Observando lo más pequeño

Observando lo más pequeño
“Las Comunicaciones en el Mundo Microscópico”
“Microchips, Universos de Silicio” Dr. Francisco Melo Hurtado, físico,
Facultad de Ciencia, Universidad de Santiago de Chile.
“Cristales y Minerales, Sorpresas Geométricas”  Dr. Nicolás Yutronic
Sáez, químico, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile.
Presentan: el Programa de Itinerancias CCAT, El Camino de las Ciencias, Artes y
Tecnologías, ejecutado por: mim, Programa EXPLORA - CONICYT, Universidad de
Concepción y Fundación Andes.
Objetivo
El objetivo de la exhibición es poner en evidencia la existencia de un mundo
microscópico que se comunica, se interrelaciona e interactúa. Además quiere acercar
las tecnologías de investigación microscópica en ciencias a los alumnos y público
general.
Introducción
Dentro de nosotros y a nuestro alrededor, millones de micro-universos permanecen
invisibles al ojo humano. Estos ocultaron sus secretos por siglos, hasta que apareció el
microscopio.
El ojo humano tiene una resolución cercana a 100 µm (micras). Lo más pequeño que
distinguimos a simple vista no puede ser menor que 0,1 mm; tamaño de un cabello
humano.
El microscopio nos permite observar imágenes formadas por vía óptica (luz), acústica o
electrónica, y pueden captarse por imagen directa, por procesamiento electrónico o por
una combinación de ambos métodos.
Del óptico al túnel
El microscopio más común es el óptico, inventado alrededor del 1600. En él, se usan
lentes y luz para formar la imagen. Los microscopios ópticos simples (con un lente)
aumentan de una a diez magnitudes, con resoluciones posibles de cerca de 0,01
milímetros. Los compuestos (varios componentes ópticos montados uno detrás de otro)
tienen aumentos que van desde 2,5 hasta 1.000 magnitudes, y ofrecen resoluciones de
0,01 a 0,0002 milímetros.
Otros microscopios usan la naturaleza de ondas de varios procesos físicos. El más
importante es el electrónico, inventado en 1930, que usa una corriente de electrones
para formar imágenes. Éstas no se ven directamente, sino en una pantalla. Los
microscopios electrónicos aumentan los objetos desde 1.000 hasta 1.000.000 de veces,
con resoluciones que van desde 0,001 hasta 0,000 000 01 milímetros.
En 1981 fue inventado el microscopio de efecto túnel, que posibilita la visualización
de partículas del orden de los nanometros. Sus creadores recibieron el Premio Nobel
1986. Esta invención, que funciona con un efecto conocido como “efecto túnel”, podría
llamarse nanoscopio.
Algunos conceptos
La primera referencia segura sobre el microscopio (1621) se debe a Constantijn
Huygens, quien relata que el inglés Cornelis Drebbel tenía en su taller un instrumento
magnificador, que recibió el nombre de microscopium en l625, en la Accademia dei
Lincei, de Roma. Microscopio es una palabra que viene del griego y significa “para ver
lo pequeño” los microscopios son mecanismos que llevan el sentido de la vista humana
más allá de sus límites naturales.
“Microchips, Universos de Silicio”
Un microchip es un conjunto de circuitos empaquetados para computador, fabricado
de silicio a muy pequeña escala, del orden de los micrones (1*10 –6 metros).
En 1965, uno de los fundadores de Intel, Gordon Moore vaticinó que el número de
transistores por pulgada en circuitos integrados se duplicaba cada año y medio, y que la
tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas. Esta progresión de
crecimiento exponencial: doblar la capacidad de los microprocesadores cada año y
medio, es lo que se considera la Ley de Moore.
En la actualidad los chips son menores de 180 nanometros, la milmillonésima parte de
un metro. Para que la Ley de Moore no pierda vigencia, el tamaño se debería reducir a
menos de 100 nm para el año 2005.
Esta progresiva miniaturización nos ha abierto las puertas de la nanotecnología.
- ¿Qué es un semiconductor?
Es un material que no es un conductor nato de electricidad (como el cobre) pero
tampoco es un aislante que no puede conducir electricidad. Tiene una cierta capacidad
para conducir electricidad la que en general aumenta con la temperatura. La
conducción de electricidad es posible gracias a portadores de carga; en los conductores
son generalmente electrones libres. En los semiconductores, los portadores pueden ser
positivos (semiconductores tipo p) o negativos (semiconductores tipo n).
- ¿Qué es un transistor?
Si se juntan tres semiconductores, dos p y un n, se puede formar una estructura pnp
que funciona como amplificadora de corriente. Este elemento se llama transistor. Un
amplificador de corriente básicamente permite que variaciones pequeñas de una
corriente de entrada, provoquen grandes variaciones en una corriente de salida. Esto se
requiere en los circuitos electrónicos de todo tipo.
- ¿Qué es un chip?
Un chip es un circuito electrónico (con rectificadores o diodos y amplificadores o
transistores) que para efectos de miniaturización e interconexión, se construye
directamente sobre un semiconductor (típicamente el silicio). Sobre una ‘plancha’ de
silicio, se dibuja, usando técnicas serigraficas, el circuito. El hecho de que el
semiconductor esté siempre disponible evita la necesidad de trabajos específicos en las
conexiones del chip. El chip del procesador de un PC requiere millones de conexiones
que si el circuito no fuese ‘integrado’ sería necesario soldar de a una. Esto no es
práctico.
- ¿Cómo usamos el silicio en los chips?
Se usa como base sobre la que se construye el circuito. Partes de esta plancha son,
por supuesto, el superconducor que se usa en todos los diodos y transistores del
circuito. Ahora el silicio puede ser del tipo p o n.
“Cristales y Minerales, Sorpresas Geométricas”
Los minerales son compuestos inorgánicos sólidos que se encuentran en la naturaleza
y son la fuente para la obtención de la mayoría de los metales y de sus compuestos,
con los cuales nos relacionamos diariamente. La vitamina B12, también llamada
cobalamina, es un compuesto muy importante para la salud, mantiene en buenas
condiciones las células nerviosas y los glóbulos rojos y además es necesaria para la
formación del DNA. Se encuentra principalmente en el pescado, alimentos lácteos,
huevos, carne y pollo.
Un compuesto cristalino es un sólido, cuyos iones, átomos o moléculas están
ordenados en disposiciones bien definidas. Poseen caras planas que forman ángulos
específicos entre sí.
Experimentación
Nosotros observaremos cómo cristales cloruro de cobalto pueden variar su coloración
“en comunicación” con el grado de humedad del medio ambiente. Esto implica que los
ligandos o grupos directamente enlazados al cobalto serán diferentes.
Esto podría expresarse a través del equilibrio:
2[Co(H2O)4Cl2]2H2O  Co[CoCl4] + 12 H2O
ROSADO
AZUL
La forma estructural del ión [Co(H2O)4Cl2] ++ es octaédrica y la del CoCl4- - tetraédrica.
Los colores se explican por las transiciones de los electrones d del cobalto, el campo
cristalino octaédrico es mayor que el tetraédrico, esto significa que la absorción de
energía para el salto energético del primero es a menores longitudes de onda y el
segundo a mayores longitudes de onda.
Preparación de las muestras y observación al microscopio: A cristales de cloruro
de cobalto comercial CoCl2.6H2O, que son de color rosado, se les agrega una gota de
alcohol etílico. Esto produce que moléculas de agua que contiene el cloruro de cobalto
se desprendan del cobalto, adoptando los cristales una coloración azul. Cuando el
etanol se evapora, lo que ocurre con rapidez (cerca de 1 minuto) a temperatura
ambiente, el cristal recupera desde el medio ambiente o por el aliento del observador el
agua perdida, y vuelve a su color original. El proceso completo puede verse con
claridad a través de un microscopio de reflexión con un objetivo desde 10x.
Para apurar el proceso de evaporación, hay una lámpara con una ampolleta de 100
watts (o un secador) a la que pueden exponerse los portaobjetos con cloruro más
alcohol.
Este experimento se aprecia mejor con poco aumento, se sugiere privilegiar la
observación con objetivos de menor magnitud.