Dibujo20140722 Theodor Benfey 1960 editor chemical education magazine Chemistry - nchem.183-f1

El elemento químico con el mayor número atómico (Z) que se ha sintetizado en laboratorio tiene Z=118. Según la electrodinámica cuántica (QED) el número atómico más grande posible es Z=172; la energía de enlace de un electrón en un átomo con Z=173 supera el doble de su masa, luego da lugar a un par electrón-positrón y el átomo se vuelve inestable por interacción con el vacío que le rodea.

El modelo atómico de Bohr predice que la velocidad de un electrón en un átomo es v=Zcα (donde c es la velocidad de la luz en el vacío y α ≈ 1/137 es la constante de estructura fina). Luego, según la mecánica cuántica no relativista, el valor máximo de Z es 137 (ya que para Z>137 se tiene v > c). El mismo límite se obtiene usando la ecuación de Dirac (mecánica cuántica relativista) si el núcleo del átomo se supone puntual. Sin embargo, si se tiene en cuenta el tamaño finito del núcleo, el límite crece hasta Z < 173 (el obtenido con QED).

Nos lo contaron Paul Indelicato, Alexander Karpov, “Theoretical physics: Sizing up atoms,” Nature 498: 40-41, 06 Jun 2013; y más recientemente Rick Marshall, “Can the periodic table be extended indefinitely?,” Physics Education 49: 365, 2014. Los cálculos en QED están detallados en P. Indelicato et al., “QED and relativistic corrections in superheavy elements,” The European Physical Journal D 45: 155-170, 2007; y Paul Indelicato et al., “Are MCDF calculations 101% correct in the super-heavy elements range?,” Theoretical Chemistry Accounts 129: 495-505, 2011.

La tabla periódica que abre esta entrada fue desarrollada por Theodor Benfey en 1960, mientras era editor de una revista de educación en química llamada Chemistry, para ilustrar los periodos de la tabla periódica. La he extraído del artículo de Michelle Francl, “Table manners,” Nature Chemistry 1: 97-98, 2009. Recomiendo ver la charla de César Tomé, “Deconstruyendo la tabla periódica,” Cuaderno de Cultura Científica, 16 Feb 2014.

Como no podía ser de otra manera, esta entrada participa en el XXXVII Carnaval de la Química – Edición Rb – alojado en el blog “ISQCH – Moléculas a reacción” (@ISQCH_Divulga).

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Dibujo20140721 silicon wire on a pillar as an acoustic phonon cavity - arxiv

Estudiar la interacción entre luz (fotones) y sonido (fonones) requiere un dispositivo fotónico que actúe como fonónico, o viceversa. La nanotecnología permite fabricarlo usando nanohilos suspendidos sobre un nanopilar que permita sus vibraciones nanomecánicas. Por primera se ha logrado fabricar dicho dispositivo usando nanohilos fotónicos de silicio, que confinan luz infrarroja (1550 nm), cuyas vibraciones son hipersonidos de casi 10 GHz (gigahercios).

La fusión de dos campos, fotónica y fonónica en este caso, permite gran número de aplicaciones más allá de las obvias en optomecánica, como sáseres (láseres de sonidos que emiten fonones) controlados por láseres. El artículo técnico es Raphael Van Laer et al., “Interaction between light and highly confined hypersound in a silicon photonic nanowire,” arXiv:1407.4977 [physics.optics], 18 Jul 2014. En mi opinión acabará publicado en alguna revista de primer nivel, como Nature o Science.

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Dibujo20140721 matter-wave soliton interactions - phase-dependent collisions - arxiv

Los solitones en estados condensados de Bose-Einstein se observaron por primera vez en 2002 usando átomos de litio, pero no se mostró que en colisiones mutuas recuperaran su forma previa. Ha costado 12 años, pero al final se ha logrado verificar este comportamiento predicho por la teoría.

Nadie dudaba de que algún día se lograría. Las aplicaciones potenciales son muchas, ya que cualquier dispositivo óptico basado en colisiones de solitones ópticos podrá inspirar otros en óptica coherente de átomos, interferometría atómica y láseres de átomos. El artículo técnico es Jason H.V. Nguyen et al., “Collisions of matter-wave solitons,” arXiv:1407.5087 [cond-mat.quant-gas], 18 Jul 2014. Sin lugar a dudas acabará publicado en Nature o Science.

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Dibujo20140716 ciencia y sociedad - jesus zamora bonilla - uma tv

Lope de Vega (1562–1635) en su “Arte nuevo de hacer comedias” (1609) justifica su uso del lenguaje vulgar en las obras de teatro: “Y escribo por el arte que inventaron / los que el vulgar aplauso pretendieron, / porque, como las paga el vulgo, es justo / hablarle en necio para darle gusto.”

Nos lo recuerda Jesús Zamora Bonilla (aka @jzamorabonilla), Catedrático de Lógica, Historia y Filosofía de la Ciencia de la UNED, en su charla “La divulgación de la ciencia: Porque, como las paga el vulgo, es justo / hablarle en necio para darle gusto,” Ciclo de Conferencias: Ciencia y Sociedad, 28 Mar 2014 [Vídeo UMA TV]. Recomiendo encarecidamente disfrutar de su charla (una hora, turno de preguntas aparte).

Esta entrada participa en la XI Edición del Carnaval de Humanidades, cuyo blog anfitrión es SCIENTIA de Jose Manuel López Nicolás (aka @ScientiaJMLN). Si no tienes blog, pero quieres participar, usa el blog oficial del Carnaval de Humanidades.

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Dibujo20140718 Maryam Mirzakhani

Nunca una mujer ha ganado la Medalla Fields, sin embargo, cada año que pasa hay más candidatas. La matemática iraní Maryam Mirzakhani (37 años), Universidad de Stanford, es mi candidata más firme. Tan brillante como ella es la francesa Sophie Morel (34 años), Universidad de Princeton, pero aún podría recibirla en 2018.

Te recuerdo que las Medallas Fields están consideradas, por mucho que le pese al premio Abel de la Academia Noruega de Ciencias y Letras, el equivalente al Premio Nobel para matemáticos en activo. Hay dos grandes diferencias, se concede a menores de 40 años y se concede cada cuatro años en el Congreso Internacional de Matemáticas (ICM) de la Unión Matemática Internacional (IMU).

El ICM 2014 se celebrará en Seúl, Corea del Sur, entre el 13 y el 21 de agosto. Conoceremos el nombre de los galardonados en día 13 de agosto. Además de las cuatro Medallas Fields se concederán el premio Rolf Nevanlinna (matemáticas aplicadas a la informática y computación), el premio Carl Friedrich Gauss (matemáticas aplicadas), la Medalla Chern (a toda una vida por y para las matemáticas) y el premio Leelavati (a la divulgación de la matemática).

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Dibujo20140718 physics of rattleback - axis

La peonza celta o rattleback es un curioso juguete. Cuando la pones a rotar en sentido horario en el eje z observas que se para, se pone a oscilar respecto al eje x, se vuelve a parar y se pone a rotar en sentido antihorario en el eje z. Sin embargo, cuando la pones a rotar en sentido antihorario en el eje z, sigue rotando en este eje hasta parar por fricción. ¿Por qué tiene un comportamiento tan paradójico?

Ya lo conté en ”La física de la peonza celta o “rattleback”,” LCMF, 30 Mar 2011 (ver también LCMF, 31 Mar 2011). No sé si quedó claro el funcionamiento. Ha aparecido un nuevo artículo que ofrece una explicación sencilla, basada en el principio de conservación de la energía. Las fórmulas son fáciles de entender, por ello lo recomiendo a todos los profesores de física que quieran mostrar la física y matemática de este curioso juguete a sus alumnos. El artículo es William Case, Sahar Jalal, “The rattleback revisited,” American Journal of Physics 82: 654-658, Jul 2014.

Esta entrada participa en la Edición LIV del Carnaval de la Física, hospedado en esta ocasión en el Tao del Física, el blog de Vicente Torres (aka @TaoFisica). La fecha tope para participar es el 30 de julio y el tema propuesto es Física y Medicina. Por supuesto, como es habitual en este blog, mis entradas para los carnavales están dirigidas a los profesores de física (como Vicente).

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Dibujo20140716 ligo facility - graphic - nature com

El Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferometría Láser (LIGO, por Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ha costado más de quinientos millones de dólares en dos décadas y aún no ha observado ninguna señal. Sin embargo, su sensibilidad se está acercando al punto en el que la primera observación podría estar muy cercana. Nos lo cuenta Alexandra Witze, “Physics: Wave of the future,” Nature 511: 278–281, 17 Jul 2014.

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Dibujo20140716 NIF ramp compressed diamond - nature

El láser más grande del mundo** (el de mayor energía por pulso, 2 megajulios), que se encuentra en el NIF (National Ignition Facility), se ha usado para comprimir un nanocristales de diamante hasta un presión de 5 billones de pascales (TPa). Una presión de 5 TPa es similar a la del centro de Saturno, unas 14 veces la presión que hay en el centro de la Tierra. La temperatura alcanzada no se pude medir y debe ser estimada mediante modelos teóricos. Los 176 haces láser han aportado una potencia pico de 2,2 TW durante 0,02 ns y han permitido observar la evolución del cristal de diamante durante 22 ns.

¿Para qué se realiza este estudio? La idea es determinar la ecuación de estado de la materia en el interior de los planetas y de los exoplanetas. Aunque todavía quedan muy lejos los exoplanetas gigantes cuyo centro puede alcanzar presiones de petapascales (mil terapascales), los nuevos datos permiten estudiar los llamados mundos de carbono, como el exoplaneta 55 Cancri e, conocido como el planeta de diamante. Esta supertierra (8 masas terrestres con un radio doble del terrestre) podría tener un interior rico en carbono (una corteza de carburos y grafito, un manto de diamante, un núcleo externo de silicatos y un núcleo interno de hierro). Se estima que la presión en su centro es de unos 0,8 TPa, bastante por debajo de los 5 TPa alcanzados en el NIF.

El artículo técnico es R. F. Smith et al., “Ramp compression of diamond to five terapascals,” Nature 511: 330–333, 17 Jul 2014. Recomiendo leer también a Chris J. Pickard, Richard J. Needs, “High-pressure physics: Piling on the pressure,” Nature 511: 294–295, 17 Jul 2014. Y sobre también a Daniel Marín, “55 Cancri e, el planeta de diamante,” Eureka, 11 Oct 2014.

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Dibujo20140715 Exciton-CT state configuration and coherent energy-level scheme - nature nphys

Dos nuevos artículos publicados en Nature Physics y Nature Chemistry desvelan que la coherencia cuántica tiene un papel en la fotosíntesis mucho más importante de lo que se pensaba. La fotosíntesis oxigénica se produce gracias al fotosistema II (PSII) que usa la luz solar para oxidar agua y producir oxígeno. El agua actúa como donador de electrones que tras pasar por una cadena de transportadores (sistemas redox) acaban siendo aceptados por el NADP+.

Uno de los artículos ha observado la dinámica coherente en el PSII a una escala de picosegundos (ps) a una temperatura de 77 K gracias a la espectroscopia electrónica bidimensional (2DES). El otro artículo combina medidas experimentales de hasta 50 ps a 80 K con su descripción teórica mediante la teoría de Redfield. Gracias a ello confirma que los estados coherentes entre excitones y las vibraciones moleculares son fundamentales para la eficiencia en el transporte de carga que ocurre en el PSII.

Ambos trabajos serán fuente de inspiración para el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas que usen la fotosíntesis artificial para la producción de hidrógeno, quizás el vector de energía de la segunda mitad del siglo XXI. Los dos artículos técnicos son Franklin D. Fuller et al., “Vibronic coherence in oxygenic photosynthesis,” Nature Chemistry, AOP 13 Jul 2014 [DOI] (arXiv:1310.1111 [physics.bio-ph]), y Elisabet Romero et al., “Quantum coherence in photosynthesis for efficient solar-energy conversion,” Nature Physics, AOP 13 Jul 2014 [DOI].

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Dibujo20140715 Results on low mass WIMPs using an upgraded CRESST-II detector - arxiv

CRESST-II observó posibles señales de materia oscura entre 2009 y 2011 (partículas WIMP con masa entre 6 y 30 GeV/c²). Sus nuevos resultados las descartan y extienden los límites de exclusión para partículas WIMP de baja masa a una región inexplorada con masas por debajo de los 3 GeV/c² (la línea roja en la figura).

CRESST-II es un experimento criogénico de búsqueda de la materia oscura situado en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia, que usa cristales de CaWO4 para la búsqueda de partículas WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) que interacción de forma elástica con los núcleos atómicos de forma independiente al espín.

El artículo técnico es G. Angloher et al. (CRESST-II Collaboration), “Results on low mass WIMPs using an upgraded CRESST-II detector,” arXiv:1407.3146 [astro-ph.CO], 11 Jul 2014. Las señales previas que ahora se descartan se publicaron en ”Results from 730 kg days of the CRESST-II Dark Matter Search,” Eur. Phys. J. C 72 (2012), arXiv:1109.0702 [astro-ph.CO]; y “Silicon Detector Dark Matter Results from the Final Exposure of CDMS II,” Phys. Rev. Lett. 111, 251301 (2013), arXiv:1304.4279 [hep-ex].