Desde el surgimiento de la teoría cuántica, en los albores del siglo XX, los científicos hemos desarrollado herramientas poderosas para diseñar nuevos materiales y dispositivos, sistemas que no existen en la naturaleza pero que se delinean a partir de su conocimiento, como las lámparas de LED, esas fuentes de luz con color y potencia muy bien definidas (ver Figura 1). ¿Cómo lo logramos?

La modificación y creación de materiales ha ido de la mano con el desarrollo de la humanidad, desde la Edad de Piedra, pasando por la de los Metales, hasta llegar a nuestros días, que yo llamaría la Edad de la Materia Cuántica, ya que ha sido el principal motor de la electrónica, la informática y la nanotecnología.

Figura 1. Luz emitida por un diodo semiconductor (LED).

Hace miles de años se comenzó a experimentar para entender propiedades como la resistencia, la deformación, la fusión, el templado, entre otras. Después empezó la búsqueda de materiales nuevos y con mejores propiedades, mezclando dos o más. De esto dan cuenta los enormes y antiguos edificios romanos que aún siguen en pie, gracias a la combinación de cal y cenizas volcánicas.

Los romanos también transformaron la materia para darle color a los cristales, como en la copa de Licurgo¹ elaborada en el siglo IV (ver Figura 2). El vidrio de esta copa contiene nanopartículas de oro y plata, que le dan un color rubí cuando se ilumina con luz blanca por detrás (luz transmitida a través de la copa), o color verde cuando se ilumina por delante (luz reflejada por la copa). Los romanos no sabían que sus materiales contenían metales, ni cuáles eran, ni la cantidad, ni mucho menos conocían el tamaño de las partículas contenidas, sino que hacían diferentes aproximaciones en sus mezclas (prueba y error) para obtener las propiedades deseadas.

La modificación y creación de materiales ha ido de la mano con el desarrollo de la humanidad.

Las teorías clásicas permitían entender ampliamente los materiales, pero no facultaban la creación de otros, con propiedades y funciones a la medida. Con la teoría cuántica se estableció inmediatamente un área de investigación que busca comprender los materiales desde su naturaleza atómica. En sus comienzos se estudió la simetría y la periodicidad espacial con las que se encontraban los átomos en el material.

En 1912, William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg confirmaron la existencia de arreglos periódicos de átomos² mediante la difracción de los rayos X. Con la ecuación que proporciona la evolución del movimiento de partículas atómicas por Erwin Schrödinger en 1925 y el conocimiento de los arreglos atómicos, en 1928 Félix Bloch estableció un teorema que describe la evolución cuántica de partículas atómicas en cristales (arreglos periódicos). Surge entonces la teoría de bandas, que explica el comportamiento de los electrones en un material, así como otras propiedades.

Figura 2. Copa de Licurgo: a) iluminada por detrás; b) por delante.

Desde ese momento se entendió que la composición atómica de los materiales (los elementos químicos y su distribución espacial) determina sus propiedades (dureza, respuesta eléctrica, entre otras). Es el área que más rápidamente ha consolidado su aportación a la tecnológica y, por supuesto, a la Era de la Materia Cuántica. Sin ella no tendríamos computadoras, teléfonos celulares, pantallas, lámparas LED, pruebas rápidas de COVID-19, y muchas otras cosas.

Veamos un ejemplo: los diamantes y el grafito se componen por átomos de carbono. En el diamante tienen un arreglo periódico representado por una estructura cúbica que se repite. Esto le da propiedades muy particulares: es el material con mayor dureza y conductividad térmica, un excelente aislante eléctrico y transparente a la luz, contiene pocas impurezas (otros elementos químicos) y baja cantidad de defectos en su arreglo cristalino³. Curiosamente, los defectos e impurezas otorgan al diamante tonalidades azules o violetas,  y lo vuelven una gema preciosa.

Sin la teoría cuántica no tendríamos computadoras, teléfonos celulares, pantallas, lámparas LED…

El grafito tiene un arreglo cristalino en donde los átomos de carbono forman láminas planas en una red hexagonal. Los enlaces son muy fuertes entre los átomos a lo largo y ancho del plano, pero las láminas se encuentran unidas débilmente, lo que permite desprenderlas fácilmente cuando se apoya y desliza sobre una hoja de papel. Al contrario que el diamante, el grafito (aquel presente en la punta de tu lápiz) es un material extremadamente suave; la débil unión entre capas permite desprenderlas fácilmente cuando se apoya y desliza sobre una hoja de papel, y es un excelente conductor eléctrico de color gris oscuro metálico. Diferentes elementos son capaces de meterse entre las láminas, contaminándolo. La única diferencia entre el diamante y el grafito es el arreglo cristalino (ver Figura 3).

Figura 3. Estructuras del diamante y el grafito.

Esa débil unión entre las láminas atómicas del grafito permite aislar tan solo una de estas, utilizando una cinta adherible llamada grafeno. Además del diamante y grafito en 3 dimensiones y el grafeno en 2 dimensiones, los átomos de carbono forman otras estructuras como los nanotubos en 1 dimensión y los fulerenos en 0 dimensiones (ver Figura 4).

Figura 4. Estructuras de carbón con dimensionalidad 0, 1 y 2.

La dimensión de estos objetos se relaciona con el comportamiento de los electrones en ellos. Por ejemplo, los nanotubos de carbono son como hojas de grafeno enrolladas, donde los electrones están confinados en las dos direcciones perpendiculares al nanotubo y pueden viajar a lo largo de este, considerándose un objeto de una dimensión.

Como los diamantes, los átomos de silicio forman cristales con la misma forma periódica. El cristal de silicio es un material semiconductor⁴ electrónico, no tan duro y de color amarillento. Se le pueden agregar impurezas de otros átomos de manera más fácil, modificando así sus propiedades electrónicas. Esto último lo convirtió en el material con mayor presencia en dispositivos electrónicos, computadoras, teléfonos, etc. Posiblemente es el material más estudiado por los científicos, y no es para menos, ya que ha sido la base de la electrónica desde mediados del siglo XX.

Muy pronto habrá más materiales con propiedades a la medida, siendo un reto fabricarlos.

Es un hecho, varias teorías de la física cuántica permiten predecir las propiedades físicas de los materiales y, así, predecir nuevos materiales y proponer nuevos dispositivos. Muy pronto habrá más materiales con propiedades a la medida, siendo un reto fabricarlos; debemos hacerlo de manera inteligente y conscientes de sus posibles impactos, tanto positivos como negativos. No cabe duda, la Era de la Materia Cuántica está por entrar en una etapa de aceleramiento nunca antes vista.

1. Rey mítico que prohibió el culto al dios Dionisio o Baco.
2. Se refiere al orden de los átomos.
3. Orden peóridico y repetitivo.
4. Puede conducir electrones cuando se encuentra bajo la presencia de un campo eléctrico.