Superconductividad. El Efecto Meissner.

La superconductividad es la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica con resistencia y pérdida de energía cercanas a cero en ciertas condiciones, siendo una de éstas, el encontrarse a muy bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto (-273ºC). Esta propiedad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, cuando observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía cuando se lo enfriaba a 4º Kelvin (-269 °C).

La aparición del superdiamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supercorrientes. Éstas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin obedecer el Efecto Joule de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. Estas mismas corrientes permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energía.

Levitación Magnética

Otra de de las características que define a un supercondutor es que el campo magnético inducido por un campo magnético externo débil es cero en su interior cuando éste es enfriado por debajo de su temperatura de transición superconductora. Este efecto es llamado Meissner-Ochsenfel y es el que permite que los imanes leviten sobre un superconductor (diamagnético perfecto).

En la levitación magnética se utiliza nitrógeno líquido en ebullición, que mantiene al superconductor en un estado de resistencia nula, al aproximar su temperatura al cero absoluto. Cuando el imán desciende hacia el superconductor, induce una corriente eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto al del imán. Como el superconductor no tiene resistencia eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y mantiene el imán suspendido indefinidamente.

Aplicaciones

Desde que se descubrieron las primeras piedras con propiedades magnéticas en la ciudad de Magnesia (Asia Menor), el Hombre ha tratado de buscar aplicaciones al sorprendente efecto del magnetismo. El tren de levitación magnética, o maglev, es un tren suspendido en el aire por encima de una vía, entre 10mm y 15 cm, siendo propulsado hacia adelante por medio de las fuerzas magnéticas (atractivas y repulsivas). La ausencia de contacto físico entre el carril y el tren hace que la única fricción sea la del aire, por lo que se pueden conseguir muy altas velocidades con un consumo de energía razonable, el 40% del consumo normal para un vehículo, y a un bajo nivel de ruido. La línea que une Shanghai con su aeropuerto tarda 7 minutos y 20 segundos en recorrer los 30 kilómetros a una velocidad máxima de 431 km/h y una media de 250 km/h. En Alemania se lleva a cabo la construcción del Transrapid, un maglev que unirá las ciudades de Berlín y Hamburgo, con una velocidad máxima de 500 km/h.

Dentro de la levitación magnética otra de las aplicaciones es el almacenamiento de energía mediante los volantes de inercia, ya que permite hacer girar indefinidamente una rueda superconductora inmersa en un campo magnético de manera que almacene la energía mecánica. Este tipo de dispositivo se estudia para la aplicación en trenes o de aerogeneradores (Cedex).Asimismo la levitación también se aplica en medicina cardiovascular con un sistema de asistencia ventricular, compuesto por un Ventrículo de Asistencia centrífugo y un motor, que proporciona soporte temporal en caso de insuficiencia cardiaca o de fallo ventricular.

Los superconductores también se utilizan como detectores de campos electromagnéticos muy débiles (hasta 100 mil millones de veces más débiles que el campo geomagnético de la Tierra), pudiendo utilizarse en el estudio de señales electromagnéticas generadas por el cerebro.

El próximo estadio en la evolución de los supercomputadoras se denomina computación cuántica, que utilizando las propiedades de la superconductividad podrá alcanzar velocidades 250 más veloces que los actuales supercomputadoras.

Fuente: http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/Superconductividad/Superconductividad.php

¿Cómo ves la ciencia?

Fotografía ganadora de la edición de 2011

¿Cómo ves la Ciencia? es un concurso convocado por la Red de Universidades Valencianas para el fomento de la Investigación, el Desarrollo y la Innovación (RUVID), en colaboración con las siete universidades de la Comunitat Valenciana.

El objetivo de este concurso es motivar la reflexión del público en general sobre la ciencia y la tecnología a través de la fotografía.

En esta página web podrás conocer las bases y participar en el concurso. En la sección galería podrás visualizar todas las fotografías que participan en el concurso: www.ruvid.org/comoveslaciencia

Modelos tridimensionales de enlace químico

4º A

Si pincháis en el título de este post, accederéis a una aplicación java que os permitirá explorar estructuras moleculares y cristalinas iónicas y covalentes

Cuasicristales, osadía, tesón y belleza

4º A

JUAN MANUEL GARCÍA RUIZ - El País - 12/10/2011

Belleza es sinónimo de simetría, de orden, y de eso va la cristalografía. Los cristales no son otra cosa que apilamientos ordenados de pedacitos idénticos de materia (átomos, moléculas, macromoléculas ...). No vemos ese orden íntimo porque esos pedacitos de materia son demasiado pequeños para nuestros ojos, e incluso para nuestros microscopios, pero podemos reconocer el resultado de ese orden regular en las subyugantes y angulosas formas externas de los cristales. Y podemos notarlo a diario por las propiedades derivadas de ese orden interno: en alimentos que comemos, en medicinas que tomamos, en dispositivos tecnológicos que usamos, o en los huesos que nos mantienen erguidos. Casi todo está basado en cristales.

¿Cuántos tipos de cristales existen? Es decir, ¿de cuantas formas distintas puede ordenarse la materia? Aunque parezcan ilimitadas, lo cierto es que son muy pocas las opciones para rellenar ordenadamente un espacio repitiendo periódicamente una misma pieza. Por ejemplo, si queremos rellenar una superficie lo podemos hacer con rectángulos, con triángulos, con cuadrados o con hexágonos, pero no con pentágonos. Por eso no venden losetas pentagonales, o si las venden, se combinan con los rombos necesarios para rellenar los inevitables huecos entre pentágonos. Desde el siglo XIX, la cristalografía goza de una preciosa demostración de que hay únicamente 17 formas distintas de alicatar una superficie, formas que se pueden disfrutar visitando la Alhambra, ya que eran conocidas por los geómetras árabes. Y también se demuestra que sólo existen 230 formas distintas de empaquetar periódicamente un volumen con unidades idénticas. Ni una más, ni una menos.

Los cristalógrafos comprobamos ese orden cuando iluminamos un cristal con un haz de electrones, neutrones o rayos X. Entonces el cristal genera (difractando la luz) bellas constelaciones de puntos que muestran la simetría del ordenamiento. Y siempre esas constelaciones coinciden, como manda la teoría, con una de las 230 formas distintas de empaquetamiento. Siempre con simetría de orden uno, dos, tres, cuatro o seis. Nunca con ejes de rotación de orden cinco, ni más de seis.

Hace 29 años, durante una estancia sabática en Estados Unidos, el israelí Daniel Shechtman realizaba uno más de los estudios de difracción que se hacen a diario, cuando observó que su constelación de puntos tenía una simetría de orden cinco: ¡pentágonos! Un científico que no mereciera un Nobel habría pensado que había cometido un error, y se hubiera olvidado de ello. Dan Shechtman no. Lo revisó una y otra vez y se lo contó a sus colegas de laboratorio. Ellos le dijeron que eso era imposible y que él debería saberlo. Repitió los experimentos, comprobó una y otra vez los resultados y trató de publicarlos sin éxito. Los publicó dos años después con ayuda de otros colegas.

Les asaetearon con duras críticas, incluyendo la de cristalógrafos y químicos tan excelsos como Linus Pauling, dos veces laureado con el Nobel. ¡Cómo iba a ser errónea una teoría cerrada y probada durante más de un siglo! Le resultó difícil seguir investigando, pero no cejó en el empeño.

Más tarde, otros colegas descubrieron muchos más casos similares que también rompían la simetría canónica de la cristalografía. La explicación estaba en algo que los matemáticos habían encontrado unos años antes: que las superficies y los volúmenes pueden rellenarse completamente siguiendo pautas regulares pero no necesariamente, periódicamente perfectas. Por ejemplo, pueden hacerlo con simetría de dilatación, siguiendo pautas como la serie de Fibonacci, ligada al famoso número de oro, para algunos el canon geométrico de belleza.

Lo que Shechtman había encontrado eran los primeros materiales que -contra todo pronóstico- estaban ordenados cuasi periódicamente, es decir, los cuasicristales. Ya se le busca a este descubrimiento aplicaciones como materiales antiadherentes, aislantes y en la fabricación de aceros de alta tecnología. Pero eso cuenta poco en este caso. Lo que importa es que la tenacidad de este israelí ha roto una teoría considerada cerrada, intachable e intocable, mostrando que aún le queda larga vida a la cristalografía y que el mundo que tenemos ahí afuera, cada vez se revela menos discreto, menos compartimentado y clasificable y más continuo de lo que parecía.

Este Nobel de Química es un premio a la mera curiosidad, el motor de todo descubrimiento. Y también una llamada de atención para los jóvenes científicos. Como el propio Shechtman aconseja, "si encuentras algo radicalmente nuevo, defiéndelo". Te lloverán las críticas, y serán más duras cuanto más heterodoxo sea tu hallazgo. Si estás en lo cierto, al final te darán la razón. Y si no, todos habremos aprendido mucho en el camino.

Juan Manuel García Ruiz es investigador del CSIC y director del Master on Crystallography and Crystallization del CSIC y la Universidad Internacional Menéndez Pelayo.

Enlace Químico

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Aquí tenéis un pequeño video que nos explica de forma sencilla cómo se producen los diferentes tipos de enlace químico.

Nobel de Química 2011 para los cuasicristales

Daniel Shechtman recibe el galardón en solitario por un descubrimiento de hace 30 años que fue muy controvertido

EL PAÍS - Madrid - 05/10/2011

Daniel Shechtman, científico del Instituto de Tecnología de Haifa (Israel), recibe este año el Premio Nobel de Química, en solitario, por el descubrimiento de los cuasicristales, según ha anunciado la Real Academia de Ciencias Sueca.

Shechtman, nacido en Tel Aviv hace 70 años, hizo el descubrimiento en 1982, trabajando en Estados Unidos durante un año sabático, en el NIST (U.S. National Institute of Standars and Technology), ha comentado el comité Nobel al presentar el galardón.

"En los cuasicristales encontramos los fascinantes mosaicos del mundo árabe reproducidos al nivel de átomos: patrones regulares que nunca se repiten a si mismo", explica la Academia sueca. "Sin embargo la configuración descubierta en los cuasicristales se consideraba imposible y Shechtman tuvo que luchar una dura batalla contra la ciencia establecida", añaden los académicos. El hoy trabajo premiado alteró fundamentalmente la concepción de los químicos acerca de la materia sólida.

Se creía que en la materia sólida los átomos estarían dentro de los cristales siguiendo un patrón simétrico que se repetiría periódicamente una y otra vez. Para los cíentíficos, se requería la repetición para obtener un cristal. Por ello, cuenta la Fundación Nobel que la imagen que surgió en el microscopio electrónico ante los ojos de Shechtman, en la mañana del 8 de abril de 1982, contradecía las leyes de la naturaleza. Los átomos en el cristal de esa imagen formaban un patrón que no podía repetirse y que, en teoría, era imposible. El descubrimiento fue, por supuesto, muy controvertido, hasta el punto de que, ante la defensa insistente que hizo el hoy galardonado con la máxima distinción de la ciencia en su especialidad, se le pidió entonces que abandonara el grupo de investigación. Finalmente la comunidad científica tuvo que capitular ante la evidencia y reconsiderar el concepto que se tenía de la naturaleza de la materia.

"Cuando los científicos describen los cuasicristales de Shechtman, utilizan un concepto derivado de las matemáticas y del arte: el número áureo, que despertó el interés incluso de los matemáticos de la Antigua Grecia. En los cuasicristales, por ejemplo, la relación entre distancias entre átomos está relacionada con ese número áureo", continúa la explicación del Premio Nobel. Tras el descubrimiento de Shechtman, otros investigadores han hecho distintos tipos de cuasicristales en laboratorio e incluso han descubierto algunos en la naturaleza, en muestras de minerales de un río en Rusia. Los cuasicristales también han saltado al mundo industrial.