescos y distancias que se nos antojan casi infinitamente humanas. En otras palabras, topamos con la teoría de la relatividad de Alfred Einstein y sus onsecuencias, como por ejemplo, la curvatura del espacio-tiempo.
Debido a que la física de nuestro mesocosmos no encaja con la ofrecida por la mecánica cuántica y esta tampoco con la Teoría de la Relatividad, los científicos se afanan en descubrir una “teoría del todo” que sirva de nexo entre la de la relatividad y la cuántica. Entre ellas la “teoría de cuerdas” es la que suele llamar más la atención del público pero hay otras, aunque ninguna de las postuladas ha sido corroborada.
Pues bien, como podemos observar, la materia se comporta de forma muy diferente en función del tamaño y dimensiones espacio temporales consideradas. De nuevo el tamaño surge como nexo de unión, como me sucedió al analizar la estructura de la materia en el medio edáfico o suelo. Y todo comenzó con una aventura intelectual que os expliqué en este post: ¿Cuánto mide un metro cuadrado de suelo? Arrastro una grave frustración sobre esta última “hipótesis” ya que me hubiera gustado impactaros a todos, por cuanto se me antoja más que posible, es técnicamente viable de corroborar, pero nadie de mis colegas edafólogos quiso acompañarme en tal aventura.
Lo expuesto hasta aquí no significa “en absoluto” que todo dependa del tamaño, empero, ahí está y como cambian las propiedades de la materia conforme esta varía. Y reitero que casi todo el ensamblaje de mis elucubraciones teóricas se basó en reflexiones acerca de los suelos. En su interior pueden, quizás existir también tamaños que corresponden a los puntos cuánticos. ¿Si o no? El tiempo, ¿espacio-tiempo?, dictará sentencia.
Me he despachado a gusto.
Juan José Ibáñez
Continúa……
Nobel de Química de 2023 para los descubridores de los puntos cuánticos, que han revolucionado las teles en color y son prometedores contra el cáncer
La Academia sueca concede el galardón al francés Moungi Bawendi, el estadounidense Louis E. Brus y el ruso Alexei Ekimov, cuyos nombres ya se habían filtrado por error
Los investigadores Moungi Bawendi, Alexei Ekimov y Louis Brus, ganadores del Nobel de Química de 2023
MANUEL ANSEDE 04 oct 2023 – 11:35Actualizado:04 OCT 2023 – 11:56
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha concedido este miércoles el Premio Nobel de Química de 2023 al francés Moungi Bawendi, el estadounidense Louis Brus y el ruso Alexei Ekimov, por descubrir y sintetizar los puntos cuánticos, materiales tan diminutos que en ellos se manifiestan las asombrosas leyes que rigen el mundo de lo infinitamente pequeño: la mecánica cuántica. Los puntos cuánticos son nanocristales, de unas pocas millonésimas partes de milímetro, en los que los electrones se encuentran confinados. Estas islas de electrones presentan interesantes propiedades, útiles en multitud de campos, desde las pantallas de televisión hasta la medicina. Es un campo emergente en el diagnóstico y el tratamiento experimental del cáncer.
El físico ruso Alexei Ekimov (Unión Soviética, 78 años) observó por primera vez los puntos cuánticos, en cristales, en 1981. Son estructuras que normalmente tienen unos millares de átomos, una cantidad tan escasa que todavía presentan los extraños comportamientos asociados a átomos solitarios. Cuando se estimulan mediante luz o electricidad, los electrones saltan a un mayor nivel de energía y, al regresar a su estado normal, producen un resplandor con protones individuales. Ekimov, actualmente en la empresa estadounidense Nanocrystals Technology, demostró que el color de esa luz depende del tamaño del nanocristal, como detalla la Academia sueca en un comunicado. El químico estadounidense Louis Brus (Cleveland, 80 años), de la Universidad de Columbia, confirmó poco después que esos efectos cuánticos, dependientes del tamaño, también se observan en nanopartículas que flotan libremente en un fluido. Su colega francés Moungi Bawendi (París, 62 años), del Instituto Tecnológico de Massachusetts, revolucionó en 1993 la producción en serie de puntos cuánticos, logrando resultados “casi perfectos”, según ha destacado la Academia sueca.
La tecnología QLED, basada en los puntos cuánticos, ya ilumina pantallas de televisión y monitores de ordenador. Cuanto mayor sea el tamaño del nanocristal, más rojo será el color. Cuanto más pequeño, más azul. La empresa holandesa Philips y la japonesa Sony fueron pioneras en el uso de esta tecnología para mejorar el color de sus pantallas, hace una década. Algunas lámparas con diodo emisor de luz (LED, por sus siglas en inglés) también incorporan puntos cuánticos para lograr nuevos matices luminosos.
Los puntos cuánticos son prometedores en la detección muy temprana del cáncer, lo que permitiría la extirpación inmediata de los tumores, según destaca la química Laura Lechuga, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). “Es posible detectar incluso cuando hay una o muy pocas células tumorales”, aplaude. Estas nanopartículas se pueden vincular a otras moléculas con afinidad por las células cancerosas. Al acumularse en el tejido tumoral, es posible observar la fluorescencia de los nanocristales mediante una iluminación externa con luz ultravioleta. “Los puntos cuánticos se empezaron a investigar con mucho entusiasmo para el diagnóstico, pero pueden ser muy tóxicos dependiendo del material con el que se fabriquen”, explica Lechuga, jefa de grupo en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología, en Barcelona. La comunidad científica intenta ahora reducir su toxicidad.
El Nobel de Química ha estado rodeado de confusión desde primera hora del miércoles, después de que la Academia sueca anunciase antes de tiempo y por error el premio para Bawendi, Brus y Ekimov. La institución envió un comunicado a la prensa sueca, horas antes de tomar oficialmente la decisión. “El Premio Nobel de Química de 2023 recompensa el descubrimiento y el desarrollo de los puntos cuánticos, nanopartículas tan pequeñas que su tamaño determina sus propiedades”, escribió la Academia en un correo electrónico, según el diario sueco Dagens Nyheter. El bioquímico Johan Aqvist, presidente del comité del Nobel de Química, negó enseguida que el veredicto estuviese ya escrito. “Es un error de la Real Academia Sueca de las Ciencias. Nuestra reunión comienza a las 9:30, por lo que aún no se ha tomado ninguna decisión. Los ganadores no han sido seleccionados”, declaró a la agencia Reuters. El galardón está dotado con 11 millones de coronas suecas, unos 950.000 euros.
Momento en el que se han anunciado los ganadores del Nobel de Química 2023, este martes en Estocolmo.JONATHAN NACKSTRAND (AFP)
La nanotecnóloga española Sonia Contera, catedrática de Física Biológica de la Universidad de Oxford (Reino Unido), subraya que los tres premios Nobel anunciados esta semana convergen en la escala de millonésimas partes de un milímetro. El lunes, el Instituto Karolinska de Estocolmo anunció que el Nobel de Medicina de este año es para la bióloga húngara Katalin Karikó y el inmunólogo estadounidense Drew Weissman, autores de las vacunas de ARN eficaces contra la covid. El martes, la Academia sueca premió con el Nobel de Física a los franceses Anne L’Huillier y Pierre Agostini y al húngaro Ferenc Krausz, por desarrollar herramientas capaces de observar el mundo de los electrones, un conjunto de fenómenos que ocurren en trillonésimas de segundo. El Nobel de Química ha sido para los puntos cuánticos. “La escala nanométrica se ha convertido en el centro del progreso tecnológico y médico”, proclama Contera.
La investigadora explica que los puntos cuánticos “son una de las armas del arsenal de la nanotecnología que están empezando a tener un impacto real” en la vida de las personas. “Quizá sea la sencillez estructural y conceptual de los puntos cuánticos lo que más haya facilitado su aplicación en tantos campos, desde las pantallas de las televisiones y teléfonos móviles a la detección de cánceres y la biofísica”, celebra.
El año pasado, la Academia sueca entregó el Nobel de Química al danés Morten Meldal y a los estadounidenses Carolyn Bertozzi y Barry Sharpless, padres de la química clic y de las reacciones bioortogonales, dos revolucionarias herramientas para producir fármacos y nuevos materiales. Desde 1901, 184 hombres y solo ocho mujeres (el 4%) han ganado el Nobel de Química.
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Sonia Contera: “La gente reaccionará contra los abusos de la tecnología y acabará con la ciencia”
El Premio Nobel de Química 2023 es para los diminutos puntos cuánticos con enormes efectos
Tres científicos ganaron el Premio Nobel de Química por su descubrimiento de los puntos cuánticos, una clase completamente nueva de material que se utiliza en televisores de pantalla grande y cirugía contra el cáncer; Por Josh Fischman el 4 de octubre de 2023
El Premio Nobel de Química 2023 ha sido concedido hoy a tres científicos por el descubrimiento de los puntos cuánticos. Se trata de nanopartículas tan pequeñas que su tamaño controla sus muchas propiedades, como su color. Y eso, a su vez, los hace invaluables en aplicaciones que van desde grandes pantallas a color hasta la producción de energía.
Los ganadores son Moungi Bawendi, del Instituto Tecnológico de Massachusetts, Louis Brus, de la Universidad de Columbia, y Alexei Ekimov, de la empresa Nanocrystals Technology, del estado de Nueva York. Los tres científicos compartirán el premio de 11 millones de coronas suecas, o casi 1 millón de dólares.
Los puntos cuánticos, que producen una cornucopia de colores, son materiales comunes en las grandes pantallas de televisión de hoy en día. Esencialmente son cristales diminutos, pero es más fácil pensar en cada uno de ellos como una bola comprimida, de solo unos pocos nanómetros de diámetro, que contiene electrones. Los electrones son clave para el funcionamiento de los puntos. «Si tomas un electrón y lo pones en un espacio pequeño, su función de onda se comprime», lo que significa que el electrón tiene menos libertad para moverse, dijo Heiner Linke, miembro del Comité Nobel de Química, en el anuncio. La compresión permite que los electrones almacenen más energía.
Los electrones liberan esa energía en forma de fotones, paquetes de luz, y esos fotones aparecerán como colores diferentes, dependiendo de cuánto se aprieten los electrones.
Ese cambio es un efecto cuántico, una de las cosas misteriosas que suceden en el reino de lo increíblemente pequeño. Así, por ejemplo, los puntos más pequeños emitirán más luz azul de longitud de onda más corta que luz roja de longitud de onda más larga. Agrandar ligeramente los puntos cambiará la composición del color.
Los puntos también se utilizan en imágenes biomédicas, para visualizar los vasos sanguíneos que alimentan a los tumores, y en las células solares, donde pueden amplificar la energía generada por los paneles. Cambiar su tamaño también puede cambiar otras propiedades, como su punto de fusión.
Bawendi, cuando fue contactado por teléfono por la Real Academia Sueca de Ciencias después del anuncio, dijo que estaba «muy sorprendido…, somnoliento, conmocionado… y muy honrado». Es posible que el resto del mundo se haya sorprendido un poco menos. El nombre de Bawendi, junto con el de sus dos colegas, se filtró en un documento enviado por la academia horas antes del anuncio oficial. Fue una rara grieta en lo que normalmente es un proceso altamente organizado y confidencial. Hans Ellegren, secretario general de la academia, dijo que la organización no sabía lo que había sucedido.
La noticia, como quiera que saliera, fue recibida con aplausos por otros químicos. «Estas notables nanopartículas tienen un enorme potencial para crear dispositivos más pequeños, más rápidos y más inteligentes, aumentando la eficiencia de los paneles solares y el brillo de la pantalla de su televisor», dijo Gill Reid, presidente de la Royal Society of Chemistry y químico inorgánico de la Universidad de Southampton en Inglaterra, en un comunicado reciente. El Nobel «es realmente emocionante y muestra cómo la química se puede utilizar para resolver una serie de desafíos», dijo.
Y aunque los efectos cuánticos a menudo se consideran la provincia de la física, Judith Giordan, química y presidenta de la American Chemical Society, argumenta firmemente que los puntos son productos químicos. «Somos dueños de electrones. Están en cada átomo», dice. Y aunque los efectos de confinar electrones en espacios diminutos fueron teorizados por los físicos, «fueron los químicos quienes los trasladaron a nuevas arquitecturas de átomos, quienes descubrieron cómo producirlos realmente en el laboratorio y luego en entornos de fabricación».
La noción de puntos cuánticos apareció por primera vez en las teorías en la década de 1930 y luego se estancó durante décadas. Pero a principios de la década de 1980, Ekimov colocó nanopartículas de cloruro de cobre en el vidrio y demostró que el tamaño de las partículas cambiaba el color del vidrio a través de efectos cuánticos. Varios años más tarde, Brus logró alteraciones de color similares con nanopartículas flotando libremente en un fluido.
Bawendi, en 1993, desarrolló una forma de estandarizar la producción de puntos, lo que abrió el campo a muchos otros laboratorios y empresas. «Lo hizo fácil», dice el químico Rigoberto Advíncula, quien trabaja en tecnología a nanoescala en la Universidad de Tennessee, Knoxville. El laboratorio de Bawendi creó una especie de «sopa» de otras sustancias que se adherían a las semillas de puntos cuánticos y regulaban con precisión su crecimiento. Esto hizo que las semillas fueran muy «sintonizables», en la jerga de la química, dice Advíncula. Era una forma sencilla de controlar su tamaño y así sintonizarlos para producir diferentes niveles de energía, añade.
Además de las pantallas grandes y los paneles solares, los puntos se utilizan para ajustar el color de las luces LED para hacerlas menos duras. Los científicos médicos también están explorando su uso como sensores y sondas para moléculas difíciles de encontrar en el cuerpo. Después del anuncio, Bawendi dijo que «es solo el comienzo».
Los descubridores de los puntos cuánticos ganan el Nobel de Química 2023
Los científicos Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Alexei I. Ekimov, que actualmente trabajan en EE UU, han recibido el galardón por desarrollar pequeñísimos componentes de nanotecnología: coloridos cristales formados por unos pocos miles de átomos. Entre sus muchas aplicaciones, difunden su luz en televisores y lámparas LED, además de guiar a los cirujanos para extirpar los tumores.
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha conceddido el Premio Nobel de Química 2023 a Moungi G. Bawendi del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Louis E. Brus de la Universidad de Columbia y Alexei I. Ekimov de la compañía Nanocrystals Technology «por el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos«. Los tres investigadores, que desarrollan su trabajo en centros de EE UU, plantaron una importante semilla para la nanotecnología.
Un punto cuántico es un cristal nanométrico que suele estar formado por unos pocos miles de átomos. En términos de dimensiones, tiene la misma relación con un balón de fútbol que este con el tamaño de la Tierra. Son nanopartículas tan diminutas que su tamaño determina sus propiedades.
El tamaño de un punto cuántico es a un balón de fútbol, lo que a este a la Tierra. / ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Todo el que estudia química aprende que las propiedades de un elemento se rigen por el número de electrones que tiene. Sin embargo, cuando la materia se reduce a dimensiones nanométricas surgen fenómenos cuánticos, que se rigen por el tamaño de la materia.
Los tres premios Nobel de Química 2023 han logrado producir partículas tan pequeñas que sus propiedades están determinadas por estos fenómenos cuánticos.
«Los puntos cuánticos tienen muchas propiedades fascinantes e inusuales. Y lo que es más importante, tienen diferentes colores en función de su tamaño«, afirma Johan Åqvist, presidente del Comité Nobel de Química. Los físicos sabían hacía tiempo que, en teoría, podían surgir efectos cuánticos dependientes del tamaño en las nanopartículas, pero en aquel momento era casi imposible esculpir en nanodimensiones. Por eso, pocos creían que estos conocimientos fueran a tener un uso práctico.
Avance hacia las aplicaciones
Sin embargo, a principios de la década de 1980, Alexei Ekimov (antigua URSS, 1945), consiguió crear efectos cuánticos dependientes del tamaño en cristal coloreado. El color procedía de nanopartículas de cloruro de cobre y Ekimov demostró que el tamaño de las partículas afectaba al colorido del cristal a través de efectos cuánticos. Estos efectos surgen cuando las partículas se ‘encogen’: su tamaño determina el espacio disponible para los electrones, afectando a sus propiedades ópticas. Los puntos cuánticos absorben la luz y luego la emiten a otra longitud de onda, y se observa así que su color depende del tamaño de la partícula.
Los efectos cuánticos surgen cuando las partículas se ‘encogen’, y el color depende de su tamaño. Los puntos cuánticos absorben la luz y luego la emiten a otra longitud de onda.
Unos años más tarde, Louis Brus (Cleveland, EE UU, 1943), fue el primer científico del mundo en demostrar efectos cuánticos dependientes del tamaño en partículas que flotan libremente en un fluido. Después, en 1993, Moungi Bawendi (París, Francia, 1961), revolucionó la producción química de puntos cuánticos, obteniendo partículas casi perfectas. Esta alta calidad era necesaria para poder utilizarlas en aplicaciones.
Esquema del método de Moungi Bawendi para producir puntos cuánticos: inyección de sustancias para generar cristales de seleniuro de cadmio (1), que dejaban de formarse cuando el disolvente se enfriaba (2). Al volverlo a calentar, crecían de nuevo los cristales, más grandes si se dejaban más tiempo (3). / ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
En la actualidad, los puntos cuánticos son de gran importancia en nanotecnología. Estos pequeñísimos componentes iluminan monitores de ordenador y pantallas de televisión basados en la tecnología QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode).
También añaden matices a la luz de algunas lámparas LED, y los bioquímicos y médicos los utilizan para cartografiar tejidos biológicos. Además, ayudan a los cirujanos en sus intervenciones, como la extirpación de tejidos tumorales.
Los puntos cuánticos están aportando grandes beneficios a la humanidad, destacan los responsables del Nobel. La comunidad científica también cree que en el futuro podrían contribuir a la electrónica flexible, los sensores diminutos, las células solares más finas y la comunicación cuántica encriptada. La exploración del potencial de estas diminutas partículas no ha hecho más que empezar.
La mecánica cuántica es una descripción muy elegante de lo que está por encima de lo que vemos