NeoFronteras

Unos investigadores estudian el comportamiento frente a la radiación electromagnética de partículas nanométricas.

Podemos aprovechar esta noticia para contar un poco sobre la historia del nacimiento, o uno de los nacimientos, de la Mecánica Cuántica. A finales del siglo XIX parecía que la Física estaba terminada o así lo creía lord Kelvin.
Sin embargo, en 1894 Max Planck se fijó en el espectro del cuerpo negro. Esto es, la radiación que emitía un sistema ideal consistente en un cuerpo que absorbe toda la radiación electromagnética que le llega y cuya emisión sólo depende de su temperatura. Se puede usar una buena aproximación a un cuerpo negro empleando un recipiente hueco cuyo interior es negro y que está calentado por unas resistencias. Si se le hace un agujero que comunique el exterior y el interior por el que pueda entrar y salir radiación, entonces este agujero se comporta como un cuerpo negro, o casi. Puede entrar casi cualquier radiación y la que sale sólo depende de la temperatura del sistema.
La teoría electromagnética de aquel entonces no podía explicar la emisión del cuerpo negro, es decir, el espectro, o cantidad de cada color que el cuerpo negro emitía. Planck, a su pesar, tuvo que introducir el concepto de cuanto de energía para poder llegar a explicarlo. Su trabajo, publicado en 1901, contenía lo que se conoce hoy como ley de Planck, que describe ese espectro continuo del cuerpo negro. La ley de Planck proporciona el perfil de las curvas de emisión según la longitud de onda para una temperatura dada, tal y como se ve en el gráfico de cabecera.
Obsérvese que la emisión a baja temperatura es principalmente infrarroja y que sólo se emite un poco en el rojo. Al subir la temperatura la emisión principal se centra en la gama visible. Si se aumenta aún más la temperatura (no representado en el gráfico) el pico de emisión se centraría en el ultravioleta.
Si sabemos la temperatura de las estrellas es gracias a esta ley, pues una estrella se puede aproximarse a un cuerpo negro (por favor, no confundir cuerpo negro con agujero negro). La emisión continúa de cualquier objeto material a una temperatura dada sigue, más o menos, la ley de Planck. Así por ejemplo, un hierro al rojo es rojo precisamente por esa emisión de cuerpo negro. Por debajo de esa temperatura sólo emite infrarrojo y por encima emite principalmente en amarillo. Si el metal resiste los 3000 grados sin fundirse, como el wolframio de una bombilla, entonces se puede calentar aún más y la emisión se hace en todos los colores del visible, de tal modo que la emisión se aproxima bastante a la luz blanca.
Así que el cuerpo negro y la ley de Planck explican el color de las estrellas, el color del hierro en la fragua o el toque amarillento de nuestras bombillas. También explica la luz blanca del Sol (menos amarillenta que la de las bombillas debido a la mayor temperatura del Sol), con su pico de emisión centrado en esta parte del espectro. Nuestra visión ha evolucionado bajo esa emisión y por eso esa parte del espectro donde está el pico de emisión del cuerpo negro es denominada espectro visible (más o menos entre 400 y 700 nm) y la mezcla de los colores que la compone se nos antoja de color blanco.
Básicamente, en este tipo de casos la emisión se debe a que es la superficie la que actúa como cuerpo negro. Pero, como ninguno de estos objetos se comporta como un cuerpo negro ideal normalmente se aplica un factor de corrección denominado emisividad espectral, que depende de las propiedades de la superficie del objeto.
Sin embargo, la aplicabilidad de la ley de Planck tiene que tener sus límites, pese a las correcciones que introduzcamos. No deberíamos poder usarla en todos los objetos que se nos antojen, sobre todo si son muy pequeños. A fin y al cabo, recordemos que la mejor aproximación que tenemos a un cuerpo negro es un agujero practicado en una cavidad caliente.
El efecto de la superficie está claro para objetos macroscópicos, pero ¿qué pasa cuando el objeto es muy pequeño? Si el objeto tiene un tamaño del orden de la longitud de onda de trabajo unos investigadores han descubierto que la ley de Planck no es aplicable.
Christian Wuttke y Arno Rauschenbeutel, de la Universidad Tecnológica de Viena han investigado este asunto usando nanofibras de silicio de 500 nm de diámetro. En este caso, la longitud de onda de la radiación que emiten debido a su temperatura es del orden del objeto emisor. No solamente es la superficie la que emite, sino que la radiación producida en el interior puede escapar fácilmente al exterior. Debido a esta contribución del interior una partícula emitirá una radiación que dependerá además de su tamaño y geometría.
La ley de Planck falla en este caso aunque se corrija, por lo que los autores han tenido que usar la teoría de la electrodinámica fluctuacional para modelar el problema de la emisión de radiación por parte de partículas pequeñas. En esta teoría se tiene en cuenta la geometría del objeto y permite describir bien su emisión.
¿Y para qué sirve esto? Se podría usar para hacer bombillas más eficientes, pero los sistemas LED parece que van ser los que nos iluminen en el próximo futuro y las bombillas tradicionales van a ser ilegalizadas pronto. Así que no parece que por ahí haya muchas aplicaciones. El interés está más bien en los modelos climáticos.
Resulta que entre las cosas que no se entienden bien en climatología está el papel de las partículas y aerosoles de la atmósfera. Su efecto como objetos que absorben y emiten radiación puede tener una contribución importante al clima, sobre todo ahora que hay interés en el cambio climático. Saber cómo se comportan es, por tanto, crucial.
Un ejemplo del efecto de las partículas lo tenemos en la erupción del volcán Pinatubo, que eyectó 20 millones de toneladas de dióxido de azufre en la atmósfera, compuesto que reaccionó con otras sustancias produciendo partículas de aerosol. Estas partículas interaccionaron con la luz del sol de tal modo que la temperatura media del planeta bajó medio grado durante dos años.
Esperemos que este tipo de resultados no de alas a aquellos que pretenden hacer geoingeniería climática introduciendo todo tipo sustancias en la atmósfera para así rebajar la temperatura del planeta. Al fin y al cabo, solucionar con emisiones humanas algo causado por las emisiones humanas no parece que tenga consistencia lógica, salvo la que da el beneficio económico de unos cuantos, que envenenan al sano para luego vender la medicina salvadora al paciente recién conseguido.

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Fuentes y referencias:
Artículo en ArXiv.