Supermateriales 1996

Supermateriales 1996

Ciencia

Sobre el Premio Nobel de física 1996 otorgado a tres científicos cuyos campos de estudio son muy diferentes: el helio y el carbono.

Isidoro Rasines

Nueva Revista 048 de Política, Cultura y Arte, ISSN: 1130-0426

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Supermateriales 1996 [ Isidoro Rasines ] Dos elementos químicos tan diferentes como el helio y el carbono son noticia este año. No tenían entre sí casi nada en común. Y desde ahora, tras la concesión de los premios Nobel 1996, quedarán unidos para siempre en la historia de la ciencia. El de física acaba de otorgarse a tres científicos: D. Osheroff, de la Universidad de Stanford (California); D. Lee y R. Richardson, de la de Cornell (Nueva York), por haber descubierto, hace 25 años, que el isótopo de masa tres del helio es superfluido. El de química ha sido concedido a otros tres científicos, H. Kroto, de la Universidad de Sussex (Inglaterra) y R. Curly R. Smalley, de la Universidad de Rice, en Houston (Texas), por haber descrito en 1985 una nueva forma del carbono, llamada fulereno, que es la matriz de los materiales superconductores moleculares de temperatura crítica más elevada que se conocen hoy. absoluto. Cabe incluso convertirlo l helio viene a ser prácticaen sólido si se somete a presión y se mente una mezcla de dos desciende aún algo más la temperaEclases de átomos, los isótotura. pos 4He y 3He (helio cuatro y helio El gas helio es muy ligero. En tres), que se llaman así porque pecondiciones normales, diez litros san cuatro y tres unidades de masa pesan menos de dos gramos. Por atómica, respectivamente. Ambos eso se usa para llenar globos y en aparecen en la naturaleza mezclaeste aspecto aventaja al hidrógeno, dos en la proporción de un átomo porque aunque el hidrógeno pese del isótopo 3He por cada millón de la mitad, tiene el inconveniente de átomos del de masa cuatro. La ser muy reactivo, de combinarse mezcla, el helio natural, es gas en con casi todo: es bien sabido que condiciones normales, aunque basta encender una cerilla para que puede licuarse si se enfría mucho, a reaccione con el oxígeno del aire de unos 269 grados bajo cero, es demodo explosivo. Por el contrario, cir, a unos cuatro grados del cero el helio es inerte, no reacciona con tículas del líquido se mueven de nada, pues pertenece al grupo de igual modo, sin rozamiento entre los gases que se llamaban nobles ellas. La condensación de Bosecuando se pensaba que no podían Einstein se observó por primera combinarse con otros elementos, vez hace cuarenta y ocho años en hasta que se descubrió que los más 4He líquido. Y aunque la teoría de pesados (el xenón, por ejemplo) J. Bardeen, L.N. Cooper y J.R. forman compuestos, y pasaron enSchrieffer (BCS) que explica la sutonces a llamarse gases raros. perconductividad en materiales Como el helio no tiene commetálicos permitió pensar que puestos conocidos, interesa muy también 3He podía ser superfluido, poco a la química, aunque se utiliesto no logró observarse hasta ce en el laboratorio para lograr 1971. temperaturas muy bajas; en camEl descubrimiento de la superbio, es un material interesantísimo fluidez de 3He fue accidental. para la física, precisamente por sus Cuando OsherofF hacía la tesis con propiedades físicas, entre otras su Lee, los dos y Richardson estaban condición de líquido superfluido. estudiando otra cuestión, el antifeA diferencia de los líquidos normarromagnetismo nuclear en 3He sóles, el helio carece de rozamiento lido. Al enfriar gradualmente una interno: cuando se deja de agitar mezcla de 3He líquido y sólido reun líquido normal, al cabo de no gistraron, a sólo tres milésimas de mucho tiempo vuelve a quedar en grado del cero absoluto, una flucreposo, pues el rozamiento entre tuación de la velocidad de enfrialas partículas que lo forman acaba miento que atribuyeron en primer disipando la energía de agitación; momento a una transición de fase en cambio, el helio fluye continuadel sólido. Un año más tarde, desmente, se cuela por huecos impepués de continuar trabajando, se netrables para otros líquidos y hasdieron cuenta de que esa fluctuata puede trepar por las paredes del ción se debía a una transición BCS, recipiente. es decir, a la transformación de un Este fenómeno es un efecto pefluido normal en un superfluido. culiar que rebasa las leyes de la hiComo en tantos casos, el hadrodinámica clásica. Se llama conllazgo importante fue posible gradensación de BoseEinstein, lo excias a científicos de talento, laboplica la mecánica cuántica y consisriosos, que intentaron entender a te en que, a temperaturas muy bafondo los resultados obtenidos. jas, una gran proporción de las parOsheroff, que solía trabajar hasta que, al doparlo con metales alcalialtas horas de la noche, conserva su nos, se transforma en un material cuaderno de laboratorio, donde superconductor de temperatura apuntó a las tres menos veinte de la crítica 33 grados por encima del mañana del 20 de abril de 1972: cero absoluto, veinte grados más esta noche he descubierto la tranelevada que la marca anterior para sición BCS en 3He. El premio Noun superconductor molecular. bel ha llegado veinticinco años después. Durante este tiempo, el haLas tres formas de carbono se llazgo de Osheroff, Lee y Richarddiferencian en el modo de colocarson ha estimulado el estudio del se los átomos. En el diamante, cacomportamiento de muchos sisteda uno se rodea de otros cuatro simas macroscópicos a temperaturas tuados en los vérdces de un tetraeextremadamente bajas a las que dro, formando en todas las direcaparecen y cabe observar efectos ciones del espacio una molécula gimecanocuánticos que no sabe exgante. En el grafito, del que están plicar la física clásica. hechas las minas de los lápices, hay capas formadas por átomos de carbono que ocupan los vértices de Superconductores moleculares hexágonos C6 con aristas comunes; cada átomo se rodea en su capa de A diferencia del helio, el carbootros tres a distancias más bien peno es un sólido con todas las de la queñas, mientras que las distancias ley: hay que calentarlo sin aire a entre capas son mucho mayores. unos 3.500 grados para que se conEn el fulereno hay moléculas Cm, vierta en líquido, y a casi a 5.000 con los átomos de carbono situagrados para que sublime, es decir, dos como en los vértices de los se transforme en gas. También en pentágonos y hexágonos de un bacontraste con el helio, la química lón de fútbol. De ahí su nombre, del carbono es extensísima, pues derivado del de R.B. Fuller, un areste elemento forma muchos cienquitecto que usó elementos semetos de miles de compuestos. Hasta jantes en las estructuras que pro1985 se pensaba que el carbono se yectó. presenta sólo en dos formas, el diaLa historia del fulereno muestra mante y el grafito. Hace poco más cómo el avance científico actual es de diez años se describió una nueva interdisciplinar. De los tres galarforma, el fulereno. El fulereno saltó donados, Kroto, que es astrofísico, a los periódicos cuando R. Hadestudiaba en Sussex el polvo estelar. don, de los laboratorios Bell de Había previsto teóricamente que la New Jersey, descubrió en 1991 atmósfera exterior de las estrellas En 1985, cuando publicaron en gigantes rojas produciría largas caNature su trabajo, hubo muchos denas carbonadas y quería prepaescépticos, porque la descripción rarlas en el laboratorio. Smaller y del fiilereno no iba acompañada de Curl disponían de la infraestructuuna determinación estructural por ra necesaria, pues habían construítécnicas de difracción. Ese estudio do un instrumento con el que no fue posible hasta cinco años —mediante radiación láser y en atmás tarde, cuando D. Huffman, de mósfera inerte— vaporizaban sólila Universidad de Arizona, y W. dos para estudiar los materiales seKrátschmer, del Instituto Max miconductores y metálicos que crePlanck de Física Nuclear de Heicían a partir del vapor. Kroto y delberg, lograron preparar cantidaCurl coincidieron en la primavera des apreciables de fiilereno. Estude 1984 en un congreso y, año y dios por difracción de rayos X conmedio después, comenzaron a cofirmaron entonces la estructura laborar. propuesta inicialmente. Poco después de comenzar a evaporar carbono, los tres premia0 pasado dos y dos doctorandos, J. Heath y S. OBrien, observaron un pico inLa concesión del premio Nobel tensísimo en los espectros de masas ha llegado esta vez con varios años del vapor, señal de que se estaban de retraso: ha habido que esperar formando moléculas constituidas un cuarto de siglo para el de física por 60 átomos de carbono. Por y un decenio para el de química. otra parte, comprobaron que, sorNo siempre tardó tanto. Por ejemprendentemente, esas moléculas no plo, H. KamerlinghOnnes, el físison reactivas, pues cuando se inco holandés que en 1911 descubrió tentaba que se combinaran con la superconductividad, recibió el otros materiales, los espectros no se mismo premio solo dos años desalteraban. Este resultado indicaba pués de su hallazgo. Viene aquí a que los átomos que constituyen las propósito este descubrimiento porunidades C60 tienen satisfechas toque es precedente común de la sudas sus capacidades de enlace. Penperfluidez de 3He y de la nueva fasaron entonces que una ordenación milia de fulerenos superconductode átomos de carbono en hexágores. nos y pentágonos, como en un baEl hallazgo de la superconductilón de fútbol, cumple estos requisividad se debe también a un homtos. bre de talento, laborioso, con capacidad para proponerse objetivos gró la licuefacción del helio, dispoambiciosos y criticar a fondo los nía de helio líquido suficiente para resultados experimentales obteniobtener temperaturas cercanas al dos. Poco antes de su descubricero absoluto, por lo que midió la miento había logrado licuar el hevariación de la resistividad eléctrica lio tras un pugilato con Dewar, del mercurio hasta temperaturas que quebrantó la salud de ambos. muy bajas. Así descubrió que a 269 Organizó en su Universidad, en grados bajo cero, a cuatro del cero Leiden, una sesión memorable a la absoluto, el mercurio —sólido, a que invitó a los físicos europeos esas temperaturas— dejaba de ser más conocidos. Desde primera hoconductor metálico, con una cierta ra de la mañana hasta bien avanzaresistividad, para pasar a ser superda la tarde del día fijado, los conconductor, es decir, para transitar a vocados fueron testigos, por primeun estado de resistividad nula. ra vez en la historia, de la obtenA pesar de que lo intentaron fíción de poco más de medio litro de sicos de primera, Einstein entre helio líquido. otros, el fenómeno descubierto en La finalidad que se proponía 1911 no se explicará satisfactoriaKamerlinghOnnes está muy bien mente hasta cuarenta y seis años definida en el artículo en el que damás tarde, cuando en 1957 Bardeba cuenta de su descubrimiento. en, Cooper y Schrieffer, que tamIntuía que los materiales tenían bién lograrían el premio Nobel, que presentar, a temperaturas muy proponen la teoría que se conoce bajas, muy cercanas al cero absolucon sus iniciales, BCS. De modo seto, propiedades singulares, inespemejante a los superfluidos, cuando radas. Aunque se pensaba y se un material alcanza la temperatura continúa pensando— que los átoa la que se torna superconductor mos de los sólidos ocupan posicio—la temperatura crítica—, se anula nes fijas en el espacio, a la vez se sasu resistencia al paso de la corriente bía que la temperatura los hace vieléctrica, los electrones se asocian brar en esas posiciones. Eliminar la en pares que se mueven acompasavibración térmica llevaría, según la dos, llevando el paso del mismo intuición de KamerlinghOnnes, a modo. Así evitan las colisiones enfenómenos singulares. Y así fue. tre ellos, de modo que la corriente Una vez recuperado del agotafluye sin pérdida de energía. miento que le habían producido Los sesenta años que transculas noches en claro y la tensión a rren desde 1911 hasta que se desque estuvo sometido hasta que locubre la transición BCS de 3He muestran cómo se produce el avancómo introducir en las moléculas ce científico. Primero se observa en C60 muchas clases de átomos y cómo sacarlos después. De la misma el laboratorio una propiedad llaforma que se ha logrado una nueva mativa, a menudo inesperada, no familia de superconductores molesiempre la que se trataba de enconculares cuando se han dopado con trar. A continuación, la comunidad elementos alcalinos, se espera ahora científica se propone de modo perencontrar otros materiales con proseveran explicar desde un punto de piedades ópticas, eléctricas y magvista teórico la propiedad observanéticas no menos llamativas. da. A veces, como en el caso de la superconductividad de materiales Los hallazgos felices que han metálicos, se tarda mucho tiempo conducido a los premios Nobel de en formular una buena teoría. Luefísica y química de este año permigo, las teorías superan el fenómeno ten esperar desarrollos y descubrique las originó y permiten predecir mientos aún más espectaculares panuevos fenómenos que acaban obra el futuro próximo. Así ha sido servándose en el laboratorio: como desde que comienza en el siglo la transición de 3He al estado suXVIII el desarrollo de la ciencia moperfluido, en el caso de la teoría derna. Lo había formulado años BCS. antes Niels Stensen (Esteno, como le llamamos en castellano), un daEl futuro nés que vivió en el siglo XVII a quien se deben hallazgos imporLas peculiaridades del helio a tantes en el ámbito de la anatomía las que me he referido continuarán humana y la cristalografía, donde estimulando durante los próximos descubrió la ley de la constancia de años el estudio de muchos materialos ángulos diedros de los cristales. les a temperaturas extremadamente Escribió en el idioma científico de bajas, a las que se producen fenóla época estas palabras: pulchra menos interesantísimos, inesperaquae videntur, pulchriora quae dos para las leyes de la física clásica, sciuntur, longe pulcherrima quae igaunque sean previsibles por la menorantur. Algo así como: son becánica cuántica. Por otra parte, las llas las cosas que se ven; más bellas posibilidades que abre el fiilereno las que se conocen; pero muchísien el ámbito de la ciencia de matemo más bellas las que aún no se sariales son muy dilatadas. Ya se sabe ben. •