Física
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La capacidad de almacenar datos de los discos duros ha crecido en un factor de 10.000 en los últimos 30 años gracias, entre otros avances, a la magnetorresistencia gigante(GMR), Premio Nobel Física 2007. Se publica en Science un nuevo avance, la GMR a temperatura ambiente en nanohilos moleculares de DXP (cada uno con un nanómetro de diámetro) incrustados en cristales de zeolita. El DXP es el pigmento utilizado por Ferrari para lograr el color rojo de la pintura de sus Roadster y no es una molécula magnética, pero se aprovecha el espín (momento magnético intrínseco) de sus electrones. Los electrones en la molécula no pueden moverse por ella (saltar de un átomo a otro, entre los átomos azules en la figura) cuando tienen el espín orientado en la misma dirección (lo prohíbe el principio de exclusión de Pauli) por lo que aparece una gran resistencia eléctrica. Sin embargo, al aplicar un campo magnético externo algunos espines cambian su dirección y los electrones pueden moverse por la molécula, bajando la resistencia. La conductividad cambia en un factor de 2000% (todo un récord comparado con el 600% de los materiales usados en los discos duros actuales) mostrando el fenómeno de GMR con una magnitud nunca vista antes (recuerda que la magnetorresistencia colosal es otra cosa). Más aún, este fenómeno se observa a temperatura ambiente. Por supuesto, todavía es muy pronto para ver discos duros basados en esta tecnología en el mercado. Como se almacenará la información en nanohilos es necesario usar la punta de un microscopio de fuerza atómica para leer y escribir, lo que complica mucho su incorporación a la tecnología actual de los discos duros. Pero tiempo al tiempo, la imaginación de los físicos y los ingenieros parece que no tiene límites. Este nuevo descubrimiento es como un Ferrari Roadster que nos lleva a toda velocidad hacia los discos duros del futuro. Nos lo cuenta Robert F. Service, “Hypersensitive Wires Feel the (Electromagnetic) Force,” ScienceNOW, 4 Jul 2013, siendo el artículo técnico R. N. Mahato et al., “Ultrahigh Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires,”Science Express, Jul 4, 2013 [DOI].
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Un entretenimiento común es imaginar qué podrán hacer los ordenadores del futuro… y la imaginación es el único límite. Pero todas las especulaciones parten de que vamos a tener máquinas capaces de funcionar a mucha mayor capacidad, con mucho mayor almacenamiento de datos. El problema es cómo conseguirlo.
Quizá las moléculas vivientes, como el ADN, puedan ser las sucesoras del ordenador electrónico que ha dominado nuestra vida desde la década de 1970. Ya en 2003, el científico israelí Ehud Shapiro consiguió crear un “ordenador” biomolecular en el que moléculas de ADN y enzimas que hacen que el ADN produzca determinadas proteínas podrían resolver problemas como la identificación de ciertos tumores en sus etapas más tempranas. Un ordenador que utilizara cadenas de ADN para realizar las operaciones de proceso de datos podría ser, en teoría, miles de veces más poderoso y rápido que los mejores procesadores electrónicos de hoy en día, al menos en ciertos tipos de procesos.
En el terreno de los posibles ordenadores biológicos, también se trabaja en uno formado por neuronas, es decir, las células del sistema nervioso de los animales. En 1999 se desarrolló el primero, formado por una serie de neuronas procedentes de sanguijuelas, donde cada neurona representaba un número y las operaciones se realizaban conectando a las neuronas entre sí. Uno de los atractivos de los ordenadores de neuronas es, según Bill Ditto, creador de este sistema pionero, que hipotéticamente pueden alcanzar soluciones sin tener todos los datos, a diferencia de los ordenadores electrónicos. Al poder realizar sus propias conexiones, en cierto modo estas neuronas podrían “pensar” de modo análogo, a grandes rasgos, a como pensamos nosotros cuando tratamos de resolver un problema sin datos suficientes.
Pero el área de trabajo más intenso como alternativa al ordenador electrónico es la informática cuántica, que trabaja a niveles subatómicos.
En el mundo a nuestra escala, los ordenadores trabajan con un lenguaje binario, es decir, que cada elemento de su lógica o “bit” sólo puede tener uno de dos valores: 1 o 0. Las operaciones de proceso de datos van transformando cada bit hasta que llega a un valor final que es la solución del problema.
Pero en un ordenador cuántico no tenemos bits sino qbits (bits cuánticos), que debido a las propiedades de las partículas elementales que describe la mecánica cuántica, pueden tener un valor de 0, de 1 o de una“superposición” de esos dos valores, es decir, ambos a la vez. Pero si tomamos un par de qbits, pueden estar cualquier superposición de cuatro estados. Así, la cantidad de qbits para representar la información en un ordenador cuántico es mucho menor que la cantidad de bits en uno electrónico y la cantidad de procesos que puede realizar es mucho mayor y a mayor velocidad, explorando diversas opciones para cada problema.
Los primeros ordenadores cuánticos comerciales han sido ya adquiridos por una empresa aeroespacial y por el gigante de las búsquedas en Internet, Google. La decisión se tomó después de constatar que el ordenador cuántico resolvía en medio segundo un problema que le tomaba media hora a uno de los más poderosos ordenadores industriales existentes.
Por más que nos pueda asombrar cuánto ha avanzado la informática desde sus inicios en 1946, es posible que apenas estemos por salir de la infancia de los ordenadores. Y el futuro será todo, menos predecible.
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En realidad poner un cactus cerca de la pantalla de nuestro ordenador sirve para algo: para decorar un poco nuestro espacio de trabajo. Pero para nada más: el cactus no absorbe las radiaciones emitidas por la pantalla, exponiéndonos así a una menor cantidad de radiaciones. Aunque pusiéramos nuestro ordenador en el interior de un invernáculo lleno de cactus, no pasaría nada en especial.
Lo irónico es que este mito tan extendido tiene algo de verdad: los cactus resisten especialmente bien las radiaciones (pueden recibir una dosis de radiación superior al resto de vegetales sin que se noten alteraciones en su fisiología). Pero eso le iría bien, en todo caso, al cactus, no a nosotros.
A continuación viene otro problema con la afirmación del mito: ¿qué clase de radiaciones absorbe el cactus? ¿Ultravioletas? ¿Infrarrojos? ¿Gamma? ¿Las que provocarían que nos convirtiéramos en un personaje más de los X-Men?
Ta vez consiguiríamos reducir la emisión de radiaciones de la pantalla, pero las radiaciones no se sentirían atraídas por el cactus: la única manera de pararlas sería poner los cactus delante de la pantalla… tapándola completamente. Lo cual tampoco resulta especialmente útil si queremos usar el ordeanador: casi es mejor apagarlo, en ese caso.
En cualquier caso, no existe evidencia científica de que la radiación que alcanza nuestros hogares o es emitida por nuestros electrodomésticos afecten a la salud,
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En Nature Communications , muestran cómo se desarrolló una nueva técnica para que la capacidad de datos de un DVD aumente de 4,7 gigabytes hasta un petabyte (1000 terabytes). Esto es el equivalente de 10,6 años de comprimido de vídeo de alta definición o 50000 películas completas de alta definición.
La operación de almacenamiento óptico de datos es bastante simple. Cuando se graba un CD, por ejemplo, la información se transforma en cadenas de dígitos binarios (0 y 1, también llamados bits). Cada bit es grabado con un láser de «quemado» en el disco, utilizando un único haz de luz, en forma de puntos.
La capacidad de almacenamiento de los discos ópticos está limitada principalmente por las dimensiones físicas de los puntos. Pero como hay un límite para el tamaño del disco, así como el tamaño de los puntos, muchos métodos actuales de almacenamiento de datos, tales como los DVD y discos Blu-ray, siguen teniendo una densidad de almacenamiento de bajo nivel.
Para evitar esto, han tenido que mirar a las leyes fundamentales de la luz.
Circunnavegando límite de Abbe
En 1873, el físico alemán Ernst Abbe publicó una ley que limita el ancho de haces de luz. Sobre la base de esta ley, el diámetro de un punto de luz, que se obtiene al enfocar un haz de luz a través de una lente, no puede ser inferior a la mitad de su longitud de onda – alrededor de 500 nanómetros (a sólo 500 000 millonésimas de metro) de la luz visible.
Y si bien esta ley juega un papel muy importante en la microscopía óptica moderna, sino que también crea una barrera para todos los esfuerzos de los investigadores para producir puntos sumamente pequeños – en la región del nanómetro – para utilizar como bits binarios.
En el estudio, muestran cómo romper este límite fundamental mediante el uso de un método de dos haces de luz, con diferentes colores, para la grabación en discos en lugar del método de luz convencional de uno solo.
Ambas luces deben cumplir con la ley de Abbe, por lo que no pueden producir puntos más pequeños de forma individual. Pero se dan a los dos haces diferentes funciones:
Los dos haces se superponen a continuación. A medida que el segundo haz de cancelado a cabo la primera en su anillo de rosquilla, el proceso de grabación es fuertemente confinado en el centro del haz de escritura.
Esta nueva técnica produce un punto focal efectiva de nueve nanómetros – o diezmilésima el diámetro de un cabello humano.
Fuente: THE CONVERSATION
Los componentes electrónicos construidos a partir de moléculas individuales utilizando síntesis química podría allanar el camino para dispositivos electrónicos, más «verdes» y sostenibles y más rápidos. Ahora, por primera vez, se ha elaborado un transistor de una sola monocapa molecular para trabajar donde realmente cuenta, en un chip de ordenador.
El circuito integrado molecular fue creado por un grupo de químicos y físicos del Chemistry Nano-Science Center de la Universidad de Copenhague y de la Academia de Ciencias de China, Beijing. El descubrimiento acaba de ser publicado en línea en la revista científica Advanced Materials. El descubrimiento fue posible gracias a un uso innovador del grafeno material bidimensional de carbono.
Primer paso hacia un circuito molecular integrado
Kasper Nørgaard es profesor asociado de química en la Universidad de Copenhague. Él cree que la primera ventaja del chip de grafeno del nuevo desarrollo será la de facilitar la prueba de los próximos componentes electrónicos moleculares. Pero también es seguro, que representa un primer paso hacia circuitos integrados moleculares adecuados. «El grafeno tiene algunas propiedades muy interesantes, que no puede ser igualada por ningún otro material. Lo que hemos demostrado por primera vez es que es posible integrar un componente funcional en un chip de grafeno. Sinceramente, siento que esto es noticia de primera plana «, dice Nørgaard.
Ver a través del emparedado central para funcionar
El chip de ordenador molecular es una especie de sándwich construido con una capa de oro, una de los componentes moleculares y otra extremadamente delgada de grafeno, un material de carbono. El transistor molecular en el emparedado se enciende con la utilización de un impulso de luz que para una de las propiedades peculiares del grafeno es altamente útil. A pesar de que el grafeno es de carbono, es casi completamente transparente.
Ambientalmente importante, estratégicamente vitales
La búsqueda de transistores, cables, contactos y otros componentes electrónicos que se fabrican a partir de moléculas individuales ha tenido a los investigadores trabajando día y noche. A diferencia de los componentes tradicionales que se espera que no requieran metales pesados y elementos de tierras raras. Así deberían ser más baratos, así como menos perjudiciales para la tierra, el agua y los animales. Por desgracia, ha sido terriblemente difícil poner a prueba lo bien que estas moléculas funcionales trabajan.
La suerte
Anteriormente, la prueba de los componentes microscópicos tenía a los investigadores con un método comparable a una lotería. Para comprobar si una molécula de nuevo cuño conduciría o no una corriente, tenían que tirar prácticamente moléculas entre dos cables con corriente, con la esperanza de que al menos una molécula hubiera aterrizado de manera que cerrara el circuito.
El método de lotería suplantado por la colocación de precisión
Utilizando los nuevos chips de grafeno los investigadores ahora pueden colocar sus moléculas con gran precisión. Esto hace que sea más rápido y más fácil probar la funcionalidad de cables moleculares, contactos y diodos de modo que se sabe si los químicos tienen que volver a sus vasos para desarrollar nuevas moléculas funcionales, explica Nørgaard.
«Hemos hecho un diseño, que va a mantener muchos tipos diferentes de moléculas», dice, y continúa: «Debido a que el andamio grafeno está más cerca del diseño real de chips, hace que sea más fácil probar los componentes, pero por supuesto que es también un paso en el camino de hacer un circuito integrado real utilizando componentes moleculares. Además, no debemos perder de vista el hecho de que los componentes moleculares tienen que terminar en un circuito integrado, si van a ser de alguna utilidad en la vida real «.
El trabajo ha sido financiado por el Danish Chinese Center for Molecular Nano-Electronics y por la Danish National Research Foundation, European Union 7th framework for research (7PM) y por la Fundación Lundbeck.
Referencia:
Tao Li, Martyn Jevric, Jonas R. Hauptmann, Rune Hviid, Zhongming Wei, Rui Wang, Nini E. A. Reeler, Erling Thyrhaug, Søren Petersen, Jakob A. S. Meyer, Nicolas Bovet, Tom Vosch, Jesper Nygård, Xiaohui Qiu, Wenping Hu, Yunqi Liu, Gemma C. Solomon, Henrik G. Kjaergaard, Thomas Bjørnholm, Mogens Brøndsted Nielsen, Bo W. Laursen, Kasper Nørgaard. Ultrathin Reduced Graphene Oxide Films as Transparent Top-Contacts for Light Switchable Solid-State Molecular Junctions. Advanced Materials, 2013; DOI: 10.1002/adma.201300607