La Nanotecnología

La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas (nanomateriales). Lo más habitual es que tal manipulación se produzca en un rango de entre uno y cien nanómetros. Se tiene una idea de lo pequeño que puede ser un nanobot sabiendo que un nanobot de unos 50 nm tiene el tamaño de 5 capas de moléculas o átomos -depende de qué esté hecho el nanobot-.
Nano es un prefijo griego que indica una medida (10^-9 = 0,000 000 001), no un objeto; de manera que la nanotecnología se caracteriza por ser un campo esencialmente multidisciplinar, y cohesionado exclusivamente por la escala de la materia con la que trabaja.

 La nanotecnología comprende el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la materia a escala tan minúscula, presenta fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Una de las aplicaciones de la nanotecnología en el campo de envases para alimentación es la aplicación de materiales aditivados con nanoarcillas, que mejoren las propiedades mecánicas, térmicas, barrera a los gases, entre otras; de los materiales de envasado. En el caso de mejora de la barrera a los gases, las nanoarcillas crean un recorrido tortuoso para la difusión de las moléculas gaseosas, lo cual permite conseguir una barrera similar con espesores inferiores, reduciendo así los costos asociados a los materiales.
Los procesos de incorporación de las nanopartículas se pueden realizar mediante extrusión o por recubrimiento, y los parámetros a controlar en el proceso de aditivación de los materiales son: la dispersión nanopartículas, la interacción de las nanopartículas con la matriz, las agregaciones que puedan tener lugar entre las nanopartículas y la cantidad de nanopartículas incorporada.

La Física Mesocópica

La Fisica mesoscópica se dedica al estudio de sistemas microscópicos (grupos de átomos) cuyas propiedades sean significativamente diferentes al material masivo. Dicho de otra manera, en las estructuras mesoscópicas las propiedades físicas están alteradas por efecto del tamaño. Sin embargo, el tamaño a partir del cual un sistema comienza a comportarse como sistema mesoscópico depende fuertemente del material particular.

Sistemas Complejos

Un sistema complejo está compuesto por varias partes interconectadas o entrelazadas cuyos vínculos crean información adicional no visible antes por el observador. Como resultado de las interacciones entre elementos, surgen propiedades nuevas que no pueden explicarse a partir de las propiedades de los elementos aislados. Dichas propiedades se denominan propiedades emergentes.

En contraposición, el sistema complicado también está formado por varias partes pero los enlaces entre éstas no añaden información adicional. Nos basta con saber cómo funciona cada una de ellas para entender el sistema. En un sistema complejo, en cambio, existen variables ocultas cuyo desconocimiento nos impide analizar el sistema con precisión. Así pues, un sistema complejo, posee más información que la que da cada parte independientemente. Para describir un sistema complejo hace falta no solo conocer el funcionamiento de las partes sino conocer como se relacionan entre sí.

La Física Termodinámica fuera del equilibrio.

Un concepto importante en termodinámica es el de variable de estado. Las variables de estado son
aquéllas que una vez determinadas, especifican de manera única el estado termodinámico del
sistema. Ejemplos son la temperatura, presión, volumen y masa de los diferentes componentes en
el sistema dado. Para especificar las variables de un sistema es común ponerlo en contacto con un
baño. El baño es cualquier conjunto de fuentes (de energía, volumen, masa, etc.) lo
suficientemente grande como para no ser afectado por la interacción con el sistema de estudio. El
baño hace posible que un sistema pueda alcanzar una temperatura, presión, volumen y
concentraciones de masa determinados. Los estados de equilibrio del sistema pueden entonces
alcanzarse cuando éste es puesto en contacto térmico con el baño (con todas las fuentes
relevantes) y se espera hasta que las propiedades del sistema hayan relajado hasta los valores de
equilibrio. Bajo tales condiciones, las propiedades del sistema no cambian con el tiempo y los
valores netos promedio de calor/trabajo/masa intercambiados entre el sistema y el baño son cero.
En general, un estado de no-equilibrio se produce cada vez que las propiedades del sistema
cambian con el tiempo y/o el calor/trabajo/masa intercambiados entre el sistema y el baño son
distintos de cero. Podemos distinguir al menos tres tipos de estados de no-equilibrio:
• Transitorios. El sistema se prepara inicialmente en un estado de equilibrio y después
se lleva fuera del equilibrio activando una perturbación externa. El sistema regresa
rápidamente a un nuevo estado de equilibrio una vez que la perturbación externa deja
de cambiar.
• Estacionario. El sistema es llevado mediante fuerzas externas (dependientes del
tiempo o no conservativas) a un estado de no-equilibrio en donde sus propiedades
macroscópicas no cambian con el tiempo. El estado estacionario es un proceso
irreversible de no-equilibrio que no puede ser descrito por la distribución de
Boltzmann-Gibbs (o canónica). En el estado estacionario, el calor medio disipado por
el sistema (igual a la entropía producida por el baño) es positivo.
Existen otras categorías de estados de no-equilibrio estacionario. Por ejemplo, los
estados de no-equilibrio estacionario transitorio, en los que el sistema empieza en un
estado estacionario y efectúa transiciones entre diferentes estados estacionarios.

Fig. 3: Despliegue mecánico de una horquilla de ARN. En el experimento, la horquilla era extendida mediante asas
moleculares de ADN, que a su vez estaban conectadas a sendas microesferas de poliestireno. Una de las
esferas es atrapada rígidamente por succión en una micropipeta. La otra microesfera es atrapada mediante
unas pinzas ópticas, que permiten medir la fuerza que se ejerce sobre la horquilla de ARN cuando se mueve
la micropipeta hacia la derecha con una fuerza F.
• De envejecimiento. El sistema se prepara en un estado de no-equilibrio y se pone en
contacto con las fuentes. Entonces, se le deja evolucionar por sí solo pero no alcanza
el equilibrio termodinámico en una escala temporal observable o de laboratorio. En
este caso el sistema se encuentra en un estado que tiende lentamente al equilibrio, y
se denomina estado de envejecimiento. Se caracteriza por una producción muy
pequeña de entropía de las fuentes. En el estado de envejecimiento las correlaciones a
dos tiempos decaen conforme el sistema va evolucionando. Las funciones de
correlación dependen de ambos tiempos y no simplemente de su diferencia.
Al establecer las diferentes clases de estados de no-equilibrio no hemos considerado si el sistema
era macroscópico o pequeño. En los sistemas pequeños es común hablar del parámetro de control
para enfatizar la importancia de las ligaduras impuestas por el baño, que se controlan
externamente y no fluctúan. El parámetro de control, λ, representa un valor (en general, un
conjunto de valores) que define el estado del baño. Su valor determina las propiedades de
equilibrio del sistema, es decir, la ecuación de estado. En sistemas macroscópicos no es necesario
discernir qué valor es controlado externamente puesto que las fluctuaciones son pequeñas y todas
las colectividades de equilibrio dan lugar a la misma descripción termodinámica, es decir, a la
misma ecuación de estado. Las diferencias aparecen sólo cuando se incluyen las fluctuaciones en
la descripción. El comportamiento de no-equilibrio de los sistemas pequeños es entonces
fuertemente dependiente del protocolo usado para conducirlo fuera del equilibro. El protocolo
está generalmente definido por la evolución temporal del parámetro de control λ(t). Como
consecuencia, la caracterización del protocolo λ(t) es un paso esencial para definir sin
ambigüedades el estado de no-equilibrio. Tras la repetición del mismo experimento un número
infinito de veces con el mismo protocolo λ(t), se llega a una distribución de calor/trabajo que
caracteriza al protocolo λ(t). Este parámetro puede indicar cualquier clase de variable controlada
externamente que determine el estado del sistema, como por ejemplo, el valor de un campo
magnético externo aplicado en un sistema magnético, el valor de una fuerza mecánica aplicada en
los extremos de una molécula (véase la Fig. 3), la posición de un pistón que contiene un gas o las
concentraciones de ATP y ADP en una reacción molecular acoplada a la hidrólisis. Su variación
temporal,λ , se usa como parámetro sintonizable para determinar cuán irreversible es el proceso
de no-equilibrio.

La Física de Gravitación

Todos los objetos son atraídos hacia la Tierra.  La fuerza ejercida por la Tierra sobre los objetos se denomina fuerza de gravedad.  La gravedad es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.  Nadie realmente conoce exactamente porqué esta fuerza jala los objetos unos hacia los otros.  La masa de los objetos y la distancia entre ellos afectan la magnitud de la fuerza gravitacional.  A mayor masa de los objetos y a menor distancia entre ellos mayor es la intensidad de esa fuerza.  Masas gigantes pueden atraer con mayor fuerza, mientras que a mayor separación las fuerzas se debilitan.
La gravedad de la tierra empuja los objetos hacia el centro de la tierra y a su magnitud se
 le llama peso del objeto.  Cuando un objeto está en caída libre experimenta una aceleración g que actúa hacia el centro de la Tierra.  Al aplicar la Segunda Ley de Newton ΣF=ma al objeto de masa m en caída libre, con a = g y ΣF = Fg, se obtiene:

En física, el campo gravitatorio o campo gravitacional es un campo de fuerzas que representa la gravedad. Si se dispone en cierta región del espacio una masa M, el espacio alrededor de M adquiere ciertas características que no disponía cuando no estaba M. Este hecho se puede comprobar acercando otra masa m y constatando que se produce la interacción. A la situación física que produce la masa M se la denomina campo gravitatorio. Afirmar que existe algo alrededor de M es puramente especulativo, ya que sólo se nota el campo cuando se coloca la otra masa m, a la que se llama masa testigo. El tratamiento que recibe este campo es diferente según las necesidades del problema:

• En física newtoniana o física no-relativista el campo gravitatorio viene dado por un campo vectorial.
• En física relativista, el campo gravitatorio viene dado por un campo tensorial de segundo orden.

La Física de las Partículas

La física de partículas es la rama de la física que estudia los componentes elementales de la materia y las interacciones entre ellos como si éstas fueran partículas. Es llamada también física de altas energías, pues muchas de las partículas elementales no se encuentran en la naturaleza y es necesario producirlas en colisiones de alta energía entre otras partículas, como se hace en los aceleradores de partículas Los principales centros de estudio sobre partículas son el Laboratorio Nacional Fermi o Fermilab, en EstadosUnidos, y el Centro Europeo para la Investigación Nuclear o CERN, en la frontera entre Suiza y Francia. En estos laboratorios lo que se logra es obtener energías similares a las que se cree existieron en el Big Bang, y así se intenta tener cada vez más pruebas del origen del universo.
En la actualidad, las partículas elementales se clasifican siguiendo el llamado Modelo Estándar en dos grandes grupos: bosones y fermiones. Los bosones son las partículas que interactúan con la materia y los fermiones son las partículas constituyentes de la materia. En el modelo estándar se explica cómo las interraciones funadmentales en forma de partículas (bosones) interactúan con las partículas de materia (fermiones). Así, el electromagnetismo tiene su partícula llamada fotón, la interacción nuclear fuerte tiene al gluón, la interacción nuclear débil a los bosones W y Z y la gravedad a una partícula hipotética llamada gravitón. Entre los fermiones hay más variedad; se encuentran dos tipos: los leptones y los quarks. En conjunto, el modelo estándar contiene 24 partículas fundamentales que constituyen la materia (12 pares de partículas/anti-partículas) junto con tres familias de bosones de gauge responsables de transportar las interacciones.

La Física Relativa

En la física relativista, el espacio y el tiempo son propios de cada sistema de referencia y, lo que es absoluto, es la velocidad de la luz en el vacío, es decir, para cualquier observador, independientemente de la velocidad relativa de los sistemas de referencia que escoja, al medir la velocidad de la luz en cualquiera de esos sistemas, obtendrá siempre el mismo valor.

Así, la adición de velocidades de Galileo que se describe como: x' = x – vt, es sustituida por la transformación de Fitzgerald-Lorentz: x' = (x – vt) / √1 – v² / c², para describir que la velocidad de la luz no se suma a la del sistema de referencia.

Por otra parte, en la física relativista, la luz no se sustenta ni se ve arrastrada por ningún sistema de referencia, por tanto, cabe concluir que todas las ondas electromagnéticas se mueven en un mismo sistema de referencia.

Más aún, en la física relativista, podemos expresar la velocidad v de cualquier sistema de referencia, desde cualquier otro, como v = nc, es decir, la velocidad tiene un patrón absoluto que no depende del estado de movimiento del observador.

Sin embargo, esto plantea un problema: se han detectado cuásares que presentan un desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales que indicarían que se alejan de la Tierra a 6 veces la velocidad de la luz. Si la interpretación del efecto Doppler, o bien, del corrimiento al rojo cosmológico, fuese correcta, el concepto de velocidad definido por la física relativista carecería de sentido ya que parece improbable poder asociar a un objeto del universo una velocidad v como fracción de la velocidad de la luz mayor que la unidad.

Más aún, si el universo tiene un radio estimado de 15·10⁹ años-luz (4,6·10³ megaparsecs) y se estima que el universo se expande a razón de 68 Km/s por megaparsec, los objetos situados en el límite del universo observable desde la Tierra, hoy se alejan de nosotros aproximadamente a la velocidad de la luz.