Cristales Asombrosos
Cristales Asombrosos
Científicos de la NASA tratan de descubrir los principios de
física aplicables a un método aparentemente mágico, utilizado para producir cristales
de alta calidad.
"Cualquier tecnología lo suficientemente avanzada es indistinguible de la magia".
Arthur C. Clarke
Diciembre 11, 2001: Inicialmente esto podría recordarle a un mago que hace levitar
a su asistente sobre una mesa, suspendida aparentemente sólo por el poder de la mente del mago.
Pero estamos en un laboratorio de NASA -- un escenario implausible para semejante espectáculo. Sin embargo, aquí es donde Frank Szofran y sus colegas hacen crecer cristales de alta calidad, utilizando un método tan asombroso como cualquier truco de sortilegios.
Enfriando cuidadosamente una mezcla de silicato de germanio fundido dentro de un recipiente cilíndrico, consiguen transformarlo en un sólo y enorme cristal, extraordinariamente bien ordenado. Tales cristales tienen muy pocos defectos, debido al hecho notable de que nunca han tenido contacto con las paredes del recipiente donde crecieron
Asombroso. Pero al igual que en el espectáculo de la hermosa dama levitando,
la sensación de "magia" que se desprende de esta forma de fabricar cristales, es sólo
el resultado de no saber cómo se hace el truco.
|
Cuando este método para hacer crecer cristales fue descubierto inesperadamente, durante experimentos llevados a cabo a bordo de misiones orbitales del Skylab, en los 70s; los científicos quedaron tan asombrados como el público de un espectáculo de magia. Desde entonces, los fabricantes de cristales han comenzado a construir una explicación, aunque hay detalles aún no resueltos acerca del proceso -- llamado "crecimiento aislado de Bridgman".
El crecimiento de cristales bien ordenados es importante, ya que son utilizados en una inconcebible variedad de aparatos aquí en la Tierra: microchips, cámaras de video, detectores de radiación, relojes digitales, semiconductores de alto poder, y tocadiscos, para nombrar solo unos pocos. Los cristales obtenidos mediante el crecimiento aislado de Bridgman, en particular, podría llevarnos a construir ventanas y subestratos para sensores infrarrojos, detectores de rayos cósmicos más precisos, y minúsculos lásers de estado sólido para la próxima generación de pantallas planas. Otras variantes difíciles de predecir, podrían crear nuevas categorías de productos electrónicos.
"En general, cuando los técnicos hacen crecer cristales [para uso en la electrónica], desearían tener la calidad más alta posible -- la menor cantidad de impurezas, la menor cantidad de fracturas", dice Szofran. El crecimiento aislado de Bridgman es una de las maneras de conseguirlo.
Arriba: se puede apreciar que la superficie de este cristal cosechado con el método de Bridgman es más suave allí donde estaba despegado de la pared del recipiente. Con el crecimiento aislado de Bridgman "sin intervención" se obtienen menos defectos en la estructura interna de los cristales. Imagen cortesía MSFC.
Szofran explica: "Cuando el crecimiento de los cristales se efectúa en contacto con la pared del recipiente, ésta empuja los cristales, produciendo una dislocación de su alineamiento. A esto se le llama 'defectos', y puede producir una pérdida en el desempeño del cristal [para ciertos usos]".
Durante el crecimiento aislado de Bridgman, el cristal no entra en contacto con las paredes del recipiente, por lo que se puede obtener un cristal de mayor calidad y con menos defectos.
Un cristal ideal es un parangón de orden y estructura. Los átomos que lo componen se distribuyen con un patrón geométrico que se repite una y otra vez -- como los motivos en un piso de baldosas, pero en tres dimensiones. El ordenamiento exacto de los átomos puede otorgarle a una sustancia cristalina propiedades especiales para su utilización en, por ejemplo, aparatos electrónicos.
Derecha: Muchos sólidos inorgánicos
tienen estructura cristalina. Este diagrama muestra un ordenamiento de átomos en una "celda
unitaria" de germanio. Los espacios entre los átomos han sido exagerados para mayor claridad.
[más información]
Aunque el crecimiento aislado de Bridgman fue descubierto en experimentos realizados en el espacio, los científicos han aprendido cómo hacer cristales utilizando este método también en tierra firme. Esto es importante, ya que de otro modo, no sería de mucha utilidad para la industria. "Es muy costoso hacer crecer grandes cantidades de cristales inorgánicos en el espacio", dice Szofran. El objetivo de los experimentos que se llevan a cabo en el espacio es "aprender sobre los procesos del crecimiento de cristales, conocimiento que, esperamos, pueda ser posteriormente aplicado en mejoras sobre la forma en que se hacen crecer cristales en la Tierra".
Hacer crecer cristales en el espacio es significativo "ya que, en cierto sentido, la gravedad es una variable", explica Szofran. "Cada vez que los científicos ganan control sobre una variable, pueden aumentar sus conocimientos cambiando los valores de la variable y realizando experimentos bajo condiciones diferentes".
¿Cómo funciona? Los científicos han probado varias teorías para explicar porqué el cristal se forma a una pequeña distancia de la pared del recipiente. Todas coinciden en que la presión del gas es importante en la separación, pero difieren en otros puntos.
Szofran y sus colegas esperan responder esta pregunta. Realizarán experimentos donde el gas necesario está sellado dentro del recipiente y otros donde no se agrega gas, para determinar si del material surge el gas suficiente como para producir el aislamiento. Szofran explica la importancia de realizar estos experimentos en el espacio: "Uno quisiera que la presión en la separación entre el sólido y el recipiente [p2 en la ilustración] sea mayor que la presión sobre el líquido [p1]. Y en el suelo uno está limitado a qué tan alta puede llegar a ser esta diferencia, ya que si llega a ser muy grande, se formará una burbuja y se bajará la presión en la separación. Esto no sucede en el espacio, debido a que no hay fuerza de flotación que pueda mover la burbuja a través del líquido". |
Aquí en la superficie, donde la gravedad es "normal", Szofran y sus colegas están estudiando el crecimiento de cristales a partir de una aleación de germanio y silicio -- materiales con propiedades bien conocidas gracias a décadas de intensas investigaciones por la industria de los semiconductores. Hace notar que hay también otros materiales candidatos para el crecimiento aislado de Bridgman, como los haluros alcaloides utilizados en los detectores de rayos cósmicos; el antimonio de indio y el antimonio de galio, que se utilizan en los detectores de infrarrojo y en los lásers; además del fluoruro de calcio utilizado en los lentes para litografía de alta definición.
Los experimentos que actualmente desarrollan intentan responder algunas importantes preguntas.
Por ejemplo: ¿Qué causa que el cristal crezca separado de las paredes de su
recipiente? y ¿Cuáles exactamente, son los límites de las condiciones en las que el crecimiento separado
puede ocurrir? Szofran dice que, "un avance en nuestra comprensión del crecimiento aislado
en la tierra, puede [conducir a] tecnologías comerciales destinadas a preparar materiales
semiconductores avanzados, con una densidad de defectos reducida; mientras que una mejor comprensión
del crecimiento aislado en caída libre, podría permitir a los fabricantes de cristales, un mejor
control de este fenómeno en futuros experimentos espaciales".
Izquierda: El primer gabinete de Investigación para Ciencias de los Materiales, o MSRR-1. En su interior se realizarán futuros experimentos orbitales con cristales de silicio-germanio. Szofran dice: "durante el proceso, la muestra quedará tras la puerta circular ubicada al centro y la derecha del gabinete". más información
Szofran está a la espera del año 2004 o 2005, cuando él y sus colegas puedan realizar pruebas de crecimiento de cristales a bordo de la Estación Espacial Internacional. Los resultados podrían aportar el conocimiento que necesitan para dominar esta técnica "mágica" y producir cristales de calidad excepcional aquí en la Tierra.
Nota del Editor: Entre los colaboradores de Szofran se incluyen investigadores de ciencia de los materiales de la Universidad de Illinois de Urbana-Champaign, Cape Simulations, Inc., la Albert-Ludwigs-Universität de Freiburg (Alemania), y el Institut für NE-Metallurgie und Reinststoffe (Alemania). El trabajo en los Estados Unidos está patrocinado por la NASA y en Alemania por la Agencia Espacial Alemana DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt).
Enlaces a la Red, en inglésOficina de Investigación Física y Biológica -- patrocinan el trabajo de Szofran y otros semejantes.
Oficina del Programa de Investigación en Microgravedad -- La gravedad es una variable importante en muchos procesos físicos. El Programa de Investigación en Microgravedad ayuda a los científicos a comprender lo que ocurre en ambientes sin peso.
Reducción de Defectos en Silicatos de Germanio -- (MSFC) una aplicación del crecimiento aislado de Bridgman, incluye una película.
Derecha: Comparación de tres técnicas distintas de crecimiento de cristales. [más información]
El primer Gabinete de Investigación para Ciencias de los Materiales -- (MSFC) el "MSRR-1" es un mini-laboratorio para experimentos de ciencia de los materiales para la EEI. El MSRR-1 es parte de la Instalación de Investigación de Ciencias de los Materiales que se construye en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA.
Estructuras de Sólidos Simples -- mucha información sobre los cristales sólidos de un curso de primer año de química orgánica de la Universidad de Oxford.
Germanio -- información detallada sobre este elemento de WebElements.com
Cristales -- información básica de Encyclopedia.com
>Únase a nuestra creciente lista de suscriptores -- anótese para recibir nuestro servicio de entrega inmediata de noticias científicas -- y ¡reciba un mensaje de correo electrónico cada vez que publiquemos un nuevo artículo!
Noticias| Créditos y Contactos Autor: Patrick L. Barry Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack Editor de Producción: Dr. Tony Phillips | Curador: Bryan Walls Relaciones con los Medios: Steve Roy Traducción al Español: Jorge Ianiszewski Editor en Español: Héctor Medina |
| El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión. | |