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Máquinas de Van der Waals y de Casimir

Un control adecuado de las fuerzas de corto alcance que actúan entre materiales neutros tal vez permita fabricar nanomáquinas sin rozamiento, nuevos sistemas de propulsión y mejores dispositivos de almacenamiento energético.

Las fuerzas de Van der Waals son las principales responsables de la atracción entre moléculas polarizadas, como las de agua. [WIKIMEDIA COMMONS/J.M.SUÁREZ/CC BY 2.0]

En síntesis

A distancias inferiores a un micrómetro, los materiales experimentan dos tipos de fuerzas atractivas: la de Van der Waals y la de Casimir. La primera se debe a la atracción entre dipolos instantáneos; la segunda, al vacío cuántico.

Hasta hace poco se pensaba que dichas fuerzas eran demasiado débiles para aprovecharlas con fines prácticos. En ciertos casos, sin embargo, pueden llegar a dominar el comportamiento de la materia a distancias nanométricas.

Ya existen algunas aplicaciones exitosas, como el microscopio de fuerzas atómicas. Algunos investigadores han comenzado a explorar nuevas posibilidades, como máquinas nanométricas capaces de convertir la energía luminosa en trabajo útil.

¿Por qué el mundo permanece unido en vez de desmoronarse? Isaac Newton abordaba esta pregunta en el prefacio de su Philiosophiae naturalis principia mathematica, publicada en 1687:

Pues me veo inducido a sospechar, por muchas razones, que todos ellos [los fenómenos de la naturaleza] dependen de ciertas fuerzas por las cuales las partículas de los cuerpos, debido a causas hasta ahora desconocidas, o bien son impelidas mutuamente unas hacia otras y se agrupan en figuras regulares, o bien se repelen y se separan unas de otras; siendo estas fuerzas desconocidas, hasta hoy los filósofos han intentado en vano la investigación de la naturaleza.

No fue sino hasta finales del siglo XIX cuando el físico holandés Johannes Diderik van der Waals formuló una explicación convincente del fenómeno, basada en suponer la existencia de fuerzas débiles de corto alcance entre los átomos. La búsqueda prosiguió hasta 1927, año en que Shou Chin Wang, estudiante de doctorado en la Universidad de Columbia, calculó la fuerza entre dos átomos de hidrógeno empleando la recién formulada mecánica cuántica. Dichas interacciones se deben a que, en cada instante, un átomo puede generar un campo eléctrico dipolar. Sus electrones no se distribuyen de manera uniforme alrededor del núcleo, lo que da lugar a una densidad transitoria de carga positiva en un lado del átomo y una negativa en el opuesto. Un átomo cercano interaccionará con esas densidades instantáneas de carga, lo que producirá un campo que se propagará hacia el átomo inicial. En los años treinta, el físico germano-americano Fritz London analizó el fenómeno en su totalidad. Debido a la conexión entre sus estudios y la óptica, London introdujo el término «efecto de dispersión» para referirse al fenómeno, razón por la que estas interacciones se conocen de forma colectiva como fuerzas de dispersión.

Esa atracción entre átomos y moléculas nos proporciona importantes pistas sobre la cohesión de los materiales. Y, aunque hoy se estudia de manera habitual en los cursos de física y química de secundaria, aún desconocemos muchas de sus propiedades; en particular, su potencial para entender y manipular la materia a escala nanométrica.

Podríamos pensar que el estudio de las fuerzas de dispersión se limita al campo de los sólidos estáticos. Sin embargo, en los últimos años se han concebido varios métodos para controlarlas que alumbran interesantes aplicaciones. La combinación de varias de estas técnicas de vanguardia, entre las que destaca el empleo de nanotubos de carbono, tal vez permita fabricar mecanismos completamente nuevos, como baterías o motores que almacenen y liberen energía a voluntad sin necesidad de combustible químico.

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