RUBÉN G. BARRERA
Doctor en Física. Investigador emérito del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México. Responsable técnico del proyecto «Analogías en la física de sistemas bidimensionales rotados de escala atómica a escala nanométrica», modalidad sinergia.
En este artículo expongo, someramente, el objetivo de un proyecto de ciencia básica que busca entender algunos fenómenos físicos particulares, que aparecen en sistemas bidimensionales. Este objetivo no se relaciona con un campo de aplicación específico, sino que busca la comprensión profunda del comportamiento de estos sistemas, lo que nos permitirá ampliar la frontera del conocimiento.
La forma más fácil de explicar lo que se busca en este proyecto es analizar su título: «Analogías en la física de sistemas bidimensionales rotados: de escala atómica a escala nanométrica». Lo primero por aclarar es que los sistemas bidimensionales a escala atómica son conjuntos de átomos, ligados entre sí, formando una capa extremadamente delgada, cuyo grosor tiene la dimensión de un solo átomo, algo mucho menor a una milésima de micra, siendo la micra la milésima parte de un milímetro. Por otra parte, el término escala nanométrica implica que la escala en las que se expresan las longitudes relevantes del sistema, estará dada en nanómetros; siendo un nanómetro la mil millonésima parte de un metro. De esta manera, los sistemas bidimensionales a escala nanométrica son conjuntos de partículas de tamaño nanométrico —de uno a cien nanómetros— dispuestas sobre un sustrato plano y colocadas de tal manera que no se encimen una sobre otra y formen así una monocapa con un ancho de dimensiones nanométricas. A diferencia de los sistemas bidimensionales de escala atómica, en los sistemas bidimensionales de escala nanométrica cada una de las partículas que los componen tiene de miles a millones de átomos.
La otra palabra que aparece en el título del proyecto es analogías y se refiere a la similitud como una herramienta metodológica. Mediante la comparación entre estos dos sistemas que comparten la bidimensionalidad de su geometría, pero que difieren en sus dimensiones y su composición, es posible aprovechar el conocimiento de las características fácilmente identificables en un sistema para buscarlas en el otro y viceversa.
Antes de explicar la palabra rotados, que aparece también en el título y es el término clave que otorga la originalidad a nuestro proyecto, haré un paréntesis para exponer por qué estos sistemas son interesantes y han captado recientemente la atención de muchos investigadores en diversas partes del mundo.
Durante mucho tiempo, uno de los problemas fundamentales en el estudio de la materia sólida fue entender por qué un material (como el cobre) conduce la electricidad, mientras que otro (como el vidrio) no lo hace. Esta cuestión pudo resolverse hasta la década de 1920, gracias a la aparición de la mecánica cuántica, que hizo posible el estudio de las propiedades de la materia sólida, a nivel fundamental. Los avances en esta materia dieron lugar, en 1940, a la publicación del libro de Frederick Seitz intitulado Teoría moderna de los sólidos. En él se estudian a detalle las propiedades de los cristales, concebidos como un agregado de átomos dispuestos en el espacio, de manera que una configuración de unos cuantos átomos (celda unitaria) se repite periódicamente en las tres direcciones del espacio. Debido a que la mayoría de las sustancias cristalizan a una temperatura suficientemente baja, el estudio de los cristales no sólo abrió un campo de investigación fundamental, sino que creó todo un bagaje conceptual para el futuro estudio de la materia en estado sólido.
Con dicho antecedente, las investigaciones acerca de las propiedades de los cristales condujeron a preguntarse ¿qué sucede ahora si el cristal no es perfecto, si tiene defectos, si está compuesto por diferentes clases de átomos (aleaciones), si está completamente desordenado (vidrios), o si se trata de un cristal, pero de dos dimensiones? Así, surgieron una multitud de variaciones a estas preguntas con el objetivo de descubrir nuevos fenómenos físicos.
De manera paralela a este desarrollo de la física del estado sólido surgió la nanociencia, enfocada en descubrir nuevos fenómenos determinados por el tamaño nanométrico de de las partículas (nanopartículas). Para ello se fabricaron cristales que imitan a los sistemas atómicos, pero que se conforman de nanopartículas; se les denominó cristales fotónicos debido a la feliz analogía entre el comportamiento de la luz en ellos y el comportamiento de los electrones en los cristales.
En este contexto, el estudio de sistemas bidimensionales apareció como un paso natural en la evolución epistémica de la física de los sólidos. Su incentivo más importante fue el descubrimiento y obtención del grafeno, un material compuesto por una sola capa ordenada de átomos de carbono ligados entre sí, formando una estructura geométrica con simetría hexagonal, como la que tiene un panal de abejas. Por este descubrimiento, los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2010. Desde entonces el grafeno ha sido objeto de una multitud de estudios, lo que abrió una nueva y fructífera línea de investigación. Gracias a esto ha sido posible fabricar, de manera controlada, muestras de sistemas bidimensionales, no sólo con átomos de carbono, sino también con otro tipo de átomos. En dichos estudios se han explorado los cambios en la conductividad eléctrica y la absorción de luz cuando, en vez de una capa de grafeno, se tienen dos (bicapas) o más capas.
Sin embargo, algo que sólo recientemente ha comenzado a explorarse es el comportamiento de una bicapa de grafeno, o de otro material, cuando la segunda capa se coloca rotada en un cierto ángulo con respecto a la primera, tal y como se muestra en la figura 1. Éste es el sentido de la palabra rotado que aparece en el título del proyecto. Como se ve en la figura 1, puede haber ciertos ángulos de rotación en los que aparecen patrones geométricos con simetrías muy peculiares. A estos patrones se les conoce como patrones de muaré, del francés moiré. Su nombre proviene de un tipo particular de tela, originalmente de seda, aunque actualmente también se fabrica este textil con algodón o fibra sintética. Los patrones de muaré son el resultado de la superposición de dos rejillas de líneas que pueden corresponder a fibras textiles o de cualquier otro tipo. Estudios recientes demuestran que, al cambiar el ángulo de rotación en bicapas de grafeno ocurren asombrosos cambios en la conductividad del material. Sin embargo, estudios equivalentes en sistemas nanométricos aún no han sido realizados. Por ello, en nuestro proyecto queremos aprovechar la analogía entre los sistemas bidimensionales, atómicos y nanométricos, para explorar el cambio de sus propiedades como función del ángulo de rotación. Esperamos, por ejemplo, cambios peculiares en la polarización de la luz cuando atraviese bicapas rotadas de sistemas nanométricos. Estos estudios permitirán abrir nuevos caminos para la investigación científica.