20/Ago/04

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Los nanotubos podrían carecer de "temperatura"

Unos físicos han hecho un raro descubrimiento: el concepto de temperatura no tiene significado en algunos objetos minúsculos. Aunque se sabe que el concepto de temperatura acaba a la escala de los átomos individuales, la investigación ahora sugiere que también podría ser inaplicable en algunas entidades más grandes, como los nanotubos de carbono.

(Nature) El fecundo campo de la nanotecnología se apoya en la capacidad de manipular materiales hechos con sólo unos pocos miles de átomos. Los nanotubos de carbono, por ejemplo, son minúsculos cilindros que podrían usarse para fabricar dispositivos electrónicos en miniatura.

Ortwin Hess, de la Universidad de Surrey, Guildford, Reino Unido, y otros colegas suyos, dicen que si uno toma la temperatura en un extremo de un nanotubo de 10 micrómetros, no necesariamente obtendrá la misma temperatura en el otro extremo, sin importar cuánto tiempo se le dé para que alcance un equilibrio térmico. Un nanotubo así tiene apenas la longitud del grosor de una hoja de papel.

"Si uno desciende a la escala de tamaños en la que la temperatura no es relevante, las fluctuaciones de las propiedades físicas de ese sistema podrían ser impredecibles, lo cual es potencialmente malo para cualquier dispositivo", dice Peter Atkins, un fisicoquímico de la Universidad de Oxford, Reino Unido.

La idea de que la temperatura se quiebra en algún lugar entre el mundo real y la escala atómica no es necesariamente sorprendente, dice Hess. El asunto es localizar exactamente en qué tamaños ocurre eso, añade.

La ubicación de dicho límite también depende del material en cuestión, y la cantidad de energía que posee. Y, en circunstancias particulares, puede ser difícil medir la temperatura de objetos más grandes.

Por ejemplo, dice el científico, un cristal de silicio de 10 centímetros no puede tener una temperatura medible menor de 1°C por encima del cero absoluto, el punto en el cual una entidad no contiene energía térmica.

El tamaño del objeto de este ejemplo tiene el efecto de chocar contra el mundo cotidiano, agrega. Su trabajo será publicado en Physical Review Letters.

Enfoque estadístico
"Nuestra experiencia cotidiana con la temperatura es como un indicador del flujo de energía como calor", explica Atkins. "En el mundo real, el calor fluye desde los objetos a mayor temperatura hacia los de menor temperatura, por eso una alfombra se siente tibia cuando el calor fluye desde ella hacia nuestros dedos".

Pero a escala atómica, la temperatura también es una descripción de la energía térmica entre los miles de millones de átomos y moléculas que conforman el mundo que nos rodea.

Lo crucial es que este enfoque estadístico asume que uno está tratando con grandes cantidades de partículas. Para un solo átomo, este enfoque no es significativo, dice Atkins.

Las estadísticas sólo empiezan a tener sentido cuando se consideran docenas, o incluso cientos de átomos. La gran pregunta es ¿cuántos?

Pequeñas cajas
El equipo imaginó cómo se comportaría una serie de compartimientos separados, puestos en fila, bajo diferentes condiciones térmicas. En el mundo real, la temperatura de un compartimiento tiene algún significado dado que puede decirnos en qué dirección fluirá la energía térmica a lo largo de esa fila. Eventualmente, los compartimientos alcanzarán el equilibrio y tendrán la misma temperatura.

Pero los físicos dividieron los compartimientos en cajas más y más pequeñas, hasta alcanzar un punto donde la cadena nunca alcanza el equilibrio térmico debido a las fluctuaciones estadísticas inherentes en el mundo cuántico.

En este límite de tamaños, los puntos calientes pueden estar al lado de los puntos fríos, sin que ninguna energía fluya entre ambos. Más aún, la temperatura de un compartimiento podría fluctuar de manera impredecible con el tiempo. "Todo queda reducido al principio cuántico de incerteza", dice Hess.

"Ellos están usando algunos argumentos sutiles, pero aparentemente bastante correctos", añade Atkins.

El tamaño sí importa
El hallazgo podría resultar chocante para algunos científicos que trabajan en dispositivos a escala nano, quienes podrían no haber esperado que la temperatura se comporte de este modo.

Philip Moriarty, un experto en nanotecnología de la Universidad de Nottingham, Reino Unido, dice que la idea de un límite de tamaños para el concepto de temperatura es bastante creíble, aunque las implicaciones que esto tendría para la nanotecnología aún deben verse en el laboratorio. Añade que el modelo propuesto aún es sólo una aproximación simplificada.

A la inversa, Hess argumenta que los nanotubos de carbono son un buen caso real para su modelo matemático. Una secuencia de átomos de carbono de 10 micrómetros podría contener menos de 100.000 átomos. Esta es una cantidad lo suficientemente pequeña para que la temperatura se empiece a desdibujar, concuerda Atkins.

"Ahora que estamos fabricando este tipo de nanodispositivos, tenemos que repensar el modo en que vemos el concepto de temperatura", concluye Hess.

Referencias
Hartmann M., Mahler G. & Hess O. Phys. Rev. Lett. (in the press) (2004)
Seleccionado y traducido por Laura Siri