(PhysOrg.com) - Se espera que las máquinas a nanoescala tengan una amplia aplicación en la industria, energía, La medicina y otros campos pueden funcionar algún día de manera mucho más eficiente gracias a importantes descubrimientos teóricos sobre la manipulación de las famosas fuerzas de Casimir que tuvieron lugar en el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU.

La investigación pionera, realizado a través de simulaciones matemáticas, reveló la posibilidad de una nueva clase de materiales capaces de ejercer una fuerza repulsiva cuando se colocan muy cerca unos de otros. La fuerza repulsiva que aprovecha un fenómeno cuántico conocido como efecto Casimir, algún día puede permitir que las máquinas a nanoescala superen la fricción mecánica.

Aunque las fuerzas de fricción en entornos a nanoescala son pequeñas, inhiben significativamente la función de los pequeños dispositivos diseñados para operar en ese ámbito, explicó Costas Soukoulis, un físico senior en el Ames Lab y profesor distinguido de física en la Universidad Estatal de Iowa, quien dirigió el esfuerzo de investigación.

Soukoulis y sus compañeros de equipo, incluyendo al científico asistente del Laboratorio Ames Thomas Koschny, fueron los primeros en estudiar el uso de materiales exóticos conocidos como metamateriales quirales como una forma de aprovechar el efecto Casimir. Sus esfuerzos han demostrado que de hecho es posible manipular la fuerza de Casimir. Los hallazgos fueron publicados en el 4 de septiembre de 2009 edición de Cartas de revisión física , en un artículo titulado, "Fuerza de Casimir repulsiva en metamateriales quirales".

Comprender la importancia de su descubrimiento requiere una comprensión básica tanto del efecto Casimir como de la naturaleza única de los metamateriales quirales.

El efecto Casimir lleva el nombre del físico holandés Hendrik Casimir, quien postuló su existencia en 1948. Usando la teoría cuántica, Casimir predijo que la energía debería existir incluso en el vacío, lo que puede dar lugar a fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se acercan entre sí. Para el caso simple de dos placas paralelas, postuló que la densidad de energía dentro del espacio debería disminuir a medida que el tamaño del espacio disminuye, también significa que se debe trabajar para separar las placas. Alternativamente, se puede decir que existe una fuerza de atracción que empuja las placas más juntas.

Las fuerzas de Casimir observadas experimentalmente en la naturaleza casi siempre han sido atractivas y han hecho que las máquinas a nanoescala y microescala no funcionen al hacer que sus partes móviles se peguen permanentemente. Este ha sido un problema de larga data que los científicos que trabajan en tales dispositivos han luchado por superar.

Notablemente, este nuevo descubrimiento demuestra que un efecto Casimir repulsivo es posible utilizando metamateriales quirales. Los materiales quirales comparten una característica interesante:su estructura molecular evita que se superpongan sobre una copia inversa de sí mismos, del mismo modo, una mano humana no puede encajar perfectamente sobre una imagen inversa de sí misma. Los materiales quirales son bastante comunes en la naturaleza. La molécula de azúcar (sacarosa) es un ejemplo. Sin embargo, Los materiales quirales naturales son incapaces de producir un efecto Casimir repulsivo que sea lo suficientemente fuerte como para ser de uso práctico.

Por esta razón, el grupo centró su atención en los metamateriales quirales, Se llaman así porque no existen en la naturaleza y, en cambio, deben fabricarse en el laboratorio. El hecho de que sean artificiales les da una ventaja única, comentó Koschny. "Con materiales naturales tienes que tomar lo que te da la naturaleza; con metamateriales, puede crear un material que cumpla exactamente con sus requisitos, " él dijo.

Los metamateriales quirales en los que se centraron los investigadores tienen una estructura geométrica única que les permitió cambiar la naturaleza de las ondas de energía. como los que se encuentran en el espacio entre las dos placas colocadas cerca, haciendo que esas ondas ejerzan una fuerza de Casimir repulsiva.

El presente estudio se realizó mediante simulaciones matemáticas debido a las dificultades que entraña la fabricación de estos materiales con técnicas litográficas de semiconductores. Si bien es necesario trabajar más para determinar si los materiales quirales pueden inducir una fuerza de Casimir repulsiva lo suficientemente fuerte como para superar la fricción en los dispositivos a nanoescala, Las aplicaciones prácticas del efecto Casimir ya se están estudiando de cerca en otras instalaciones del DOE, incluidos los laboratorios nacionales de Los Alamos y Sandia. Ambos han expresado un interés considerable en utilizar los metamateriales quirales diseñados en el Laboratorio Ames para fabricar nuevas estructuras y reducir la fuerza atractiva de Casimir. y posiblemente para obtener una fuerza de Casimir repulsiva.

Fuente:Laboratorio Ames (noticias:web)