Generación de un nano-motor utilizando centros F en cristales

Generación de un nano-motor utilizando centros F en cristales haluros
alcalinos
Luis F. Da Silva
Departamento de Física, UTEM
Av. J.P. Alessandri 1242, Santiago, Chile
[email protected]
Resumen
Los cristales haluros alcalinos presentan la particularidad de poder instalar en ellos
defectos puntuales con relativa facilidad por diversas técnicas. El centro F es uno de estos
defectos puntuales y consiste en una vacancia iónica en la cual se ha instalado un electrón.
Este electrón puede ser excitado con luz del espectro visible y reemite en el infrarrojo. Al
absorber el fotón de la vacancia, se expande presionando a los iones vecinos. Normalmente
la densidad de centros F es del orden de 1016(centros F/cm3). Cada centro F se puede
considerar como un nano-motor que absorbe la energía de un fotón del espectro visible,
esta energía está dada por E1 = h1, y reemitiendo en el infrarrojo un fotón de energía E2
= h2 de modo que la eficiencia de este motor está dada por = 1 - 2/1. Esto da la
posibilidad de generar nano-motores accionados con luz instalando los centros F en una
geometría que sea conveniente. Además, serían la base para generar nuevos nano-motores
utilizando otro tipo de materiales dopados que funcionarían con luz pulsada y no tendrían
residuos contaminantes. Se presentará la línea de generación técnica de este motor y las
distintas alternativas de utilización de este tipo de materiales dopados.
Introducción
Un centro F, en un haluro alcalino, está constituido por una vacancia dejada por un ión
alcalino más un electrón en su interior. Este centro absorbe radiación visible que luego
reemite normalmente en la banda del infrarrojo. En el caso de centro F en KCl la absorción
corresponde a una banda centrada en los 550 nm y reemite en una banda centrada en los
1050 nm. Durante el proceso de absorción el tamaño de la vacancia se expande pudiéndose
generar un sonido en la atmósfera que le rodea, si el cristal es iluminado con luz chopeada
(efecto fotoacústico), además de incrementar levemente la temperatura de la muestra. El
efecto fotoacústico se puede explicar pensando que la muestra del cristal al absorber la
radiación, las paredes del cristal actúan como un pistón sobre el gas que rodea a la muestra
generando una onda de presión sobre éste. La vacancia se expande empujando a los iones
vecinos para luego al reemitir vuelve a su tamaño inicial. Este mecanismo está bien
conocido y es el que da la posibilidad de generar un motor al nivel de nanotecnología. En
este trabajo se presentan las distintas etapas de su generación desde las ya consolidadas
hasta las que están en calidad de diseño.
Método de coloración de cristales
Existen varios métodos de coloración de cristales, el que se ha usado en estas experiencias
es de coloración aditiva. En éste la muestra de KCl, por ejemplo, se instala dentro de un
tubo de cuarzo más una porción de potasio puro. El tubo se sella por los extremos y al que
previamente se le ha hecho vacío. Luego, éste se introduce dentro de horno con control de
temperatura. Desde el exterior se observa el coloramiento paulatino del cristal lo permite
establecer la concentración de centros F. Una vez obtenida la concentración deseada la
muestra se instala sobre una placa metálica para su templado. Luego de templarlo se
procede a foliarlo y obtener el tamaño de muestra que se requiere.
Algunas características físicas del centro F
El centro F puede considerarse como una caja cúbica con un electrón en su interior, esta
caja tiene una arista de alrededor de 3 Å. En general, estos centros absorben en la zona
visible y reemiten en la banda del infrarrojo cercano. En el caso del centro F en KCl
absorbe en los 550 nm y reemite en los 1050 nm. Al absorber un fotón la caja se expande
empujando a los próximos vecinos y con esto haciendo un trabajo W, este trabajo es
generado por la energía h_1 = 2.3 eV y emite un fotón de energía h_2 = 1.2 eV lo que da
una eficiencia _ = 48 %. Este valor es en primera aproximación ya que la muestra sube
levemente la temperatura, 0.5 K. La energía utilizable por centro F es de 1.1 eV. En el caso
de la potencia generada, ésta va a depender de la frecuencia de chopeo de la luz incidente
de la concentración de centros F y de la intensidad de la luz incidente. En cada expansión
del centro F, la arista de la caja se incrementa en 0.4 Å lo que da una presión, aproximada,
sobre próximos vecinos de 1010 dinas/cm2.
Diseño nano-motor
Existen varias disposiciones geométricas de los centros F para generar un nano-motor. Una
de ellas es instalar dos filas paralelas de n centros F dentro del cristal de modo que sean
iluminadas alternadamente de modo que sus movimientos estén desfados en . La luz
chopeada tiene la limitante que estos centros una vez que son excitados decaen después con
una vida media de alrededor de 600 ns. Para lograr un desfase de se debe usar una línea
de retardo óptica. Estas dos filas de centros F actúan como pistones que activan un cigüeñal
que hará girar un eje convirtiendo la energía fotónica en energía mecánica para ser
utilizada. La geometría de distribución de los centros F va a depender del diseño mecánico
que se instale para convertir la energía del centro F en mecánica.
Conclusiones y comentarios
Se ha mostrado la factibilidad de un nano-motor utilizando conglomerados de centros F
instalados en haluros alcalinos que al ser iluminados con luz chopeada, correspondiente a
sus bandas de absorción, se obtienen rendimientos cercanos al 50 %. Rendimientos que
están por sobre los motores tradicionales. La potencia de este tipo de nano-motor es
dependiente de la frecuencia del chopeo del haz. Sin embargo, la limitante del tamaño en
este tipo de motor depende la interfase mecánica que permite convertir la energía luminosa
en mecánica. En cambio, el generador de energía puede tener desde el tamaño de un átomo
hasta el tamaño que sea necesario. Este tipo de motores, naturalmente, genera una serie de
innovaciones de orden técnico a muy bajas dimensiones.
Referencias
10 PUBLICACIONES DEL AUTOR EN REVISTAS CIENTIFICAS DEL TEMA
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