Un reciente estudio ha analizado cómo las partículas cargadas generan ondas electromagnéticas al atravesar nanotubos de carbono de varias capas. Usando un modelo hidrodinámico, se han logrado simplificar cálculos complejos y optimizar las dimensiones de los nanotubos para obtener campos eléctricos más elevados. Se ha demostrado que estos nanotubos podrían servir para acelerar y guiar partículas cargadas, lo que abre nuevas posibilidades en nanotecnología y física de partículas.
Imaginemos que se lanza una partícula cargada (por ejemplo, un protón) a través de un tubo diminuto hecho de carbono, tan pequeño que solo se puede ver con microscopios muy potentes. Este tubo puede estar formado por varias capas, como si fueran hojas de papel enrolladas. A estos tubos se les llama nanotubos de carbono de múltiples capas. Cada capa está compuesta por átomos de carbono organizados en una red hexagonal, similar a un panal de abejas. Lo fascinante de estas estructuras es que, aunque son increíblemente pequeñas (miles de veces más finas que un cabello humano) tienen propiedades físicas que pueden aprovecharse en campos tan diversos como la electrónica, la medicina o la física de partículas.
En nuestro estudio, hemos querido entender qué ocurre dentro de estos nanotubos cuando una partícula cargada los atraviesa por su interior. ¿Genera algún tipo de perturbación? ¿Pierde energía? ¿Podemos aprovechar ese fenómeno para algo útil? Para responder a estas preguntas, nos hemos fijado en dos aspectos: la generación de ondas electromagnéticas y la pérdida de energía de la partícula al atravesar el nanotubo, también conocida como potencia de frenado.
Ondas similares a la estela de un barco
Cuando una partícula cargada se mueve rápidamente cerca de una superficie, puede generar ondas en el material, como si fuera un barco que deja una estela en el agua. Estas ondas se llaman campos de estela, y pueden tener efectos importantes sobre otras partículas que se encuentren cerca. En nanotubos de carbono, estas ondas pueden ser especialmente intensas debido a la forma y composición del material.
Para analizar este fenómeno, utilizamos un modelo que considera que los electrones libres que hay en cada capa del nanotubo se comportan como si fueran un gas, lo que se conoce como modelo hidrodinámico.
Uno de los resultados más interesantes es que, si ignoramos ciertos efectos que hacen que las ondas se amortigüen, podemos predecir cómo se comportan estas ondas usando fórmulas sencillas. Esto es importante porque evita tener que hacer cálculos muy complicados y costosos computacionalmente. Además, hemos descubierto que el comportamiento de las ondas está determinado por ciertos valores llamados “números de onda resonantes”, que están relacionados con las propiedades del nanotubo y la velocidad de la partícula.
Aceleración de partículas
Si las capas del nanotubo están muy cerca unas de otras, el comportamiento del conjunto se parece al de un nanotubo de una sola capa, pero con más electrones en su superficie. Esto significa que podríamos usar estos nanotubos multicapa para manipular partículas cargadas, como si fueran versiones mejoradas de los nanotubos simples. Este tipo de nanotubos podría ser especialmente útil en aplicaciones como la aceleración de partículas. En ciertos experimentos, se necesita que una partícula “testigo” sea empujada y enfocada por las ondas generadas por otra partícula “conductora”, de forma muy similar a cómo un coche de Fórmula 1 se sitúa estratégicamente tras otro para aprovechar su rebufo y ganar velocidad. Los nanotubos multicapa podrían ofrecer regiones más amplias y estables donde esto ocurra, lo que facilitaría la formación de haces de partículas más precisos.
Por último, hemos estudiado cómo se frena la partícula al pasar por el nanotubo. Se ha observado que, al tener en cuenta ciertos efectos que hacen que las ondas se debiliten, los picos de la energía que pierde la partícula que viaja a través del nanotubo se hacen más suaves y menos intensos. Esto nos da pistas sobre cómo diseñar nanotubos que se adapten mejor a distintas aplicaciones.
Generar radiación
En resumen, nuestros hallazgos podrían servir para diseñar nanotubos de carbono multicapa más eficientes en tareas como guiar y acelerar partículas o incluso generar radiación. Aunque aún queda mucho por investigar, este trabajo abre nuevas puertas para el desarrollo de tecnologías avanzadas en campos como la nanotecnología y la física de partículas.
Imagen destacada: Imagen artística de los nanotubos de carbono estudiados. Autor: Pablo Martín-Luna
Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Universidades (Gobierno de España), referencia FPU20/04958, y la Generalitat Valenciana, referencia CIDEGENT/2019/058.
Referencia
P. Martín-Luna; A. Bonatto; C. Bontoiu; B. Lei; G. Xia; J. Resta-López. Wakefield excitation and stopping power in multi-walled carbon nanotubes: one- and two-fluid model. Journal of Physics D: Applied Physics. 58, 225203, 2025. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/add545
Autores del artículo divulgativo:
Pablo Martín-Luna
Instituto de Física Corpuscular (IFIC)
CSIC‐Universitat de València
Javier Resta-López
Institut Universitari de Ciència dels Materials (ICMUV)
Departament de Física Aplicada y Electromagnetisme
Universitat de València
Fuente: Scientias
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