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Científicos de la Universidad de Manchester han logrado el muy buscado desarrollo de hacer membranas de grafeno capaces de filtrar sales comunes.

La nueva investigación demuestra el potencial real de proporcionar agua potable a millones de personas que luchan por acceder a fuentes adecuadas de agua limpia.

Los nuevos hallazgos, realizados por un grupo de científicos de la Universidad de Manchester, en Reino Unido, se detallan este lunes en un artículo publicado en la revista ‘Nature Nanotechnology’. Anteriormente, las membranas de óxido de grafeno han mostrado un potencial interesante para la separación de gases y la filtración de agua.

Las membranas de óxido de grafeno desarrolladas en el Instituto Nacional de Grafeno ya han demostrado el potencial de filtrar pequeñas nanopartículas, moléculas orgánicas e, incluso, sales grandes. Sin embargo, hasta ahora no podían utilizarse para tamizar sales comunes empleadas en tecnologías de desalinización, que requieren tamices aún más pequeños.

Investigaciones anteriores en la Universidad de Manchester encontraron que, si se sumergen en el agua, las membranas de óxido de grafeno se inflan ligeramente y las sales más pequeñas fluyen a través de la membrana junto con el agua, pero los iones o moléculas más grandes se bloquean.

El grupo con sede en Manchester ha desarrollado ahora estas membranas de grafeno y ha encontrado una estrategia para evitar la hinchazón de la membrana cuando se expone al agua. El tamaño del poro en la membrana puede controlarse con precisión de forma que puede tamizar las sales comunes de agua salada y hacerla seguro para beber.

A medida que los efectos del cambio climático continúan reduciendo el abastecimiento de agua a las ciudades modernas, los países ricos están invirtiendo en tecnologías de desalación. Después de las graves inundaciones en California, Estados Unidos, las principales ciudades ricas también buscan cada vez más soluciones alternativas de agua.

Cuando las sales comunes se disuelven en agua, forman siempre una “concha” de moléculas de agua alrededor de las moléculas de sales, lo que permite que los diminutos poros de las membranas de óxido de grafeno impidan que la sal fluya junto con el agua. Las moléculas de agua son capaces de pasar a través de la barrera de la membrana fluir con una rapidez anómala que es ideal para la aplicación de estas membranas para la desalinización.

Una tecnología revolucionaria para la filtración del agua mundial

El profesor Rahul Nair, de la Universidad de Manchester, explica: “La realización de membranas expansibles con un tamaño de poro uniforme hasta la escala atómica es un paso adelante significativo y abrirá nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia de la tecnología de desalinización. Éste es el primer experimento claro en este régimen. También demostramos que hay posibilidades realistas para ampliar el enfoque descrito y producir en masa membranas a base de grafeno con los tamaños requeridos”.

Los autores de la investigación conjunta son los doctores Jijo Abraham y Vasu Siddeswara Kalangi. Abraham subraya: “Las membranas desarrolladas no sólo son útiles para la desalación, sino que el ajuste a escala atómica del tamaño de los poros también abre nuevas oportunidades para fabricar membranas bajo demanda con filtración capaz de filtrar los iones de acuerdo a sus tamaños”.

Para el año 2025, la Organización de Naciones Unidas (ONU) espera que el 14 por ciento de la población mundial tenga problemas de escasez de agua. Esta tecnología tiene el potencial de revolucionar la filtración del agua en todo el mundo, en particular en países que no pueden permitirse plantas de desalinización a gran escala.

Se espera que se puedan construir sistemas de membranas de óxido de grafeno a escalas más pequeñas, haciendo accesible esta tecnología a países que no cuentan con la infraestructura financiera para financiar grandes plantas sin comprometer el rendimiento del agua dulce producida.

Fuente: Europa Press

¿Qué es exactamente supersólido?

  Logran el primer ejemplo del «quinto» estado de la materia: supersólido

Miguel Jorge

Supersólido. ETH Zurich / Julian Léonard

Durante medio siglo los científicos han predicho la existencia de un exótico estado de la materia, el “quinto” según se mire, o simplemente “uno nuevo”. Hablamos de ese estado imposible que tiene características de líquidos y sólidos al mismo tiempo. Han demostrado el estado supersólido en un experimento.

Durante mucho tiempo e incluso aún hoy en las escuelas, cuando los más pequeños comienzan a estudiar ciencia se les dice que la materia aparece en hasta cuatro formas principales: líquido, sólido gaseoso y plasma. Estos estados surgen dependiendo de condiciones tales como la temperatura o la presión.

En 1996, un grupo de investigadores entre los que se encontraba John Reppy reciben el Premio Nobel de Física por el estado superfluido. ¿Un nuevo estado de la materia? El superfluido es un estado caracterizado por la ausencia total de viscosidad (lo cual lo diferencia de una sustancia muy fluida) de manera que, en un circuito cerrado, fluiría interminablemente sin fricción.

Años después, el propio Reppy y Philip W. Anderson (también ganador del Nobel en 1977), comenzaron la titánica tarea de tratar de demostrar un nuevo estado de la materia: el supersólido.

Foto: T-L. Ho et al/Physical Review Letters

Hablamos de un material sólido en el sentido de que la totalidad de los átomos del helio-4 que lo componen están congelados en una película cristalina rígida (parecido a la configuración de los átomos y las moléculas en un sólido normal). Pero, y aquí está la gran diferencia con los sólidos, cuando hablamos de “congelado” no significa “estacionario”.

Como la película de helio-4 es tan fría (una décima de grado sobre el cero absoluto), comienzan a imperar las leyes de incertidumbre cuántica. En realidad lo que ocurre entonces es que los átomos de helio se comportan como si fueran solidos y fluidos a la vez, de ahí su nombre: supersólido.

Por tanto, este supuesto estado sería la mayor rareza y contradicción de la física tradicional. De darse estaríamos ante un extraño que tiene la estructura cristalina de un sólido, mientras que fluye como un líquido. Lo curioso del estado supersólido es que las partículas están dispuestas en una estructura rígida y sólida pero también puede fluir sin viscosidad, que como vimos es una característica clave de un superfluido.

El estado supersólido fue predicho por los físicos rusos en 1969, con la hipótesis de que el helio-4 podría mostrar propiedades sólidas y líquidas simultáneamente bajo ciertas condiciones. Durante mucho tiempo, los investigadores asumieron que sería imposible crear tal estructura. Y lo cierto es que hasta ahora nadie había sido capaz de demostrar que era realmente posible. Ni siquiera Reppy y Anderson.

El primer ejemplo del ¿quinto? estado de la materia

Supersólido. ETH Zurich / Julian Léonard

Como decíamos, cuando la materia se enfría casi al cero absoluto, entonces surgen fenómenos extraños. Entre ellos la supersolidez donde la estructura cristalina y el flujo sin fricción se producen a la vez. Eso es precisamente lo que han logrado los investigadores de ETH Zurich por primera vez a través de un extraño experimento.

Los investigadores introdujeron una pequeña cantidad de gas de átomos de rubidio en una cámara de vacío y lo enfriaron a una temperatura de unas pocas milmillonésimas de grados kelvin por encima del cero absoluto, de modo que los átomos se condensaron en lo que se conoce como condensado de Bose-Einstein. Este es un estado cuántico mecánico peculiar que se comporta como un superfluido.

Los investigadores colocaron este condensado en un dispositivo con dos cámaras de resonancia óptica entrecruzadas donde cada una de las cuales constaba de dos espejos opuestos diminutos. Entonces el condensado se iluminó con luz láser, que se dispersó en ambas direcciones de estas dos cámaras.

El experimento se elaboró con partículas de luz

Un grupo de investigadores consigue modificar varias partículas de luz, en un experimento basado en el entrelazamiento cuántico

Un grupo de físicos acaba de lograr lo que parecía imposible: modificar desde el presente un evento que ya había sucedido con anterioridad. La hazaña se ha conseguido aprovechando una extraña capacidad de las partículas subatómicas que ya había sido predicha, pero que jamás hasta ahora había podido ser demostrada. El espectacular hallazgo se publica en Nature Physics.

A la larga lista de propiedades extraordinarias de las partículas subatómicas habrá que añadir, a partir de ahora, su capacidad para influir en el pasado. O, dicho de otra forma, para modificar acontecimientos ya sucedidos. El concepto clave que permite este nuevo y sorprendente comportamiento es un viejo conocido de los físicos: el entrelazamiento cuántico, un fenómeno aún no del todo comprendido y que consiste en una suerte de «unión íntima» entre dos partículas subatómicas sin importar a qué distancia se encuentren la una de la otra. Cuando dos partículas están «entrelazadas», cualquier modificación que llevemos a cabo sobre una se reflejará de inmediato en la otra, aunque ésta se encuentre en el otro extremo de la galaxia.

Ahora, y por primera vez, un grupo de investigadores ha conseguido entrelazar partículas después de haberlas medido, es decir, a posteriori y en un momento en que alguna de ellas podría haber dejado ya de existir.

Suena desconcertante, es cierto. Incluso los propios autores del experimento se refieren a él como «radical» en el artículo que aparece esta semana en Nature Physics. «Que estas partículas estén o no entrelazadas -reza el artículo, cuyo primer firmante es Xiao-song Ma, del Instituto de Óptica Cuántica de la Universidad de Viena- es algo que se decidió después de haberlas medido».

En esencia, los investigadores han conseguido demostrar que acciones llevadas a cabo en el futuro pueden ejercer influencia en eventos del pasado. Siempre y cuando, claro, limitemos la experiencia al ámbito de la Física Cuántica.

Entrelazamiento cuántico

Allí, en el extraño mundo de las partículas subatómicas, las cosas suceden de forma muy diferente a como lo hacen en el mundo «real» y macroscópico que podemos ver y tocar cada día a nuestro alrededor. De hecho, cuando el entrelazamiento cuántico fue predicho por primera vez, el mismísimo Albert Einstein expesó su disgusto por la idea calificándola de «acción fantasmal a distancia».

Después, durante las últimas décadas, el entrelazamiento fue probado cientos de veces en laboratorio, sin que hasta el día de hoy los físicos hayan podido averiguar cómo puede producirse esa especie de «comunicación instantánea» entre dos partículas que no están en contacto físico. Ahora, el equipo de la Universidad de Viena ha llevado el entrelazamiento un paso más allá, y ha conseguido lo que nadie había podido hacer hasta ahora.

Para realizar su experimento, los físicos partieron de dos parejas de partículas de luz, esto es, de dos «paquetes» de dos fotones cada uno. Cada una de las dos partículas de cada pareja de fotones estaban entrelazadas entre sí. Más tarde, un fotón de cada pareja fue enviado a una persona hipotética llamada Victor. Y de las dos partículas (una por pareja) que quedaron detrás, una fue entregada a Bob y la otra a Alice. (Bob y Alice son los nombres que se utilizan habitualmente para ilustrar los experimentos de Física Cuántica).

Víctor, al tener un fotón de cada pareja entrelazada, tiene pleno control sobre las partículas de Bob y Alice. Pero qué sucedería si Victor decidiese entrelazar a su vez sus dos partículas? Al hacerlo, también los fotones de Bob y Alice (ya entrelazados con cada uno de los dos fotones en poder de Víctor), se entrelazarían el uno con el otro. Lo bueno es que Víctor puede decidir llevar a cabo esta accíon en cualquier momento que quiera, incluso después de que Bob y Alice hubieran medido, modificado o incluso destruído sus propios fotones.

«Lo realmente fantástico -afirma Anton Zellinger, también de la Universidad de Viena y coautor del experimento- es que esa decisión de entrelazar los dos fotones puede ser tomada en un momento muy posterior. Incluso en uno en que los otros fotones podrían haber dejado de existir».

Un experimento predicho hace 12 años

La posibilidad de llevar a cabo este experimento había sido predicha en el año 2000, pero hasta ahora nadie había conseguido realizarlo. «La forma en que entrelazamos las partículas -explica Zeilinger- es enviándolas hacia un cristal cuya mitad es un espejo. El cristal, por lo tanto, refleja la mitad de los fotones y deja pasar a la otra mitad. Si tu envías dos fotones, uno a la izquierda y otro a la derecha, cada uno de ellos olvidará de dónde procede. Es decir, perderán sus identidades y ambos quedarán entrelazados».

Zeilinger asegura que la técnica podrá ser usada algún día para la comunicación ultrarápida entre dos computadoras cuánticas, capaces de usar el entrelazamiento para almacenar información. Por supuesto, una máquina así no existe todavía, aunque experimentos como el descrito suponen un paso muy firme hacia ese objetivo.

«La idea -asegura Zeilinger- es crear dos pares de partículas, y enviar una a un ordenador y la otra al otro. Entonces, si entrelazamos esas partículas (como en el experimento), los dos ordenadores podrán utilizarlas para intercambiar información».

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Escrito en 31 Enero 2017

El primer metamaterial electromagnético sin metal, que absorbe energía electromagnética sin calentamiento, ha sido desarrollado por ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke.

Como un bloque de LEGO

Este metamaterial completamente electromecánico dieléctrico (no metálico) es una superficie con hoyuelos con cilindros, similar a un bloque de LEGO, diseñado para absorber las ondas terahertzio, entre las ondas infrarrojas y las microondas. Según Willie Padilla, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Duke:

“La gente ha creado este tipo de dispositivos antes, pero los intentos previos con dieléctricos siempre han sido emparejados con al menos algo de metal. Todavía tenemos que optimizar la tecnología, pero el camino hacia varias aplicaciones es mucho más fácil que con los enfoques basados en el metal”.

¿Qué aplicaciones podría tener algo así? Algunos ejemplos son dispositivos de imagen térmica más nítidos o iluminación eficiente (las bombillas incandescentes generan una cantidad significativa de calor perdido).

Podemos producir una meta-superficie dieléctrica diseñada para emitir luz, sin producir calor residual. Aunque ya hemos podido hacer esto con metamateriales basados en metal, se necesita trabajar en temperaturas altas para que la cosa entera funcione. Los materiales dieléctricos tienen puntos de fusión mucho más altos que los metales, y ahora estamos intentando rápidamente llevar esta tecnología al infrarrojo para demostrar un sistema de iluminación.

Fuente: xatakaciencia.com

 

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Descubren una anomalía del átomo que permitirá nuevos estados de la materia
http://es.gizmodo.com/descubren-una-anomalia-del-atomo-que-permitira-nuevos-e-1726874937

Carlos Zahumenszky
Los materiales cambian sus propiedades cuando se los somete a altas presiones. Elementos conductores de la electricidad, como el sodio, se convierten en aislantes, mientras que otros como el oxígeno se solidifican y pueden llegar a ser un superconductor. La razón de estos cambios está en el mismo átomo, pero hoy la ciencia ha descubierto un cambio hasta ahora desconocido.

Cuando un elemento químico o un compuesto se somete a altas presiones, tienen lugar dos cambios. El primero es que la distancia entre átomos se hace más corta. Si la presión es suficiente, también cambia el comportamiento de los electrones de valencia. Los electrones de valencia son los que conforman el exterior del átomo, y son importantes porque son los que interactúan con los electrones de otros átomos y forman enlaces para dar lugar a diferentes compuestos.

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En todo ese baile de electrones a alta presión, había un elemento que siempre permanecía invariable: los electrones internos que rodean el núcleo el átomo. Un equipo internacional de científicos dirigidos por la Universidad de Linköping, en Suecia, acaba de descubrir que los electrones internos del átomo también cambian si la presión es suficiente.

Lo que han hecho concretamente ha sido someter una pequeña cantidad de osmio (uno de los metales más densos que se conocen) a una presión de 7,7 millones de atmósferas, casi el doble de la presión existente en el núcleo de la Tierra. Para ello han utilizado un dispositivo llamado celda de yunque de diamante. Este instrumental científico permite precisamente aplicar altísimas presiones sobre cantidades de material de apenas unos milímetros.

Los cálculos de la densidad del osmio han permitido descubrir que los electrones internos también reaccionan a esa presión y comienzan a interactuar. Es la primera vez que se constata ese comportamiento. Dado que las interacciones entre electrones definen la propia composición química, esta anomalía es el punto de partida para el estudio de nuevos estados de la materia. El profesor A.I. Abrikosov, uno de los coautores del estudio explica:

La interacción entre electrones internos nunca había sido observada. El fenómeno significa que podemos empezar a buscar estados de la materia completamente inéditos. Estamos encantados de haber abierto toda una nueva caja de preguntas para futuras investigaciones.
[Universidad de Linköping vía Nature]

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Para entender los enlaces iónicos, covalentes y metálicos, estos didácticos vídeos:

 

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Move over, covalent and ionic bonds, there’s a new chemical bond in town, and it loves to shake things up.

BEC CREW   29 JAN 2015

It’s taken decades to nail down, but researchers in Canada have finally identified a new chemical bond, which they’re calling a ‘vibrational bond’.

This vibrational bond seems to break the law of chemistry that states if you increase the temperature, the rate of reaction will speed up. Back in 1989, a team from the University of British Columbia investigated the reactions of various elements to muonium (Mu) – a strange, hydrogen isotope made up of an antimuon and an electron. They tried chlorine and fluorine with muonium, and as they increased the heat, the reaction time sped up, but when they tried bromine (br), a brownish-red toxic and corrosive liquid, the reaction time sped up as the temperature decreased. The researchers, Amy Nordrum writes for Scientific American, «were flummoxed”.

Perhaps, thought one of the team, chemist Donald Flemming, when the bromine and muonium made contact, they formed a transitional structure made up of a lightweight atom flanked by two heavier atoms. And the structure was joined not byvan der Waal’s forces – as would usually be expected – but by some kind of temporary ‘vibrational’ bond that had been proposed several years earlier.

Nordrum explains:

«In this scenario, the lightweight muonium atom would move rapidly between two heavy bromine atoms, ‘like a Ping Pong ball bouncing between two bowling balls,’ Fleming says. The oscillating atom would briefly hold the two bromine atoms together and reduce the overall energy, and therefore speed, of the reaction.”

But back then, the team didn’t have the technology needed to actually see this reaction take place, because it lasts for just a few milliseconds. But now they do, and the team took their investigation to the nuclear accelerator at Rutherford Appleton Laboratory in England.

With the help of theoretical chemists from the Free University of Berlin and Saitama University in Japan, Flemming’s team watched as the light muonium and heavy bromine formed a temporary bond. “The lightest isotopomer, BrMuBr, with Mu the muonium atom, alone exhibits vibrational bonding in accord with its possible observation in a recent experiment on the Mu + Br2 reaction,” the team reports in the journal Angewandte Chemie International Edition. «Accordingly, BrMuBr is stabilised at the saddle point of the potential energy surface due to a net decrease in vibrational zero point energy that overcompensates the increase in potential energy.”

In other words, the vibration in the bond decreased the total energy of the BrMuBr structure, which means that even when the temperature was increased, there was not enough energy to see an increase in the reaction time.

While the team only witnessed the vibrational bond occurring in a bromine and muonium reaction, they suspect it can also be found in interactions between lightweight and heavy atoms, where van der Waal’s forces are assumed to be at play.

«The work confirms that vibrational bonds – fleeting though they may be – should be added to the list of known chemical bonds,” says Nordrum at Scientific American.

Sorry, future high school chemistry students, here’s another thing you’ll probably have to rote learn.

Source: Scientific American