La nanotecnología es una aplicación de la física cuántica, de una manera simple, es uno de los aspectos prácticos de la teoría cuántica, por ejemplo, el desarrollo de dispositivos que son pequeños, ligeros, autónomos, usan poca energía y reemplazarán a los equipos microelectrónicos más grandes. Depende de la naturaleza de la variación cuántica, los científicos teorizan que se pueden desarrollar sensores de una sola molécula y que se puede lograr un almacenamiento sofisticado de memoria y redes similares a las neurales con un número muy pequeño de moléculas.
La teoría y la mecánica cuántica describen la relación entre la energía y la materia en la escala atómica y subatómica.
A principios del siglo XX, el físico alemán Maxwell Planck (1858–1947) propuso que los átomos absorben o emitan radiación electromagnética en haces de energía denominados cuantos. Este concepto cuántico parecía contrario a la intuición de la física newtoniana bien establecida.
- ¿Cuándo es hora de que consigas un nuevo teléfono inteligente?
- ¿Los problemas de copyright crearán futuros obstáculos para la impresión 3D?
- ¿Qué tecnologías web utiliza Saxo Bank para ser tan rápido y flexible?
- ¿Debo permitir que un niño de tres años juegue con teléfonos móviles y aparatos similares?
- Cómo usar mi teléfono inteligente para aumentar mi productividad
Los avances asociados con la mecánica cuántica (por ejemplo, el principio de incertidumbre) también tuvieron profundas implicaciones con respecto a los argumentos científicos filosóficos con respecto a las limitaciones del conocimiento humano.
La teoría cuántica de Planck, que también afirmaba que la energía de la luz (un fotón) era directamente proporcional a su frecuencia, demostró ser un concepto poderoso que explicaba una amplia gama de fenómenos físicos. La constante de Planck relaciona la energía de un fotón con la frecuencia de la luz. Junto con la constante para la velocidad de la luz, la constante de Planck (h = 6.626 x 10 ^ −34 Joule-segundo) es una constante fundamental de la naturaleza.
Antes del trabajo de Planck, se pensaba que la radiación electromagnética (luz) viajaba en ondas con un número infinito de frecuencias y longitudes de onda disponibles. El trabajo de Planck se centró en intentar explicar el espectro limitado de luz emitida por los objetos calientes. El físico danés Niels Bohr (1885–1962) estudió la teoría cuántica de la radiación de Planck y trabajó en Inglaterra con los físicos JJ Thomson (1856–1940) y Ernest Rutherford (1871–1937) para mejorar sus modelos clásicos del átomo incorporando la teoría cuántica. Durante este tiempo, Bohr desarrolló su modelo de estructura atómica. Según el modelo de Bohr, cuando un electrón es excitado por la energía, salta de su estado fundamental a un estado excitado (es decir, un orbital de mayor energía). El átomo excitado puede emitir energía solo en ciertas cantidades (cuantificadas) a medida que sus electrones saltan de regreso a órbitas de menor energía ubicadas más cerca del núcleo. Este exceso de energía se emite en cuantos de radiación electromagnética (fotones de luz) que tienen exactamente la misma energía que la diferencia de energía entre las órbitas saltadas por el electrón.
Los saltos cuánticos de electrones entre las órbitas propuestas por el modelo de Bohr explicaron las observaciones de Plank de que los átomos emiten o absorben radiación electromagnética en cuantos. El modelo de Bohr también explicó muchas propiedades importantes del efecto fotoeléctrico descrito por Albert Einstein (1879-1955). Einstein asumió que la luz se transmitía como una corriente de partículas llamadas fotones. Al ampliar las conocidas propiedades de onda de la luz para incluir un tratamiento de la luz como una corriente de fotones, Einstein pudo explicar el efecto fotoeléctrico. Las propiedades fotoeléctricas son clave para la regulación de muchos sistemas de microtecnología y sistemas de nanotecnología propuestos.
La mecánica cuántica finalmente reemplazó los “orbitales” de electrones de los modelos atómicos anteriores con valores permitidos para el momento angular (velocidad angular multiplicada por la masa) y representó las posiciones de los electrones en términos de “nubes” y regiones de probabilidad.
En la década de 1920, el concepto de cuantización y su aplicación a los fenómenos físicos fue avanzado aún más por modelos matemáticamente más complejos basados en el trabajo del físico francés Louis Victor de Broglie (1892-1987) y el físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961) que representa la naturaleza de partículas y ondas de los electrones. De Broglie demostró que el electrón no era simplemente una partícula sino una forma de onda. Esta propuesta llevó a Schrödinger a publicar su ecuación de onda en 1926. El trabajo de Schrödinger describió a los electrones como una “onda estacionaria” que rodea el núcleo, y su sistema de mecánica cuántica se llama mecánica de onda. El físico alemán Max Born (1882–1970) y el físico inglés PAM Dirac (1902–1984) avanzaron más en la definición de las partículas subatómicas (principalmente el electrón) como una onda en lugar de una partícula y en la conciliación de porciones de la teoría cuántica con la teoría de la relatividad. .
Trabajando aproximadamente al mismo tiempo, el físico alemán Werner Heisenberg (1901-1976) formuló la primera teoría completa y autoconsistente de la mecánica cuántica. La matemática matricial estaba bien establecida en la década de 1920, y Heisenberg aplicó esta poderosa herramienta a la mecánica cuántica. En 1926, Heisenberg presentó su principio de incertidumbre que establece que dos propiedades complementarias de un sistema, como la posición y el impulso, nunca pueden conocerse con exactitud. Esta propuesta ayudó a cimentar la naturaleza dual de las partículas (por ejemplo, la luz puede describirse como que tiene características de onda y de partículas). Ahora se entiende que la radiación electromagnética (una región del espectro que comprende la luz visible) tiene propiedades de partículas y ondas.
En 1925, el físico nacido en Austria Wolfgang Pauli (1900–1958) publicó el principio de exclusión de Pauli afirma que no hay dos electrones en un átomo que puedan ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico (es decir, estado de energía). La especificación de espín de Pauli (+ 1/2 o – 1/2) en un electrón proporcionó a los dos electrones en cualquier número cuántico suborbital diferente (un sistema utilizado para describir el estado cuántico) e hizo completamente comprensible la estructura de la tabla periódica en términos de configuraciones de electrones (es decir, la disposición de electrones relacionada con la energía en capas de energía y suborbitales).
En 1931, el químico estadounidense Linus Pauling publicó un artículo que utilizaba la mecánica cuántica para explicar cómo se comparten dos electrones, de dos átomos diferentes, para formar un enlace covalente entre los dos átomos. El trabajo de Pauling proporcionó la conexión necesaria para aplicar completamente la nueva teoría cuántica a las reacciones químicas.
Los avances en nanotecnología dependen de la comprensión y aplicación de estos principios cuánticos fundamentales. A nivel cuántico, la suavidad de la física clásica desaparece y las nanotecnologías se basan en explotar esta aspereza cuántica.
