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Una revolucionaria ecuación permitirá crear nuevos materiales

Los dispositivos electrónicos y el sector automotriz se verían beneficiados


Ingenieros de la Universidad de Princeton han desarrollado una innovadora ecuación, que sentaría las bases desde el campo teórico para la creación de nuevos materiales más eficientes con aplicación industrial. Dispositivos electrónicos más pequeños, o automóviles con mayor eficiencia energética serían algunos de los beneficios ligados con estos nuevos materiales, de los cuales se conocerían sus principales condiciones antes de su creación. Para arribar a este hallazgo, los especialistas avanzaron sobre una antigua teoría de la física cuántica, formulada originalmente en 1920. Por Pablo Javier Piacente.




Esta ecuación podría marcar un antes y un después en la ciencia e ingeniería de materiales. Imagen: Frank Wojciechowski / Universidad de Princeton.
Esta ecuación podría marcar un antes y un después en la ciencia e ingeniería de materiales. Imagen: Frank Wojciechowski / Universidad de Princeton.
La formulación de una revolucionaria ecuación por parte de ingenieros de la Universidad de Princeton podría desembocar en la creación de nuevos materiales con amplias aplicaciones, que contarían con importantes ventajas en el terreno de la electrónica y la industria automotriz, por ejemplo. El gran avance de esta ecuación está relacionado con la posibilidad de predecir las características más importantes de un nuevo material antes de ser creado.

Para llegar a esta innovación, los ingenieros realizaron en un gran avance en física cuántica, una teoría con más de 80 años de antigüedad, desarrollada en la década de 1920. Esto podría allanar el camino para el desarrollo de nuevos materiales, capaces de conformar dispositivos electrónicos más pequeños y vehículos más eficientes energéticamente.

De esta manera, los investigadores descubrieron una nueva manera de predecir las características más importantes de un nuevo material antes de su creación. La flamante fórmula permite a los ordenadores modelar las propiedades de un material hasta 100.000 veces más rápido que en la actualidad, ampliando enormemente la gama de propiedades que los científicos puedan estudiar en los materiales.

La profesora de ingeniería Emily Carter, de la Universidad de Princeton, fue la directora del proyecto. La innovación fue difundida mediante una nota de prensa del mismo centro de estudios, y también mereció un artículo en la revista científica Physical Review B, de la American Physical Society.

Conocer los materiales en profundidad

Según los especialistas, la mayoría de los materiales no son perfectos para muchas de sus aplicaciones, y precisamente sus fallas son las que terminan evidenciando parte de las propiedades más importantes, al no poder determinarlas previamente. El conocimiento previo de sus características evitaría múltiples inconvenientes.

La nueva ecuación permite modelar hasta un millón de átomos de cada sustancia, acercándose al conocimiento de las propiedades reales de las mismas, algo que lógicamente desembocaría en la confección de materiales con un mayor grado de perfección. Asimismo, se conocerían previamente y en profundidad gran parte de sus condiciones.

Al ofrecer una vista panorámica del comportamiento de las sustancias en el mundo real, la nueva fórmula brinda una excelente herramienta para el desarrollo de nuevos materiales, los cuales pueden ser especialmente creados de acuerdo a las necesidades de nuevas tecnologías en múltiples campos.

Las aplicaciones son realmente infinitas: carrocerías más livianas y aleaciones metálicas más fuertes, por ejemplo, podrían favorecer el desarrollo de vehículos más eficientes energéticamente. Por otro lado, dispositivos electrónicos más pequeños y rápidos podrían ser producidos a partir de nanocables, que contarían con diámetros decenas de miles de veces más pequeños que el de un cabello humano.

Aplicación en nuevos materiales y tecnologías

Esta nueva forma de predecir las propiedades más importantes de las sustancias podría acelerar el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías. El significativo avance permitiría a los investigadores ampliar considerablemente la gama de materiales que pueden ser estudiados con fines tecnológicos.

La nueva teoría tiene su origen en la ecuación de Thomas-Fermi, un concepto propuesto por Llewellyn Hilleth Thomas y el premio Nobel Enrico Fermi en 1927. La ecuación es una forma simple de relacionar dos características fundamentales de los átomos y las moléculas. Se especuló con que los electrones poseen su energía como resultado de su movimiento, y que por lo tanto la misma podría calcularse en función de la distribución de los electrones en un material dado.

De esta manera, los electrones que se limitan a una pequeña región tienen mayor energía cinética, mientras que aquellos que se distribuyen en un gran volumen tienen menos energía. En 1964, los científicos Pierre Hohenberg y Walter Kohn (éste último también premio Nobel) demostraron que el concepto de Thomas y Fermi se podía aplicar a los materiales reales.

Analizando las características de semiconductores y metales en base a la teoría de Thomas y Fermi, Emily Carter y su ayudante Chen Huang, estudiante graduado de Princeton, hallaron una ecuación que sirvió para estos dos tipos de materiales, encontrando de esta manera un modelo que podría funcionar para una amplia gama de materiales y permitiría aplicar con precisión la mecánica cuántica a una escala nunca antes posible. La investigación fue financiada por la National Science Foundation.


Miércoles, 3 de Marzo 2010
Pablo Javier Piacente
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