¿Dónde están las antenas de los móviles?

Seguramente si perteneces a la generación pre-millenial habrás tenido en tus manos un teléfono móvil con una gran antena. Algo como esto:

Con el paso del tiempo las antenas iban reduciendo su tamaño, hasta que en el año 1999, Nokia comercializó el primer móvil sin antena. ¿Cómo? ¿¿¿Dónde está la antena??? ¿Cómo es posible comunicarse así?

La ciencia es maravillosa, y está a nuestro servicio para crear aparatos como estos. Para entender una “mini-antena”, mejor explico primero cómo funciona una antena. La radiación electromagnética es una ondulación del campo electromagnético, que tiene una longitud de onda de varios centímetros en el rango de las telecomunicaciones (infrarrojo). En este rango, la radiación no supone un riesgo para la salud. Para poder detectar esa radiación, es necesario un dispositivo que tenga de largo al menos una longitud de onda, para evitar confundir su frecuencia por el fenómeno que se llama aliasing. Esto es aparatoso, porque para poder detectar las ondas de telecomunicaciones se necesitan al menos 10 cm de largo. Recordaremos algunos de estos teléfonos “banana” por películas como Matrix.

Las antenas deben ser tan largas como la longitud de onda del campo eléctromagnético (E).

Y hasta aquí hemos llegado. No es posible recortar más la antena, a no ser que se cambie la frecuencia de las ondas con las que transmitimos los mensajes. Entonces, es cuando entra en juego los sistemas piezoeléctricos. Éstos transforman las ondas electromagnéticas en vibraciones de un cristal, que se transmite como un pulso eléctrico alterno y genera una señal. Han nacido las “mini-antenas”. La transformación de ondas eléctricas en mecánicas y viceversa es el principio por el cual pueden existir los teléfonos móviles sin aparatosas antenas, y es todo gracias a los cristales piezoeléctricos.

Efecto piezoeléctrico. (c) Electronic Design.

Recientemente, y a causa de esta revolución de las antenas, se ha avanzado mucho en el campo de la fonónica. No fotónica. La fonónica se refiere al estudio de la propagación de ondas mecánicas, o fonones, a través de un medio. En principio, la propagación de ondas mecánicas es como la propagación del sonido, se realiza en todas direcciones. Es muy difícil imaginar un obstáculo que pueda hacer cambiar la propagación del sonido, o que lo localice en un punto (como los teatros griegos). Lo mismo ocurre a escalas más pequeñas, en la frecuencia de las telecomunicaciones. Actualmente se persigue conseguir un material que sea capaz de dirigir estas ondas mecánicas a voluntad, y en el que se pueda hacer una conversión de ondas mecánicas a ondas electromagnéticas o fotones, y viceversa.

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Referencias (en inglés):

Mini-antennas could power brain-computer interfaces, medical devices. By Matthew Hutson, Aug. 22, 2017. 

Para ampliar la lectura:

Tesis de Elena Alonso Redondo. “Hypersonic Phononic Hybrid Structures”. University of Johannes Gutenberg Mainz, 2017.

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El spinner es un laboratorio de física

Y se pueden hacer cosas tan fascinantes como hacerlo girar sobre la punta de un lápiz.

Si amiga, como lo oyes. El spinner (o fidget spinner) es en realidad un giroscopio. Así que a la vez que nos lo pasamos pipa con este juguete, podemos aprender leyes básicas de la física.

La ley que gobierna el movimiento del spinner es la ley de conservación del momento angular. Esta ley se deriva de la mecánica newtoniana. ¿Pero, qué es el momento angular? Es un vector que se usa para caracterizar el estado de rotación de un cuerpo. Por ejemplo, si un disco gira en dirección contraria a las agujas del reloj, su momento estará descrito por un vector que es perpendicular al plano del disco, y “sale” hacia afuera de este.

El disco gira en sentido contrario a las agujas del reloj (con velocidad v). El momento angular (L) “sale” del plano, perpendicularmente al disco. (c) CatEdu.

La ley de conservación del momento implica que el momento angular L no puede variar. ¿Qué ocurre por ejemplo si intentamos voltear el disco mientras gira? Si volteamos el disco, entonces L cambiaría de orientación, pero de acuerdo a la ley de conservación, esto no puede pasar.

Pues aquí la magia: el disco compensa la fuerza que intenta voltear el disco, y comienza a precesionar. El giro del giro. Magia…

Por eso, mientras jugamos con un spinner, al tratar de voltearlo experimentaremos esa extraña sensación de que el spinner se resiste… Esa fuerza “mágica” es, queridas amigas, la física en acción. Os dejo aquí abajo un spinner bailoteando sobre la punta de un lápiz:

Para los más “frikis”, os dejo un enlace con algunas de las cosas que se puede hacer con un giroscopio, ¡que no son pocas!

Entender la conservación del momento es realmente importante a la hora de pilotar un helicóptero. Si queremos hacer girar el helicóptero hacia arriba, tendremos que pensar dos veces hacia donde queremos ejercer la fuerza.

 

Próximo eclipse total USA 2017

Este año los astrónomos aficionados estadounidenses están de suerte: el eclipse total se va a dar a lo largo de todo el territorio de su país. En concreto, se va a producir el 21 de agosto, de 1:00 a 3:30 pm (hora local).

Para entender porqué este fenómeno es tan único y esperado hay que considerar tres factores: 1) es un eclipse total y no anular; 2) se va a dar en agosto, por lo que es de esperar que el tiempo sea favorable y sin nubes y 3) se va a dar en Estados Unidos, la potencia mundial en ciencia.

Un eclipse total se diferencia de un eclipse anular en la posición de la luna con respecto a la órbita alrededor de la tierra. La Luna tiene una órbita elíptica, y tiene un un perigeo – punto de la órbita más cercano a la tierra – y apogeo – punto de la órbita más alejado de la tierra. El eclipse total se produce cuando la luna se encuentra en el perigeo y el eclipse anular en el apogeo.

(c) Lujafer (astrorionis.blogspot.com).

Cuando la Luna se encuentra en el perigeo, la sombra sobre la tierra tiene mayor área, por lo tanto, la Luna cubre en mayor área al Sol. En el siguiente dibujo, la situación A es un eclipse total, mientras que la B es un eclipse anular.

(c) Francisco Javier Blanco González.

En los eclipses anulares se pueden observar distintos fenómenos, como las perlas de Baily, el anillo solar, y la corona. El que más me ha impresionado sin duda, y que no tenía conocimiento hasta la fecha, son las bandas de sombra. Estas bandas se producen unos segundos antes y después de la totalidad, y se perciben como sombras serpenteantes. Mirad este vídeo:

En el vídeo también se puede apreciar cómo la sombra de la cámara (en la esquina inferior derecha) desaparece en el momento de umbra. En efecto, en el sitio del eclipse se produce un descenso de la temperatura local: es como un atardecer en 360°. Este otro vídeo es muy interesante, porque se puede ver la banda del cielo que se torna oscura según la Luna tapa el Sol. En los bordes, el cielo se torna anaranjado, como el un atardecer. ¡No puedo dejar de verlo!

Como ya he dicho, los estadounidenses están de suerte. Y lo saben. Y como son muy fans de absolutamente todo, han creado la página web oficial del eclipse, que podeís ver aquí. También podeís visitar la página web por excelencia, la de la NASA (que no vende merchandising).

Mientras, en España tendremos que conformarnos con ver sólamente el anillo. Se puede encontrar más información de forma oficial en la web de la Armada Española.

¡Buen eclipse!

 

Espejismo invertido

Este curioso fenómeno se produce cuando hay un gradiente de temperatura muy fuerte en dirección vertical. Por ejemplo, en el vídeo la superficie del mar está muy fría, y a medida que se incrementa la altitud, el aire se calienta rápidamente.

Ocurre entonces que el índice de refracción del aire no es constante y los rayos de luz ya no siguen una trayectoria recta.

Nosotros miramos al cielo, pero en realidad la luz que nos llega es la del barco en la superficie, luz que se curva hasta llegar a nuestros ojos. Y nos hace alucinar, pensando que estamos viendo un barco “flotar” en el aire.

El fenómeno contrario también es posible. Lo habrás visto mientras ibas en coche, en la carretera aparecen “charcos”. No son otra cosa que el reflejo del cielo en el asfalto muy caliente. El índice de refracción cambia muy rápidamente cerca del asfalto, y los rayos se curvan.

Las gotas levitan al ritmo de los ultrasonidos

Os dejo el vídeo para que os deleitéis:

Esta gota de agua levita en un campo acústico. Cuando la frecuencia de los ultrasonidos es igual a la frecuencia de resonancia de la gota, ésta “danza” al ritmo de la música. Si se dobla la frecuencia, la gota tiene dos lóbulos; si se triplica, tres… y así sucesivamente. Es una gota estrella.

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Weiyu Ran, Steven Fredericks, John R. Saylor. “Shape oscillation of a levitated drop in an acoustic field” arXiv:1310.2967 (2013). 

Ojos rojos en las fotografías

Es imposible librarse de ellos. Y os voy a contar por qué.

(c) fireflyforest.net

Los ojos rojos suelen aparecer en fotografías tomadas por la noche y con flash. Esto ocurre porque en ambientes de poca luz la pupila del ojo está dilatada, y la luz del flash entra en el globo ocular. La parte posterior del globo ocular está altamente irrigada por vasos sanguíneos, lo que le confiere el color rojizo que vemos en las fotografías. La luz del flash, que es muy potente, entra directamente al fondo del ojo y se refleja, haciendo posible su imagen. La cámara recoge esa luz y es por eso que el centro de los ojos aparece con color rojo intenso.

Fondo de ojo. (c) Fernando Otreras.

Este efecto no es exclusivo de los humanos, y ocurre también en otros mamíferos (véase el conejo más arriba). En ocasiones, éstos aparecen en las fotografías con un tenebroso color amarillo. La razón: una membrana reflectante ubicada tras la retina y ante los vasos sanguíneos que refleja eficientemente la luz del flash.

Para deshacerse de manera automática de los ojos rojos en las fotografías, se pueden usar programas de edición de imagen gratuitos como el Editor de Imágenes de Microsoft Office.

El efecto de la conciencia en el agua y otras paraciencias

No me deja de sorprender cada vez que un conocido me dice que cree que la conciencia puede alterar el estado molecular del agua. Tres años intentando cambiar las propiedades de los materiales, y ¿sólo había que pensar fuerte? Sin duda, me habría ahorrado muchos quebraderos de cabeza durante el doctorado.

Así que me he lanzado en busca de literatura científica que lo avale. Por supuesto, no he podido encontrar ningún estudio en revistas científicas de alto prestigio (véase Nature), a pesar de los esfuerzos de sus editores por mostrar resultados impactantes. Quizá sea por que los resultados no sólo deben ser sorprendentes, sino veraces.

Una segunda ronda me ha llevado a artículos de revistas como Explore (Elsevier). Un estudio del Instituto de Ciencias Noeticas (California) y del Instituto del Manejo de la Salud (Tokio, no he encontrado ningún enlace) ha mostrado que la apariencia visual de cristales de hielo es más atractiva cuando el agua ha sido tratada. El tratamiento consistió en dirigir las plegarias de agradecimiento de un grupo en una conferencia a 5.000 millas de distancia hacia las botellas que se habían depositado en una cámara de aislamiento electromagnético y acústico. Tras las plegarias, las botellas han sido enviadas desde California hasta Tokio para su análisis. Se tomó unas gotas de las botellas tratadas y de otras botellas control, y se congelaron en una placa Petri a -30 °C para formar cristales de hielo. Esos cristales se mostraron a un grupo de personas, que debían clasificar los cristales de 0 a 6, donde “muy bellos” es un 6 y “feos” es un 0. En un histograma se muestra que la media para los cristales tratados es aproximadamente 3, mientras que los cristales de agua no tratada reciben un 2 de media. El estudio acaba ahí.

En un estudio exhaustivo se examinarían otras variables, como por ejemplo la desviación estándar. A juzgar por el histograma presentado, la desviación debe ser mayor que 1, y por tanto invalida los resultados porque el error a considerar es mayor que la diferencia en los resultados. Es decir, que la diferencia no es estadísticamente significativa. Tampoco se ha analizado el agua químicamente para descartar contaminantes del agua como los responsables de la formación de una u otra geometría del hielo, y tampoco se menciona si se han lavado las placas Petri antes de depositar las gotas, ni qué tan rápido se ha enfriado la gota. A juicio de cualquiera, esto parece más importante, que el hecho de que las botellas hayan sido envueltas en papel de aluminio y plástico de burbujas para aislar el agua de impactos y ondas electromagnéticas durante el viaje a Tokio. No se a vosotros, pero a mi no me convence…

Otro artículo [2] explora el espectro de scattering que produce el agua tratada. El artículo queda un poco cojo con frases como “frequent repetition of the measurement would track the indicatrix shape history over the course of a given experiment, but unfortunately, we have no such facilities at the present time“. Es decir, que podrían repetir los resultados para comprobar su reproducibilidad, pero indican que no poseen dichas facilidades (¿?). Suena extraño, un experimento sí es posible pero varios no.

Aunque no he querido buscar más artículos, una simple búsqueda por internet me ha llevado a páginas que muestran los beneficios de la conciencia sobre el agua. También, los efectos de las resonancias (¡ay! queridas resonancias que he estudiado por 3 años). No he encontrado estudios científicos en dichas páginas (de hecho los enlaces están rotos), pero sí muchos otros enlaces para comprar libros, camisetas, acudir a conferencias, etc. Quizá sea ésta la explicación al éxito de tan intrincado tema.

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Los artículos mencionados son:

[1] Distant Intention on Water Crystal Formation. Explore 2, 408 (2006).

[2] Human Consciousness Influence on Water Structure. J. Scientific Exploration 9, 89 (1995). 

¿Por qué hay más hombres que mujeres en ciencia?

Es una pregunta que me ha intrigado desde que empecé a estudiar Físicas. En general, el número de chicos en clase siempre sobrepasaba al de chicas, y en algunas asignaturas, como Robótica, el número de chicas podía ser tan pequeño como 3, en una clase ¡de 30 alumnos!

La razón del abandono de las mujeres en algunas disciplinas académicas, según los autores de este artículo, son los estereotipos de género. Las mujeres empiezan a evitar actividades que se presuponen para aquellos “muy, muy listos” a la edad temprana de 6 años. Las nociones de brillantez son adquiridas en etapas tempranas de la vida, y pueden tener un efecto inmediato en los intereses de los niños. Estos estereotipos que asocian hombres -pero no mujeres- con brillantez y genialidad pueden suponer un peaje a la trayectoria profesional de las mujeres.

En el estudio, se examinó el desarrollo de las opiniones de un grupo de niños y niñas de clase media (n=96) de edades 5, 6 y 7 años. Las tareas a realizar eran (1) los niños debían averiguar el género del protagonista “muy, muy inteligente” de una historia. No se daban pistas sobre su género en el relato. (2) completar un puzzle, en el que debían averiguar qué objetos (por ejemplo, un martillo) o atributos (por ejemplo, inteligente) corresponden con imágenes de hombres o mujeres adultos.

(c) Lola Echevarría.

Los resultados son sorprendentes. A la edad de 5 años, tanto niños como niñas asociaron “inteligencia” con su mismo género en una proporción similar. Sin embargo, las niñas de entre 6 y 7 años asociaron significativamente en menor proporción su mismo género a la “inteligencia” o “brillantez”. El estereotipo “brillantez=hombres” se adquiere a una edad que está en torno a los 6 años.

Lo más sorprendente, es que los niños no asocian su rendimiento en el colegio con el éxito en la edad adulta. En un segundo estudio se evaluó si el descenso en la autoevaluación de las niñas respecto a las habilidades intelectuales estaba ligado a la percepción de sus logros en la escuela. La percepción de las niñas sobre sus logros era positiva en ambos grupos de edades (5 o 6-7 años). Es más, las niñas de entre 6-7 años eran más propensas a elegir “niñas” cuando se las daba a elegir entre niños o niñas como los que habían obtenido las calificaciones más altas. Esto es consistente con el hecho de que, en general, las niñas suelen tener las notas más altas que los niños en una misma clase. Entonces, ¿qué está pasando? No se ha encontrado correlación entre la percepción de quién saca mejores notas en la escuela, y quién es brillante.

El estudio concluye que la explicación puede estar en las normas sobre modestia a las que las niñas suelen estar sometidas. El artículo dice: la modestia es, en general, una cualidad elogiada por la sociedad, y por la cual una mujer no debería sobresalir por encima de los demás. Personalmente, creo que esto tiene algo de cierto, y, por poner un ejemplo vistoso, podría citar unas cuantas películas en las cuales este estereotipo marca al personaje. La percepción sobre la modestia puede estrechar el rango de estudios que las niñas contemplarán en un futuro. Ahora bien, cómo de determinante es este factor entre otros, como por ejemplo, los gustos personales, no está contemplado en el estudio.

Referencia:

Lin Bian, Sarah-Jane Leslie, Andrei Cimpian. Gender stereotypes about intellectual ability emerge early and influence children’s interests. Science, Vol. 355, Issue 6323, pp. 389-391.

Por qué es importante entender la conductividad del calor

Cuando se entiende un concepto, es fácil aplicarlo y manipularlo. En el caso de la conductividad del calor, conocer cómo fluye, en qué dirección, a qué velocidad, qué es lo que ocurre con el material… etc. nos da una pista para saber si podemos aplicar excepciones, para, por ejemplo, crear un material que conduzca rápidamente el calor de nuestro portátil hacia afuera y lo disipe. Interesante, ¿eh?. Pues aquí vamos con lo primero: “entender”.

El calor se conduce a través de los materiales aislantes por medio de fonones. Un fonón se define como un modo de vibración colectiva de los átomos del material. En materiales conductores, la conductividad del calor se debe a ambos fonones y electrones, y la contribución relativa de electrones respecto a los electrones que conducen la electricidad viene dada por la ley de Wiedermann-Franz. Pero volvamos a los materiales aislantes.

La transporte de los fonones en materiales aislantes puede ser difusivo o balístico. En el transporte difusivo, el camino libre medio del fonón Λ (es decir, la distancia media que viaja un fonón hasta que interacciona con otro ente) es menor que el tamaño del objeto L. En el transporte balístico ocurre lo contrario, el camino libre medio Λ es mayor que el tamaño del objeto L.

Vamos con el primero. En el transporte difusivo (Λ<<L) para objetos macroscópicos el flujo de energía está descrito por la ley de Fourier. El flujo de energía es directamente proporcional al gradiente de temperatura mediante una constante (o tasa), que es la conductividad del calor (k):

J = -k·∇T

“k” se mide en vatios por metro y grado Kelvin (W/mK). El recíproco de la conductividad térmica es la resistencia térmica, y es aditiva. Es decir, que si se tiene una pared de varias capas de distintos materiales, la resistividad de la pared será la suma de las resistividades de cada capa. La expresión para la conductividad térmica de un material cristalino y aislante está dada por la ecuación de transporte de Boltzmann (BTE):

k = 1/3 C·c²·τ

La conductividad térmica es directamente proporcional a:

1. La capacidad calorífica C,
2. Al cuadrado de la velocidad del fonón c² y
3. La vida media del fonón τ.

Contribuciones a la vida media del fonón τ están dadas por interacciones elásticas (cambio de dirección por dispersión en (a) los bordes del objeto, o (b) los defectos intrínsecos) e inelásticas (scattering normal y Umklapp). La conducción térmica típica de materiales aislantes y macroscópicos es de 0.01 W/mK para polímeros (malos conductores), y es de hasta 100 W/mK en buenos conductores como el diamante.

En el transporte balístico (Λ>L), el camino libre medio del fonón es mayor que las dimensiones del objeto, y por tanto el fonón viaja sin dispersión interna. En este caso, no se puede definir la temperatura interna del objeto, y se dice que está en una situación fuera de equilibrio termodinámico. En un material cristalino, hay varios modos para los fonones, y todos ellos poseen distintos caminos libres medios. Por ejemplo, en silicio, el camino libre medio de los fonones a temperatura ambiente es de 200-300 nm. Recientemente se ha demostrado que fonones con camino libre medio mayor a una micra contribuyen cerca del 50% a la conductividad térmica. Por lo tanto, las dimensiones del objeto microscópico son muy importantes a la hora de determinar el régimen balístico de la conductividad térmica.

Para saber qué regimen predomina en la conductividad térmica de un material, se puede diseñar el siguiente experimento. Se fabrican varias láminas de ese material con distintos grosores, y se mide su conductividad térmica mediante el método 3-omega. Si la conductividad térmica depende del grosor de la lámina, entonces ésta está dominada por el  régimen balístico. Si por el contrario, la conductividad no depende ya más del espesor, entonces el régimen difusivo dominará el transporte de los fonones.

Transporte balístico en silicio agujereado. Nano Lett. 15, 3273.

La conductividad del calor también depende de la temperatura del objeto. A temperatura ambiente, la conductividad del calor en un objeto es difusiva. A medida que la temperatura decrece, los modos fonónicos se van congelando, y la conductividad crece progresivamente. El límite a esta conducción, que comienza a ser balística, viene dada por los obstáculos que los fonones encuentran a su paso, y que son fundamentalmente de dos tipos: defectos y bordes. Los fonones ya no se dispersan por la interacción con otros fonones, sino que viajan sin interaccionar hasta que se encuentran un obstáculo físico, como es un borde, o un defecto del material. Por lo tanto, a bajas temperaturas, la conductividad decrece de nuevo. La máxima conductividad ocurre a una temperatura que no es fija, sino que depende de las características (pureza, dimensiones) del objeto.

Conductividad térmica del AlN en función de la temperatura. Slack et al. 1987. 

 

 

Propagación de ondas elásticas en nanocompuestos: la dependencia del entorno

¡Hola a todos! Como regalo de año nuevo, hoy se ha publicado online un artículo de una servidora que podéis encontrar en este enlace. El trabajo ha sido realizado en colaboración con grupos de la Universidad de Pennsylvania, la Universidad de Lille, el Instituto Calatán de Nanociencia y Nanotecnología y el Instituto Max Planck de Polímeros de Mainz.

El artículo es bastante técnico, pero trataré de resumirlo con la mayor claridad posible. La motivación de nuestro estudio es la de determinar con alta precisión las propiedades mecánicas de compuestos, en concreto compuestos poliméricos. El interés en los polímeros se basa en que sus propiedades no son tan estables como las de los sólidos convencionales, ya que dependen fuertemente de la temperatura y las dimensiones de sus compuestos. En mi artículo, también determinamos las propiedades en función del medio que rodea al material en cuestión.

El compuesto que nos trata es una red periódica de nanolíneas fabricadas a partir de un compuesto híbrido comercial epoxy-POSS. “Nano” hace referencia a las dimensiones nanométricas (10^-9 m) e híbrido indica que el compuesto contiene tanto moléculas orgánicas (C-C) como inorgánicas (SiO2). La característica distintiva de estas nanolíneas es su gran altura, respecto de su anchura, que aunque, es deseable en múltiples aplicaciones, las hace inestables a condiciones de alta humedad. La absorción de humedad puede variar sus propiedades mecánicas, y nosotros hemos determinado esa variación con precisión.

Adicionalmente, también hemos medido y simulado las propiedades elásticas al cambiar el medio que rodea a las nanolíneas. Inicialmente, estas están en aire, pero cuando se infiltra un líquido en los espacios intersticiales sus propiedades cambian. La alternancia de dos medios con propiedades elásticas distintas, como son el polímero y el líquido, hace que ondas elásticas con periodo similar al del espaciado de las nanolíneas se reflejen y formen un llamado espejo hipersónico.

La particularidad de este estudio reside en la versatilidad del compuesto utilizado, que puede usarse para variar la conductividad de ondas elásticas de alta frecuencia (GHz) a voluntad.

Este artículo ha sido publicado en Nanoscale. El artículo ha sido seleccionado para aparecer en la contraportada de la edición impresa.