Cuaderno de Cultura Científica: Un nuevo alótropo del silicio promete revolucionar la industria fotovoltaica

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Un nuevo alótropo del silicio promete revolucionar la industria fotovoltaica Posted: 19 Nov 2014 08:00 AM PST Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next Que la estructura cristalina es fundamental para las características físicas que va a presentar una sustancia química es de todos conocido. Ahí está el clásico ejemplo del grafito de la mina de los lápices y el diamante, ambos con idéntica composición química (carbono puro), pero diferente estructura cristalina. Grafito y diamante son dos de los alótropos posibles del carbono. Un grupo de investigadores de la Institución Carnegie (EE.UU.), encabezados por Duck Young Kim, ha conseguido sintetizar un nuevo alótropo del silicio con gap directo. Gap directo significa que el mínimo de la banda de conducción (por la que circulan los electrones que “conducen” la electricidad) y el máximo de la banda de valencia (donde están los electrones de valencia de los átomos) coinciden para el mismo valor de una variable llamada momento cristalino, lo que permite que un electrón se mueva entre una y otra banda simplemente intercambiando un fotón. Este descubrimiento podría revolucionar la industria de las células fotovoltaicas y la de los dispositivos emisores de luz (LED) al combinar la capacidad de absorber la luz de los materiales como el arseniuro de galio con las ventajas de proceso del silicio tradicional. El único inconveniente serio es que la síntesis del nuevo alótropo es larga y cara, pero una vez claro el concepto es muy probable que se pueda reducir y abaratar. El silicio es omnipresente en la industria electrónica, pero el alótropo que se emplea, que comparte estructura cúbica con el diamante, tiene un gap indirecto, es decir, los electrones no se pueden mover entre las bandas de valencia y conducción simplemente intercambiando un fotón, es necesario también la intervención de un fonón (una excitación de los modos de vibración del cristal) para que se conserve el momento. Esto hace que el silicio sea relativamente ineficiente a la hora de absorber o emitir luz. Las células fotovoltaicas necesitan por ello una oblea de silicio relativamente gruesa para absorber suficiente luz, mientras que en los LEDs se prescinde del silicio y se usa arseniuro de galio que, si bien es de gap directo, es más caro, se descompone fácilmente y es tóxico. El silicio, que se encuentra justo debajo del carbono en la tabla periódica, tiene como éste la capacidad de formar cuatro enlaces formando un tetraedro. Esto hace posible la existencia de una enorme variedad de estructuras hipotéticas, muchas de las cuales no son estables, sino metaestables, es decir, con una energía ligeramente superior a la estructura más estable posible en condiciones normales. Muchas de estas estructuras se han observado experimentalmente en condiciones controladas y cuatro son estables dinámicamente en condiciones ambiente. En 2013 el mismo equipo de investigadores descubrió el Na4Si24. Ahora han comprobado que calentándolo a 400 K al vacío pierde los átomos de sodio dejando un alótropo ortorrómbico de silicio estable dinámicamente. Los investigadores han realizado cálculos teóricos que indicarían que este nuevo material es estable hasta los 750 K y 10 gigapascales de presión y, lo que es mucho más interesante, con un gap directo de 1,3 eV o, lo que es lo mismo, ideal para células fotovoltaicas. El gran problema, como indicábamos al principio, es de proceso. Temperatura y vacío combinados para obtener una estructura que es metaestable, y muy sensible a las impurezas, a partir de un compuesto es algo muy delicado. Pero no es nada que no pueda mejorarse invirtiendo en su optimización si el material es lo que promete ser. Pero para comprobar que todas las bondades del silicio ortorrómbico realmente son las que se calculan será necesario obtener cristales de un tamaño mucho mayor que el de los obtenidos hasta ahora , microcristales o, visto desde fuera, polvo. Si se obtiene un cristal de tamaño razonable podría simplificarse el proceso rápidamente recurriendo al crecimiento epitaxial, muy empleado ya en la industria de los semiconductores. En el peor de los casos, en el que no se pudiesen superar las dificultades técnicas, este trabajo quedará como referencia por la nueva forma de síntesis, que podrá aplicarse a distintos materiales en busca de todo tipo características interesantes. Referencia: Duck Young Kim, Stevce Stefanoski, Oleksandr O. Kurakevych & Timothy A. Strobel (2014) Synthesis of an open-framework allotrope of silicon Nature Materials DOI: 10.1038/nmat4140 Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance The post Un nuevo alótropo del silicio promete revolucionar la industria fotovoltaica appeared first on Cuaderno de Cultura Científica.

Un delicioso puzzle de chocolate Posted: 19 Nov 2014 02:59 AM PST Hace unas semanas pudimos leer en esta sección del Cuaderno de Cultura Científica, Matemoción, una entrada sobre diseños geométricos de tabletas de chocolate, Diseños geométricos de chocolate . En ella hablábamos de una serie de diseños realizados por, o para, el maestro chocolatero barcelonés Enric Rovira. Bellos diseños de tabletas de chocolate, como las tabletas “Hexagon Gaudi” o “Choco dosis”, pero prestamos especial atención al diseño de la tableta de chocolate “Pythagoras”, realizada por el diseñador de origen croata, pero afincado en Donosti, Santos Bregaña, con la colaboración del matemático eibarrés Enrique Zuazua.   Tableta de chocolate “Pythagoras” realizada por el diseñador Santos Bregaña, con la colaboración del matemático Enrique Zuazua, para el maestro chocolatero Enric Rovira Sin embargo, esta no fue la única colaboración con el maestro chocolatero Enric Rovira de este diseñador que ha realizado un trabajo importante dentro del mundo de la gastronomía y que incluso recibió el premio Sphere otorgado por el Art Director Club NY por su trabajo para el restaurante Mugaritz. Si miramos en la página web de su estudio de diseño, Atelier Laia, descubriremos que creó otro diseño para realizar con chocolate, con el nombre “pecados capitales”. Un diseño, de nuevo, con mucha geometría. Caja de bombones “pecados capitales”, diseño realizado por Santos Bregaña, para el maestro chocolatero Enric Rovira Se trata de una serie de piezas de chocolate, “bombones”, que se guardan en una caja cúbica (como se muestra en la imagen). Este tipo de cajas, cúbicas, ya ha sido utilizado por Enric Rovira para guardar “rajoles” de chocolate, bámbolas o fragmentos de cacao. En este diseño, Santos Bregaña, propone que la forma de los bombones, de las piezas de chocolate, sea distinta a las utilizadas por este maestro chocolatero, e incluso por otros. Para empezar, las piezas de chocolate cubren toda la caja cuadrada en la que se van a guardar, y además son de tipo “recto”, sin curvas. Las opciones más sencillas habrían sido, o hacer piezas de chocolate cúbicas, por ejemplo, 27 bombones cúbicos, que irían guardados en la caja cúbica, o bien hacer piezas que fuesen alargadas, con forma de barra, es decir, como formadas por tres pequeñas unidades cúbicas seguidas, y en total, la caja llevaría 9 de esos bombones alargados. Aunque, ninguna de las dos propuestas sería un diseño muy interesante, y menos innovador. Pero el director de la editorial Tabula, dedicada a la difusión de la cultura y la gastronomía, Santos Bregaña, ha ido más allá. Para el diseño de las piezas de chocolate ha considerado el puzzle geométrico tridimensional “cubo soma”. Este puzzle está formado por siete policubos (es decir, figuras geométricas tridimensionales que se forman al unir dos o más cubos por alguna de sus caras) distintos. Un policubo formado por tres cubitos (con forma de L o V) y seis policubos formados por cuatro cubitos (una esquina o trípode, una L, una T, una Z y dos piezas que son una la imagen especular de la otra). Las siete piezas del puzzle geométrico tridimensional llamado “cubo soma” Este puzzle geométrico tridimensional fue inventado por el poeta, matemático y genio danés Piet Hein, en 1933. Se cuenta que durante una conferencia sobre mecánica cuántica del físico Werner Heisenberg, que recibió el premio Nobel de Física en 1932 “por la creación de la mecánica cuántica…” y que muchos conocen por el principio de incertidumbre que lleva su nombre, se dio cuenta de que con todos los “policubos” “irregulares” (es decir, que no son “rectos”, luego ni un cubo, ni una serie de cubos alineados; tampoco pueden ser cubos unidos para formar un cuadrado ) formados por 4, o menos, cubos se podía formar un cubo 3x3x3. Patente inglesa, de 1934, del puzzle geométrico “cubo soma” de Piet Hein Las piezas del “cubo soma” son siete, como los pecados capitales a los que alude el diseñador en esta creación suya de una caja de bombones, y además son piezas distintas, cada una con su propia forma. Así mismo, al ser las piezas de chocolate un puzzle geométrico, en concreto, el “cubo soma”, esta delicia de chocolate se convierte así mismo en un juego. El reto del mismo consiste en construir un cubo 3x3x3 con los siete bombones, o lo que sería lo mismo, sacar las siete piezas de chocolate de su caja cúbica y volverlas a guardar de nuevo. De hecho, como bien descubrió el matemático inglés John Conway existen 240 soluciones distintas, o formas de meter las piezas en su caja cúbica. Por lo tanto, tenemos diversión asegurada. Imágenes, fotografías de López de Zubiría, de la realización del diseño de la caja de bombones “pecados capitales” por parte del diseñador Santos Bregaña. En la primera se pueden ver dos cubos montados, uno sin la pieza de tres cubitos con forma de V, mientras que en la segunda, el segundo cubo está desmontado, pudiéndose observar las seis piezas que lo formaban, y que con la pieza en V se completarían las piezas del “cubo soma” Personalmente, me parece una idea preciosa la de utilizar las piezas del “cubo soma” como bombones de chocolate, aunque cada vez que nos pongamos a comer estas deliciosas piezas nos quedaremos sin el puzzle geométrico, salvo que la pieza fuese envuelta en una pequeña caja. Esto, sin embargo, complicaría enormemente la realización de este diseño, además de que encarecería el producto final, por el desarrollo de un envoltorio duro. De todas formas, seguramente la realización de estas piezas de chocolate será compleja incluso aunque se utilizara un envoltorio ligero para cada una de ellas. De hecho, no he visto en la página de Enric Rovira que finalmente se desarrollara la caja de bombones “pecados capitales”, quizás por los problemas de realización, o incluso de coste, de esta interesante idea de Santos Bregaña. En cualquier caso, mi felicitación a Santos Bregaña por su delicioso y divertido diseño de una caja de chocolate. Caja de bombones “pecados capitales” de Santos Bregaña Por cierto, dedicaremos una futura entrada a hablar del puzzle geométrico tridimensional “cubo soma”, o de otros puzzles similares. Sobre el autor:  Raúl Ibáñez es profesor del Departamento de Matemáticas de la UPV/EHU y colaborador de la Cátedra de Cultura Científica The post Un delicioso puzzle de chocolate appeared first on Cuaderno de Cultura Científica.

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