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    A lo largo de la historia de la humanidad, el conocimiento de nuevos materiales ha sido clave para el desarrollo de la civilización. Épocas enteras fueron bautizadas en honor a la piedra y al bronce y al hierro. En los años 20 y 30 del siglo XX, comenzó la era de los polímeros.

    Desde entonces no podemos imaginar nuestra vida sin los materiales plásticos y el caucho. Unas décadas más tarde, pasó al primer plano el silicio, que impulsó el desarrollo de la electrónica y de las tecnologías digitales modernas. Hoy en día, los científicos empiezan a crear materiales innovadores con propiedades que no existen en la naturaleza. Los investigadores de las universidades rusas que forman parte del Proyecto 5-100 hablaron sobre los últimos logros científicos en este ámbito.

    Materiales con propiedades inimaginables

    En muchos laboratorios del mundo, los científicos están intentando desarrollar los llamados metamateriales, cuyas características son más amplias que las de los componentes que los forman. Desde el punto de vista físico, se trata de estructuras formadas artificialmente y construidas de manera especial que tienen unas propiedades ópticas y electromagnéticas no disponibles en la naturaleza.

    En el futuro, los materiales nuevos permitirán hacer cosas invisibles, crear cargadores universales inalámbricos y sistemas para almacenar enormes cantidades de información, así como controlar las propiedades de superconductores.

    La invisibilidad que los escritores de ciencia ficción describen en sus obras tan a menudo se refiere no solo a las características ópticas de los objetos. El ruido de que estamos protegidos es invisible tanto como lo son los golpes físicos que no sentimos. Los materiales modernos permiten alcanzar protección invisible para los soldados y para los vehículos, entre muchas otras cosas.

    Según informó Forbes en 2020, el Laboratorio de Investigación del Ejército de EEUU financia los estudios para crear metamateriales que pueden hacer que la energía de las ondas mecánicas vaya alrededor de los objetos, protegiéndolos de explosiones, ondas de choque, terremotos o vibraciones. Tales desarrollos pueden conseguir que un submarino o un puente sea invisible para la energía mecánica.

    Revestimiento invisible

    Los científicos rusos encontraron la manera de crear un revestimiento plano de baja detectabilidad que puede ocultar cualquier objeto de forma alargada (antenas de aviones, mástiles de barcos) de los radares y otros sistemas de detección. Los resultados se publicaron en la revista Scientific Reports.

    "Hemos creado un revestimiento especial basado en un perfecto difusor dipolar magnético que convierte un objeto alargado metálico con repercusión eléctrica en un objeto con repercusión magnética. Como resultado, obtenemos un objeto invisible", dijo uno de los autores del estudio, el empleado de NUST MISIS Alexéi Basharin.

    Para hacer esto, los investigadores desarrollaron una estructura plana de metamaterial que apenas interactúa con las ondas electromagnéticas que ejercen influencia sobre ella, dejándolas pasar a través de sí misma.

    El material consiste de un conjunto de nanopartículas metálicas y dieléctricas que están colocadas en un patrón repetitivo. Con este patrón el objeto ocultado deja de interactuar con el componente eléctrico de la luz y no lo dispersa. Esto permite evitar la aparición de efectos que revelan la existencia de un objeto invisible, así como aislar perfectamente diferentes emisores, por ejemplo, las antenas de los satélites que están colocadas cerca una de la otra.

    En el futuro, los científicos planean crear una versión mejorada del revestimiento que interactúe no solo con el componente eléctrico de las ondas electromagnéticas, sino también con el componente magnético. Según las palabras de Alexei Basharin, la creación experimental de tales estructuras será un gran avance en el desarrollo de invisibilidad perfecta.

    Transmisión de energía por aire

    Los científicos de la Universidad ITMO desarrollaron un metamaterial que permite transmitir energía por el aire en varias frecuencias al mismo tiempo que hace posible crear unos cargadores universales inalámbricos. El material nuevo se puede utilizar con diferentes tipos de receptores inalámbricos o transmisores eléctricos simultáneamente. Representa un conjunto de varios conductores, colocados de manera especial y conectados entre sí con condensadores.

    "Nuestro material tiene muchas propiedades singulares, incluida la dispersión inversa de frecuencia y varias frecuencias resonantes con un campo magnético uniforme por medio de las cuales se puede transmitir energía por el aire", explicó la investigadora de la Universidad ITMO, Polina Capitánova.ya,

    Los científicos ya crearon un prototipo del nuevo cargador universal. Comprobaron su funcionamiento conectando varios diodos emisores de luz a diferentes tipos de receptores eléctricos inalámbricos y colocándolos sobre la mesa donde estaba el metamaterial. El cargador transmitía la energía de manera estable por tres vías distintas y la suministraba a todos los dispositivos conectados. Los resultados se publicaron en la revista científica Applied Physics Letters.

    Controlando la superconductividad

    En 2020, un logro científico relacionado con la creación del primer superconductor que funciona a temperatura ambiente tuvo amplia repercusión. Según los autores del estudio, gracias a tecnologías como esa dejaremos de usar baterías eléctricas.

    Los superconductores son materiales capaces de conducir corriente eléctrica sin resistencia. La superconductividad es uno de los descubrimientos más extraordinarios del siglo XX. Existen prototipos de computadoras cuánticas que utilizan elementos superconductores para almacenar información. Además, los superconductores se utilizan para crear un campo magnético potente, por ejemplo, en el proyecto del Reactor Termonuclear Experimental Internacional ITER.

    Los científicos de la Universidad Politécnica de Tomsk propusieron un nuevo instrumento para modificar y controlar las propiedades de los materiales superconductores, cambiando la forma geométrica del material o, dicho de otra forma, haciendo un tubo fino. Antes, para controlar las propiedades tradicionalmente añadían unos aditivos al material o defectos.

    Durante el proceso de simulación, los investigadores hallaron un efecto interesante. Bajo la influencia de la corriente eléctrica, cambiaba la configuración de las corrientes circulantes superconductores del material (el niobio) en forma de tubo. Resulta que el material tiene unas áreas conductoras y no conductoras a la vez. Además, es posible influir sobre su estado, cambiando las características del campo magnético. En perspectiva, este descubrimiento permitirá controlar las propiedades de los superconductores.

    Los autores del artículo, publicado en la revista Communications Physics, señalan que las propiedades superconductoras del niobio en forma plana ya se han estudiado bien, mientras que las propiedades del material en otra forma geométrica —por ejemplo, en forma tubular— se han estudiado escasamente. Además, no existen herramientas para hacer pronósticos acerca de su comportamiento. Por eso los expertos propusieron unos modelos para pronosticar sus propiedades.

    Membranas nanoestructuradas baratas

    Otro material moderno son las membranas metálicas con una estructura ordenada nanodimensional. Tienen unas propiedades únicas que permiten a los científicos controlar los campos magnéticos y remagnetizar estas membranas. Resulta posible crear sistemas para registrar y almacenar de manera segura unas cantidades enormes de información o sensores de nanopartículas magnéticas con las que se puede monitorear el estado de la sangre de un paciente, la concentración de partículas en ella, la velocidad de la liberación y la absorción de un medicamento en el cuerpo.

    La creación de un conjunto ordenado de aberturas nanodimensionales con el mismo diámetro en un área grande es bastante complicado y costoso si abordamos esta tarea directamente, haciendo aberturas en una membrana continua. Los científicos de la Universidad Federal de los Urales encontraron otra solución que es menos costosa y propusieron utilizar el efecto de autoensamblaje o autoorganización.

    La esencia de este efecto radica en aplicar la tecnología de anodización de aluminio para obtener superficies porosas con pequeñas modificaciones que permiten hacer aberturas de diámetro bien controlado que están ordenadas en una red hexagonal. El aluminio anodizado está compuesto por un material muy sólido con la fórmula química Al2O3 que en el estado cristalino es conocido como corindón o zafiro. Debido al proceso de autoorganización de poros, aparece una superficie que se parece a un panal de abejas, reducido aproximadamente un millón de veces.

    El sustrato de aluminio con poros colocados en orden fue desarrollado hace un cuarto de siglo. En los últimos años, lo utilizan como base para las membranas, incluidas las magnéticas, y como un modelo para obtener nanocables metálicos.

    ​Los físicos de la Universidad Federal de los Urales junto con los investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (España), utilizando un método conocido, obtuvieron una membrana amorfa única TbCo con anisotropía magnética perpendicular. Los resultados del estudio se publicaron en la revista Nanotechnology.

    "Lo peculiar de este material consiste en que contiene dos subredes magnéticas, cuyos momentos magnéticos se dirigen en direcciones opuestas. Las propiedades magnéticas de la membrana pueden cambiar significativamente debido a su cierta composición y durante el calentamiento o enfriamiento. Por ejemplo, los momentos magnéticos de terbio o cobalto serán dominantes o prácticamente iguales. Esta propiedad puede ser especialmente útil para crear entornos para la grabación magnética de información", dijo el investigador principal del Departamento de Magnetismo de Cuerpos Sólidos de la Universidad Federal de los Urales, Nikita Kulesh.

    Según los científicos, la membrana magnética con las aberturas nanodimensionales es interesante porque permite superar el llamado límite superparamagnético, cuando el bit se vuelve tan pequeño que la energía de las vibraciones térmicas comienza a prevalecer sobre la energía de la anisotropía magnética.

    De momento, la Universidad Federal de los Urales ha realizado el ciclo completo de creación de membranas nanoperforadas con varias composiciones del revestimiento. Además, se lleva a cabo la síntesis electroquímica de sustratos porosos de aluminio anodizado con aberturas de diferentes diámetros o un conjunto de protuberancias nanodimensionales, se realiza la precipitación de revestimientos de membrana con control de precisión de composición y grosor. También los científicos disponen de equipos para estudiar las muestras obtenidas.

    El objetivo del Proyecto 5-100 que se lleva a cabo en el marco del proyecto Educación es contribuir al fomento de capacidades de investigación científica de las universidades rusas y desarrollar su competitividad en el mercado mundial de servicios educativos.

    Etiquetas:
    material, física cuántica, Rusia, ciencia
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