domingo, 4 de febrero de 2018

La cuchara menguante. 16) Química muy, muy bajo cero

Comenzamos la quinta parte:
La ciencia de los elementos de hoy mañana

Empieza el bloque que nos muestra a los elementos llamados a dejarnos desarrollar aplicaciones futuras a partir de lo que estamos descubriendo ahora.

Tras una época de vacas gordas en cuanto a descubrimientos llegan la flacas, ahora es necesario forzar las condiciones para conseguir nuevos datos. Como dice el título, en este capítulo  toca pasar frío. Lo hemos clavao en la temporalización.

Hablando de frío empezamos con la conquista del Polo Sur, de este tema no voy a hablar, buscad a Peláez. El punto en común de la aventura con la tabla son las soldaduras de estaño. El stannum cristaliza en su forma metálica conocida, pero al enfriarse por de bajo de 13.2º C va cambiado a su otra forma alotrópica que se desmenuza al ocupar mucho más volumen. Pierde la resistencia e incluso un trozo enfermo puede contagiar a uno sano, de ahí la denominación Peste del estaño. Este proceso es más rápido cuanto más puro sea el estaño y logra su máxima velocidad sobre los -35º C.
Volviendo al polo, después de reirse de los soldados de Napoleón, encontramos que las botellas de combustible que llevó Scott eran el último grito y estaban soldadas con estaño. El autor nos cuenta que por ello las encontraron vacías a la vuelta y perecieron aunque también dice al acabar la historia que algunas estaban intactas.



Seguimos avanzando y pasamos de cambios de alótropos a cambios de estado  (Kean aprovecha para divagar un poco sobre lo que es y no cambiar de estado). Además de los tres estados que notan nuestros sentidos sabemos que existe el plasma y el condensado Bose-Einstein. Sobre el último continuamos hilando el capítulo aunque vamos a ir bajando poco a poco la temperatura.
Hablando de condiciones extremas y cambio de comportamiento un buen ejemplo podrían ser los gases nobles. Los llamamos así porque no se relacionan con los demás elementos, no reaccionan químicamente con otros átomos. Bueno, si la cosa se pone fea se lo pueden pensar, lo dicho, clase alta de la tabla.
El xenón se une a temperatura ambiente con el flúor pero sólo forzándolo con un reactivo muy potente, el PtF6.Más información.
Para conseguir unir al kriptón con flúor hubo que bajar hasta -150ºC, ahora ya hay otros métodos.
Y si queremos relacionar al argón con algún superligando tenemos que bajar a -265ºC.
Ampliación.

Ya que estamos tan fresquitos demos un pasito más. A -270ºC Kamerlingh Onnes descubrió que el mercurio conducía la corriente eléctrica sin ofrecer resistencia. Los electrones podían moverse todo el tiempo por él sin perder energía. Habían sido descubiertos los superconductores.
Superconductores de nuestra juventud
La explicación teórica vino con la teoría de Bardeen, Cooper y Scherieffer. Simplificando mucho, los electrones se mueven en parejas de forma que uno ayuda al otro a no detenerse. La cosa es que el acoplamiento proviene de la onda de densidad de carga positiva que crea un electrón al pasar junto a los núcleos que facilita el paso del siguiente.
Curiosamente Bardeen es el mago de los semiconductores y  también consiguió emparejar dos Nobel.

Poco más podemos enfriar, nos quedan 3 gradicos para el límite. Perdón, a estos niveles 3.15 grados.
El primero en bajar a estos infiernos congelados fue Einstein, en sus estudios descubrió un nuevo estado de la materia ultrafría, pero no creyó que fuese posible y lo desechó.
El siguiente paso lo dio Bose (otro que no es americano y es descrito con cierta sorna), deduciendo esta teoría cometió un error pero llegó a una conclusión "errónea" que explicaba la naturaleza mejor que la buena. Intentó publicar pero no aceptaron su trabajo. Lejos de rendirse acudió a su fuente, Einstein, que estudió la posibilidad e hizo una publicación conjunta. Era un genio hasta para aceptar el trabajo de otros modificando el suyo. Había nacido, para el resto de los mortales, el condensado Bose-Einstein.

Para lograr llegar a ese estado hay que enfriar mucho pero mucho, mucho: 10-9K
Lo lograron Conwell y Wieman ayudados por un láser.
Anda, pero ¿eso no es lo que sale en la pelis y calienta mucho?¿Cómo funciona un láser?
Sencillo, damos energía a los átomos para excitarlos, de una forma especial logramos que vuelvan a un estado de menor energía pero no al fundamental sino al siguiente. De esta forma tendremos una inversión de población, muchos átomos excitados aunque sea poco. Si consigo que todos vuelvan al estado fundamental a la vez tendré una luz con muchos fotones iguales, todos emitirán con la misma energía y gran en cantidad, mucha intensidad.
Nuestros últimos héroes del capítulo lanzaron fotones de baja intensidad sobre átomos de rubidio para que al impactar los frenasen haciéndoles perder energía. Llegaron a una diezmilésima de grado pero no era suficiente. Con un imán (y algún aparatejo más) fueron quitando los átomos más energéticos lo que bajaba la temperatura* de la muestra. Así llegaron a la milmillonésima de grado y observaron, pero no se "veían" los átomos, no los podían diferenciar, se confundían. Era un condensado de átomos.
Al bajar tanto la temperatura también lo hace la velocidad de los átomos acercándose a cero.
Finalmente llegamos a Heisenberg, no había escapatoria.

Traducimos, la incertidumbre en la posición por la incertidumbre en la velocidad (p = m v) es por lo menos un valor constante. A mayor control de una de las variables menos precisos podemos ser en la otra.
Si conocemos muy bien la velocidad, casi cero en el experimento, poco sabremos de la posición así que se nos mezclan los átomos, se condensan.

Hasta aquí el capítulo pero no el post.


* La temperatura es una medida macroscópica de la media de energía de las partículas de la muestra que se distribuyen normalmente. El promedio de una distribución es el centro pero tendré muchas partículas con más y con menos energía. Y no tantas con mucha más o mucha menos.

De regalo otro vídeo, la reacción del mercurio con aluminio:



Y por fin la introducción al debate

Cuestión 1: Sobre las soldaduras, ¿crees que el decir que había algunas en buen estado es para que investigues o un error al dejar un cabo suelto?

Cuestión 2.1:  Divaga, ¿qué pudo pensar Bose al tener un desarrollo válido a partir de un error?

Cuestión 2.2: Divaga más sobre lo que pensó Einstein al recibir la carta de Bose

Que disfrutéis de la semana

7 comentarios:

  1. ¡Hola Santos!

    Estamos a miércoles y todavía no hemos pasado a comentar... ¡qué mal! Sabes que soy muy fan de tus resúmenes, así que te lo agradezco.

    Hay cosas cosas en este capítulo que no me han gustado mucho y de hecho, creo que solo salvo la parte de la aventura al polo Sur. Lo que menos me ha gustado es cuando dice que el principio de incertidumbre de Heisenberg "en su forma completa" dice eso. En realidad ni es la forma completa (Heisenberg desarrolló una teoría matricial y además se aplica también a energía frente a tiempo, etc.) ni dice eso. Además, si aceptamos el principio de incertidumbre en esa forma, habría que decir que el momento está calculado también en la misma dirección de x... Es un error que se comete en muchos libros de divulgación y la verdad es que es tan gordo que lleva a mucha gente a pensar que es una cuestión de precisión en la medida. Pero, claro, ¡es más fácil que decir que son dos operadores que no conmutan!

    Y para el debate, sobre las soldaduras no sé que pensar. Hay una nota al pie del libro que dice que se investigó sobre ello y no sabían si echarle la culpa al estaño.

    Bose debió flipar mucho. Sobre todo siendo profesor y sabiendo que debía enseñar correctamente a los alumnos. Por suerte, supo ser crítico con su error y estar al tanto de la investigación actual como para darse cuenta que el error explicaba unos hechos experimentales.

    Einstein también debió flipar mucho. No sé hasta que punto Einstein estaba familiarizado mucho con el tema, ni el contenido exacto de la carta. No creo que Bose le dijera "cometí un error y me puse a pensar en ello porque vi que todos los demás estaban equivocados y mi error explicaba las cosas de verdad". Lo mejor de Einstein fue que revisara, corrigiera y publicara con el nombre de Bose! Habría sido muy fácil para él haber puesto solo su nombre (sé de un caso de un investigador español al que le ha pasado algo parecido).

    ¡Buena semana!

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    1. Hola Jorge

      Reconozco que en la parte de la incertidumbre pensé en que seguro que estaba (válido para Sam y para mí) metiendo la pata y que nos lo explicarías. Ya había olvidado los operadores. Tengo que revisar esta parte, si tienes alguna sugerencia poco profunda te lo agradecería. Me quedé en la fórmula de la Wikipedia.

      Me uno a tu clasificación de la situación, flipante

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  2. Hola JC.

    Muy, pero que muy bueno tu resumen. Me aclaró algunas cosas, me hizo buscar otras (si los superconductores llevan una nevera incorporada) y me encantó el chewaka de la amalgama (tengo que contárselo a la compañera de física, que es poco amiga de llevarlos al laboratorio).
    El capítulo me gustó más, porque es algo más científico. La parte negativa me parece cierta simplificación de conceptos, como los ascensores de los electrones, lo que dice Jorge sobre la incertidumbre, o la dualidad onda-corpúsculo, que no la acabo de ver.
    Mi elemento favorito es el rubidio: Ramiro Balseiro.
    Sobre las cuestiones,
    1) Pienso que deja la historia de Scott en suspenso. Al menos, no sé qué pasó.
    2) Y tampoco sé muy bien cuál fue el error de Bose. Ni me parece que una explicación errónea pueda ser la explicación correcta. Sería absurdo. Sí que los resultados pueden ser inesperados o las conclusiones, imprevistas. Pero tengo la impresión de que Sam no llegó al fondo de ninguna de las historias.
    3) A Einstein me lo imagino en la oficina de patentes, recibiendo la patente de Bose, y rellenando los papeles pertinentes al caso. Ah, tampoco me creo que rechazara una teoría por imposible, porque si así fuera no existiría la teoría de la relatividad.
    Un saludo.

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    1. Hombre, Ramiro, que no todos los capítulos los resume el mismo. ;-)

      No he probado el experimento pero lo haré pronto. Parce bastante difícil comenzar la reacción por el pasivado del aluminio, pero con insistencia seguro que lo lograremos.

      El rubidio está bien pero tampoco está mal el samario.

      Yo entiendo que un error en el trabajo teórico le llevó a una conclusión que explicaba mejor que la conclusión buena lo que ocurría. Eso los lleva a modificar la teoría para obtener la otra conclusión. La naturaleza manda.

      Yo tampoco lo veo rechazando una teoría, sólo aparcándola por no ver una aplicación y tener otros caminos para seguir avanzando

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    2. Hola, Santos. Quizás ya nos conocíamos del tungsteno. Ahora, con la chuleta del samario, a ver si no me vuelvo a equivocar.
      Saludos.

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  3. Hola Santos, tus resúmenes me gustan.

    Directo a las preguntas:

    1) y 2) estoy con lo que ha puesto Ramiro (por cierto, no sé como tomarme que diga "muy buen resumen JC" y que yo no lo haya hecho, jajaja...)

    3) A Einstein siempre nos lo han vendido bien, esa es la imagen mental que yo tengo de él. Por lo tanto pienso que al leer la carta pensaría: genial, como mola esto de la interacción entre científicos, junto podemos disfrutar/descubrir mucho más (que queréis que os diga, a todos nos gusta que nos echen piropos pero yo disfruto mucho más aprendiendo que escuchando piropos... y yo creo que Einstein era igual -y a muchos de vosotros creo que os pasa igual-)

    Saludos

    Nota final: gracias por echarnos la bronca, Jorge

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    1. Yo me lo imagino buscando más fallos en el escrito de Bose, revisando las conclusiones, dudando y finalmente sonriendo por la nueva posibilidad de desarrollar su trabajo.

      Sí, aquí también nos piropeamos pero por lo que nos enseñan los demás y porque nos demuestran que no estamos del todo en lo cierto. Lo veo, somos enistencitos

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