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Silvana TapiaFrancis VillatoroHéctor SocasGastón Giribetenlaces hidrógeno moléculas aguananocanales altura nanómetromodelo tres fluidos aguaconstante dieléctrica aguamodelo tres fluidos nanocanalesconstante dieléctrica capa superioragua normal entre capasmodelo tres fluidos nanocanalconstante dieléctrica altura nanómetrocapacitancia punta circuito eléctricoobservaciones capacitancia año 2018microscopio fuerza atómica longitudinallínea fósforo antiguo televisoragua en nanocanales dirección longitudinalfrecuencias desde hercios a gigaherciosimagen comportamiento agua nanocanalestelevisores antiguos comparativa canalesFrancis VillatoroNatureGastón GiribetSilvanaPremio NobelArmstrongHéctor SocasGaimScienceAndré Geim
Modelo Tres fluidos nanocanales
Con
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Francis Villatoro explica que para modelar el comportamiento del agua dentro de nanocanales, se utiliza un modelo de tres fluidos: agua normal, una capa superior con diferente constante dieléctrica y otra inferior también con propiedades distintas.
…las moléculas de agua se separan más de lo que le unen entre sí los enlaces de hidrógeno. Entonces, lo que se observa cuando tú pones un canal muy pequeño es que llega un momento en que muy pocos enlaces de hidrógeno se pueden formar porque no hay tamaño. Cuando tú estás trabajando con un canal que tiene una altura de un nanómetro, pues te caben dos moléculas de agua y casi no te caben una encima de otra. O sea, es muy difícil montar muchos enlaces de hidrógeno en vertical. Entonces, cuando tú buscas el modelo del agua moviéndose por un nanocanal, básicamente es un modelo de tres fluidos. Yo tengo agua normal, agua cuyo constante dieléctrica es La del agua en un vaso de agua, en un volumen arbitrario, y después dos pequeñas capitas, una capita muy delgadita, en la que el índice, la constante dieléctrica es diferente, arriba y abajo. Es decir, tengo tres fluidos. Tengo un fluido de capa límite muy cercano a la superficie de arriba, otra abajo y el agua normal en medio. Y cuando tú vas reduciendo la altura y llegas hasta aproximadamente un nanómetro, hay un pequeño incremento del orden de magnitud; es grande, ¿no? 10, 20 veces en la constante eléctrica, pero lo puedes entender utilizando este modelo de tres fluidos. Y con un pequeño modelo, además un modelo de circuito eléctrico equivalente, fácilmente te explica lo que ves en la capacitancia de la punta. Y eso es lo que observaron en 2018; y bueno, fue una cosa que fue noticia en muchos medios, etc. Pero quedaba la duda de si ese comportamiento ocurre también con la constante de eléctrica longitudinal, no la transversal, no la perpendicular al canal; el canal es muy pequeñito, sino la que ocurre en la dirección longitudinal. Lo que ocurre en la dirección longitudinal te requiere no solo mirar en una dirección y pasa el agua por debajo, sino mover también el microscopio de fuerza atómica y hacer como en los antiguos televisores, que la línea del fósforo se iba moviendo y recorría toda la pantalla, un par de veces, por cada fotograma. Pues tienes que hacer como una película, ¿no? Como una imagen de lo que está ocurriendo en todo el canal. Eso técnicamente es bastante complicado, el rango de frecuencias en el que tienes que explorar, porque tienes que aplicar frecuencias; aquí se han aplicado frecuencias desde pocos hercios hasta gigahercios en un rango realmente tremendo, ¿no? Y bueno. Entre 100, unos más bien 200 hercios hasta uno y pico gigahercios, que es una barbaridad, son mil millones de hercios respecto a 100, eso es un rango realmente tremendo, ¿no? Entonces, observando las imágenes, imágenes con el microscopio de fuerza atómica de…
Significado #1 · Palabras #1
Francis Villatoro explica cómo un premio Nobel puede obtener financiación fácilmente y menciona una publicación en la revista Science sobre estudios del agua en canales nanométricos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #20agua en canales nanométrica scienceancho canal 200 nanómetros micrómetrospropiedades eléctricas alevines ranas…todos los años. Publican bastante, ¿eh? El equipo es muy bueno y es un equipo muy amplio; tiene mucha gente y colabora con muchísima gente de todo el mundo. Pero no tienen esa presión de decir: es que tengo que publicar todos los años un cierto número. La financiación la tienes asegurada. ¿Quién no le va a dar dinero a un premio Nobel? Pida lo que pida, ¿no? Y sabiendo de más que publica en las mejores revistas. Pues esto lo publicaron en 2018 en la revista Science, un artículo en el que estudiaban el agua en canales de altura nanométrica. la anchura, imaginaros un canal en el que la anchura son unos 200 nanómetros, eran 200 micrómetros, eran micrómetros, como ahora no recuerdo lo de Science, pero bueno, eran similares a los que han publicado ahora Entonces estamos hablando de canales con una anchura de 200 nanómetros en una longitud de unos 10 micrómetros y con una altura de pocos nanómetros Entonces estudiaron cómo el agua pasa a través de esos canales y lo que les interesaba eran las propiedades eléctricas Claro, es que es el experto en temas de propiedades eléctricas, en el caso de los alevines de ranas era diamagnetismo Entonces, Desarrollamos una técnica basada en un microscopio de fuerza atómica para poder estudiar la constante dieléctrica del agua en esos canales. Acordémonos que básicamente la constante dieléctrica está relacionada con la capacidad, con la capacitancia. Entonces…
Francis Villatoro explica que para modelar el comportamiento del agua dentro de nanocanales, se utiliza un modelo de tres fluidos: agua normal, una capa superior con diferente constante dieléctrica y otra inferior también con propiedades distintas.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #1enlaces hidrógeno moléculas aguananocanales altura nanómetromodelo tres fluidos aguaconstante dieléctrica aguamodelo tres fluidos nanocanalesconstante dieléctrica capa superioragua normal entre capasmodelo tres fluidos nanocanalconstante dieléctrica altura nanómetrocapacitancia punta circuito eléctricoobservaciones capacitancia año 2018microscopio fuerza atómica longitudinallínea fósforo antiguo televisoragua en nanocanales dirección longitudinalfrecuencias desde hercios a gigaherciosimagen comportamiento agua nanocanalestelevisores antiguos comparativa canales…las moléculas de agua se separan más de lo que le unen entre sí los enlaces de hidrógeno. Entonces, lo que se observa cuando tú pones un canal muy pequeño es que llega un momento en que muy pocos enlaces de hidrógeno se pueden formar porque no hay tamaño. Cuando tú estás trabajando con un canal que tiene una altura de un nanómetro, pues te caben dos moléculas de agua y casi no te caben una encima de otra. O sea, es muy difícil montar muchos enlaces de hidrógeno en vertical. Entonces, cuando tú buscas el modelo del agua moviéndose por un nanocanal, básicamente es un modelo de tres fluidos. Yo tengo agua normal, agua cuyo constante dieléctrica es La del agua en un vaso de agua, en un volumen arbitrario, y después dos pequeñas capitas, una capita muy delgadita, en la que el índice, la constante dieléctrica es diferente, arriba y abajo. Es decir, tengo tres fluidos. Tengo un fluido de capa límite muy cercano a la superficie de arriba, otra abajo y el agua normal en medio. Y cuando tú vas reduciendo la altura y llegas hasta aproximadamente un nanómetro, hay un pequeño incremento del orden de magnitud; es grande, ¿no? 10, 20 veces en la constante eléctrica, pero lo puedes entender utilizando este modelo de tres fluidos. Y con un pequeño modelo, además un modelo de circuito eléctrico equivalente, fácilmente te explica lo que ves en la capacitancia de la punta. Y eso es lo que observaron en 2018; y bueno, fue una cosa que fue noticia en muchos medios, etc. Pero quedaba la duda de si ese comportamiento ocurre también con la constante de eléctrica longitudinal, no la transversal, no la perpendicular al canal; el canal es muy pequeñito, sino la que ocurre en la dirección longitudinal. Lo que ocurre en la dirección longitudinal te requiere no solo mirar en una dirección y pasa el agua por debajo, sino mover también el microscopio de fuerza atómica y hacer como en los antiguos televisores, que la línea del fósforo se iba moviendo y recorría toda la pantalla, un par de veces, por cada fotograma. Pues tienes que hacer como una película, ¿no? Como una imagen de lo que está ocurriendo en todo el canal. Eso técnicamente es bastante complicado, el rango de frecuencias en el que tienes que explorar, porque tienes que aplicar frecuencias; aquí se han aplicado frecuencias desde pocos hercios hasta gigahercios en un rango realmente tremendo, ¿no? Y bueno. Entre 100, unos más bien 200 hercios hasta uno y pico gigahercios, que es una barbaridad, son mil millones de hercios respecto a 100, eso es un rango realmente tremendo, ¿no? Entonces, observando las imágenes, imágenes con el microscopio de fuerza atómica de…
Francis Villatoro explica las limitaciones de los modelos teóricos sobre el comportamiento del agua en nanocanales, señalando que a una altura de un nanómetro ya no se observa agua en estado normal.
Habla: Francis VillatoroSignificado #3 · Palabras #3constante dieléctrica longitudinal aguapublicación revista nature octubrecambio mil constante hidroeléctricamodelo tres fluidos canal nanómetrosconstante eléctrica longitudinal dispositivomodelos actuales comportamiento aguaagua nanocanales altura nanometromodelo tres fluidos francis villatorocapa limite agua normalconstante dieléctrica modelo fluidoscambios dirección transversal villatoroincremento constante eléctrica órdenes magnitud…microscopio de fuerza atómica de la capacitancia a lo largo del canal, han logrado ver y estimar la constante dieléctrica longitudinal. Y si la constante dieléctrica transversal en 2018 no dio ninguna sorpresa, era mayor de la que, pero muy poquito mayor, de La que predecían los modelos teóricos. La constante dieléctrica longitudinal la acaban de publicar en la revista Nature; esto se ha publicado muy recientemente, el 15 de octubre, es absolutamente sorprendente porque el cambio es del orden de mil respecto a la constante hidroeléctrica del agua en un volumen. El modelo de tres fluidos explica muy bien los resultados observacionales hasta aproximadamente unos dos nanómetros de altura en el canal; pero cuando bajas de los dos nanómetros y llegas al nanómetro, el nanómetro es casi el límite en el que Ya por debajo de eso, ya no pueden fabricar dispositivos; resulta que hay un tremendo salto en la constante de eléctrica longitudinal y sube en un factor de 100, de 200, de 300, incluso en algunos de los dispositivos hasta mil veces mayor. Y eso ya no tiene explicación fácil en los modelos. En los modelos teóricos tú puedes decir, claro, el modelo de tres fluidos; lo que pasa es que a solo un nanómetro tú ya no tienes el agua en estado normal, sino que solo tienes la capa límite de arriba, el agua de arriba y la capa límite de abajo. Pero por alguna razón, tener solo dos capitas no explica, explicaría un incremento, lo que se observó a nivel transversal, de un orden de magnitud Pero un incremento en la constante eléctrica de tres órdenes de magnitud requiere que ahí esté pasando algo diferente en la dirección longitudinal de lo que pasa en la dirección vertical Y la respuesta es que no lo sabemos. No sabemos lo que pasa, ¿vale? O sea, no tenemos buenos modelos teóricos que expliquen eso; o sea, hay mucho modelo teórico sobre cómo debe comportarse el agua, con simulaciones por ordenador de diferentes tipos. Hay…
Francis Villatoro explica que el comportamiento anómalo del agua en nanocanales no tiene una explicación teórica clara, comparándolo con materiales exóticos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #16agua anisótropa nanocanales longitudinalcoeficiente dieléctrico agua nanoscalamateriales índice constante dieléctrica francis villatoroagua en nanocanales sin explicación teóricamoléculas gaim y jarras de cervezapuentes hidrógeno imposibilidad reorientaciónfrecuencia megahercio oxilar moléculaconstante eléctrica efecto alto…frecuencias de gigahertz, etc., se observa menos, pero, y tenemos más errores en la señal, pero en la escala intermedia del orden de los kilocientos de grahercios y megahercios se observa perfectamente una transición absolutamente inesperada y sorprendente. Nadie esperaba que las propiedades dieléctricas del agua variaran tanto en la nanoscala en la dirección longitudinal. Es decir, el agua en esos nanocanales se comporta como un material anisótropo respecto al coeficiente dieléctrico; en la dirección transversal cambia un poco, crece el coeficiente, pero en la dirección longitudinal se convierte en el segundo material conocido con mayor índice constante dieléctrica. Esto es algo absolutamente fascinante; es decir, Está comparándose a materiales que son extremadamente exóticos y lo curioso y maravilloso de este tipo de trabajos de Gaim en los que, junto con jarras de cerveza, se le ocurren estas barbaridades es que ahora mismo no tenemos una buena explicación teórica y habrá que desarrollar una explicación teórica para entender realmente cómo la imposibilidad, lo que se plantea como hipótesis, la imposibilidad de formar puentes de hidrógeno es lo que provoca que las moléculas puedan reorientarse fácilmente ante la frecuencia externa. Se aplica una frecuencia de un megahercio y esa frecuencia lo que hace es mover, hacer oxilar a la molécula y eso hace que se pueda reorientar y eso es lo que medimos como constante de eléctrica. Entonces, por alguna razón, se pierden la posibilidad de formar puentes de hidrógeno y eso da libertad a la molécula para reorientarse y generar este efecto tan alto. ¿Qué es similar a los de los materiales termoiónicos, que son materiales que hoy en día tienen muchísimas propiedades? Y por desgracia, se conocen muy poquitos materiales termoiónicos para las aplicaciones que nos gustaría que tuvieran; y resulta que el agua…
Francis Villatoro describe el comportamiento del agua en nanocanales como fascinante y potencialmente revolucionario, comparándolo con materiales termoiónicos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #11agua en nanocanales fascinanteaplicaciones potenciales termoiónicas aguapremio nobel cinta adhesiva escritorionanocanales de agua conductores electricidadagua ultra pura libres de ionesriesgos eléctricos en entornos húmedos…que hoy en día tienen muchísimas propiedades? Y por desgracia, se conocen muy poquitos materiales termoiónicos para las aplicaciones que nos gustaría que tuvieran; y resulta que el agua en un anacanal es un material que se comporta como los termoiónicos. Es decir, realmente es un resultado fascinante y que, como tenga un gran número de aplicaciones, que puede que las tenga o puede que no, porque puede que a nivel tecnológico introducir agua, porque aquí claro, aquí se mete un canal de agua, hay una abertura por la que va entrando el agua y otra por la que va saliendo. No se sabe si se podrán desarrollar todos los dispositivos que ahora se han planteado a nivel termoiónico, pero que si se logra, esto puede ser realmente un segundo premio Nobel notable; el tipo se ganó un premio Nobel con cinta adhesiva de escritorio. Silvana está mirando para un lado y para otro. Yo creo que ya se tiene que ir. No, no, me puedo quedar unos minutillos más, Francis; esto quiere decir. ¿Que el descubrimiento, si todo sale bien, puede utilizarse entonces esos nanocanales de agua como conductor de electricidad? En principio no, en principio no como tal, o sea, para conducción de electricidad, la electricidad, el agua conduce electricidad, ¿eh? Todo el mundo sabe que no debe de tirar el, ¿cómo se llama esto? El secador de pelo en la bañera mientras está bañándose porque puede tener un pequeño problema. Bueno, también han preguntado ahí que será posible obtener agua ultra pura, si aparte del agua destilada está el agua químicamente pura, que está libre de iones, de minerales y de todo, se puede conseguir. Ese es el agua que se usa aquí, ¿eh? Exactamente, eso tienes que usar agua ultra pura a los niveles mejores posibles de fabricación de ese tipo de agua en el laboratorio. El artículo no comenta cómo la obtienen, la compran, la compran ya ultra pura. Claro, de todas formas al hilo de la pregunta,…
Francis Villatoro explica que en los experimentos con nanocanales, el agua se mueve constantemente y requiere pequeñas cantidades de agua para mantener la fuente de inyección.
Habla: Francis VillatoroSignificado #6burbujas contaminan datos nanocanalesfabricación nanocanales dispositivo repetidomanchas en imagen variación energía canalagua ultra pura detectores neutrinosnanocanales fuente de inyecciónagua movimiento constante francis villatoroexperimentos con nanocanales francis villatoroeliminación burbuja en canal aguamicrogramos agua para experimentosfrecuencias instrumentos inyectar polarizacióncapacitancia efectiva sistema aguaancho canal moléculas agua armstrong…como el camión Cande, sí que se llenan con agua ultra pura, creo. Pero los temas de los fotomultiplicadores, para facilitarlo, pero tampoco es tan ultra pura, ¿vale? O sea, es pura, pero no es la más ultra pura que podemos fabricar en el laboratorio, ¿eh? En este tipo de experimentos sí, porque estamos hablando de nanocanales y te interesa que haya al mínimo… De hecho, comenta que han fabricado muchísimos dispositivos y además que los han rellenado muchas veces y cuando rellenan con agua muchas veces te aparecen burbujas que se ve en la imagen, se ve en la imagen como una mancha, en la imagen de la variación de la capacidad de la energía. con la distancia a lo largo del canal en la dirección longitudinal, se ve como una mancha y eso le llaman ellos burbuja y entonces han desechado esos datos. Lo que pasa es que aquí, como esto es un canal, el agua se está moviendo; pues vuelves a inyectar agua, vuelves a meter un poquito de presión y como tienes un sitio que es la fuente de agua por la que estás inyectando, esto son cosas muy pequeñitas, pero bueno, están conectadas a agua y necesitas cantidades de agua absolutamente ridículas, ¿vale? Aquí con microgramos de agua ya tienes más que sobra para hacer infinidad de experimentos. Me está dando sed; mueves el agua a través del canal y eliminas la burbuja. Entonces tú primero chequeas de que no esté la burbuja, y una vez que ves que el canal tiene agua, que está limpia de burbuja, ahora es cuando haces todo. El recorrido de frecuencias con diferentes instrumentos de inyectar frecuencias para ir viendo cómo varía esa polarización de las moléculas de agua y que eso modifica la capacitancia efectiva del sistema. Quiero recordar, Francis, corrígeme si me equivoco, igual lo mencionaste, no estoy seguro, que el ancho del canal es como tres moléculas de agua. El más pequeño, el más pequeño, la molécula de agua en principio se ha llegado hasta 3 Armstrong. Pero ya digo aquí hay un problema de, o sea, medir en detalle el tamaño del canal es muy difícil. Porque es por fabricación, o sea, tú fabricas con una técnica de fabricación que por las características de la técnica de fabricación garantiza que más o menos…
Francis Villatoro explica que los investigadores afirman conseguir canales con una altura de aproximadamente un nanómetro, equivalente a entre dos y tres moléculas.
Habla: Francis VillatoroSignificado #14canales con altura nanómetro investigadoresnanómetro equivalente dos tres moléculascolocación moléculas nanómetro…un cierto tamaño. Entonces, tú utilizas unas medidas para medir más o menos qué tamaño tiene, pero tienes errores. Entonces, errores del tamaño de la molécula de agua los puedes tener perfectamente, ¿vale? O sea, los errores en el tamaño del canal los tienes. Pero ellos plantean que más o menos, y pone siempre el símbolo aproximado, consiguen canales de una altura de un nanómetro. ¿Qué es un nanómetro? Pues un nanómetro son, pues de ese orden, dos o tres moléculas, depende de cómo las coloques una encima de otra. O sea, es lo que tú dices, unas tres moléculas, pero ya colocadas adecuadamente, pero colocadas a lo más largo serán unas dos. Hay que recordar que un átomo de carbono y un átomo de oxígeno tienen del orden de dos astros. Caben como dos o cinco oxígenos así en un nanómetro, puestos en fila, uno encima de otro, y esto es una molécula que tiene hidrógenos y que no puedes colocar dos…
Francis Villatoro explica cómo la fabricación controlada de nanocanales permite observar efectos que no se habían detectado previamente en materiales naturales debido a su complejidad.
Habla: Francis VillatoroSignificado #8fabricación nanocanales observar efectoscanal perfectamente diseñado limitacionescomplejidad canales naturales impedía ver…nosotros el canal y vamos a fabricarlo de manera controlada, vamos a fabricar mucho y vamos a descartar los que no nos gusten y vamos a ir viendo cómo va variando el comportamiento del agua conforme la altura del canal va reduciéndose y esa es la clave de lo que se hace aquí, es decir, esto prácticamente es una cosa que se tendría que haber descubierto porque ha habido experimentos equivalentes con materiales, entre comillas, naturales pero en los que no está controlado todo el detalle del canal y entonces tendría que haberse observado y sin embargo no se ha observado porque la propia complejidad de esos canales naturales impedía ver de manera prístina estos efectos y ahora con un canal perfectamente bien diseñado y ya os digo con todas las limitaciones que eso tiene, o sea el canal más pequeño que plantean es un punto gordo con una deviación pues del orden de medio nanómetro alrededor de un nanómetro. Entonces, quiero decir que lo mismo no es un nanómetro, es un nanómetro y medio, ¿vale? O sea, no lo sabemos, no sabemos realmente qué tamaño tiene porque es muy difícil medir eso, pero ya por encima de 5 nanómetros, ya prácticamente en los puntos ya no pongo…
Francis Villatoro comenta sobre la futura llegada de físicos teóricos especializados en ciencias de materiales, quienes analizarán modelos para comprender mejor el comportamiento de los nanocanales.
Habla: Francis VillatoroSignificado #7 · Palabras #5físicos teóricos ciencias materialesmodelos comportamiento nanocanalesdiseño preciso nanocanalesfabricación nanocanales paralelomicroscopio fuerza atómica canalesfrancis villatoro examina canalesselección nanocanales fabricadoscanal 3 mejor que otrostécnicas fabricación escalas atómicas…que a veces uno lo ve y ya no puede ser, es más pequeño, no, no, es grande, el error es grande, pero aún así, ya no sé qué estaba diciendo, qué iba a decir, cuál era mi argumento, ya me acaba de ir, pero lo interesante de este tipo de asuntos es que Ahora va a haber una enorme hornada de físicos teóricos, no de los que se dedican a física fundamental como Gastón, sino que se dedican a ciencias de materiales, etcétera, que van a estudiar modelos y que van a tratar de entender ese tipo de comportamiento y cuando lo entendamos bien, pues podremos incluso mejorar el diseño de estos nanocanales y hacerlo más preciso porque ya tendremos una teoría que prediga. Lo que vamos a observar. Y entonces podremos ver a la hora de seleccionar los dispositivos buenos de los malos; aquí se fabrican, esto se fabrica en plan comp, en plan peine, o sea yo fabrico muchos canales paralelos y después meto agua en todos y con el microscopio de fuerza atómica los voy mirando. todos y voy viendo cuáles son los buenos y digo pues el bueno es el 3, que es mejor; y el 3 y el 7 son mejores que los otros 35. Pues descarto los otros 33 y me quedo con estos dos, ¿no? O sea, se hace una selección de cuáles son los canales que por sus propiedades parece que han sido mejor fabricados porque las técnicas de fabricación no son tan perfectas en estas escalas, ¿eh? Recordemos que estamos hablando de escalas de muy pocos átomos. El cherry picking bueno Pero bueno, hay que hacerlo; tú seleccionas una serie de canales y en eso son los que hacen los experimentos que después publicas en la revista. Muy bien, pues súper fascinante esto, parece algo tan mundano y todavía tanto que descubrir. Bueno, si quiere…