Durante el pasado mes de octubre, la FundaciónNobel a través de la Academia Sueca de Cienciasotorgó, como cada año, los premios Nobel. Tal vezel evento científico más promocionado, comparablea la entrega de los Oscar, los Emmy y los Grammy,la atribución de un premio Nobel nunca está exentade debate, de juicios sobre si no habría otros cientí-ficos que lo merecieran, etcétera. Sin embargo, raraes la ocasión en que alguien sensato afirme que lospremios no son justos. Quienes los reciben sin dudalos merecen. ¡Como siempre, hay más científicosmeritorios que premios! Y así es el caso este año enlos Nobel de Química y Física.

¿Por qué hablar en Educación Química de los dosNobel? Un poco de atención y descubriremos queambos premios tienen fuertemente que ver con elestado sólido y la ciencia de materiales y con losprocesos que en ellos ocurren desde un punto devista muy fundamental. Es decir, tienen mucho de fi-sicoquímica. Una mirada a la literatura moderna, ynotaremos el enorme auge que actualmente tiene lafisicoquímica, vestida y llamada de maneras distin-tas. De este modo, ya no es raro hallar en el PhysicalReview artículos en los que estudian la reactividadquímica de moléculas en superficie. No se diga de lasrevistas dedicadas a la fisicoquímica propiamente. Lamagnetoresistencia gigante, un fenómeno acopladoque describiremos más adelante, tiene mucho quever con la química de los materiales. Por otro lado,el estudio de la interacción molécula-superficie, to-davía más. Los estudios de Fert y Grünberg, aldescubrir un nuevo fenómeno, han invitado a losquímicos a buscar nuevos materiales y perfeccionarlos existentes, así como el estudio experimental dereacciones químicas sobre superficies sólidas por Ertlha contribuido enormemente al desarrollo de técni-cas nuevas y por consiguiente al campo de la catálisis.

Sin embargo, ambas contribuciones tienen susparticularidades de forma: el Nobel de Física es porun descubrimiento específico, ‘‘la magnetoresisten-cia gigante’’. El Nobel de Química es por una trayec-

toria de importantes contribuciones; la química desuperficies.

Quiénes son y qué hicieron es entonces el objetode esta breve reseña. No puedo dejar de invitar a loslectores interesados a consultar las excelentes notaseditadas en internet por la Fundación Nobel (Wen-nerström y Lidin, 2007; Colectivo, 2007). Los profe-sores Albert Fert y Peter Grünberg son físicos de laUniversidad de Paris 11 en Orsay, Francia, y delForschungszentrum en Jülich, Alemania, respectiva-mente. Como lo indica la Fundación, se ganaron elNobel ‘‘for the discovery of Giant Magnetoresistance’’.Gerhard Ertl es químico, profesor emérito del Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft en Ber-lin, Alemania, y la Fundación acota ‘‘for his studies ofchemical processes on solid surfaces’’. Tratemos ahora deentender que hay detrás de estos premios y empece-mos por el caso más sencillo.

La magnetoresistencia giganteUnas ideas que todos tenemos y que es sano recordarnos serán de gran utilidad para entender, en una muyprimera aproximación, este fenómeno. Vamos apensar en una molécula que pintamos, como escostumbre en química, a través de las fórmulas deLewis. La fórmula de Lewis, por ejemplo del agua,pone de manifiesto ante nuestros ojos lo que pensa-mos que es una sensata distribución de los electronesde valencia a lo largo de la molécula tomando encuenta las especificidades de los átomos que la com-ponen. Si guardamos esta idea, enseguida nos pode-mos preguntar; ¿qué pasa si le aplico un campoeléctrico a esta molécula? La respuesta es inmediatapara cualquiera que haya terminado el primer año

PREMIOS NOBEL

Los Nobel de Química y Física 2007 Emilio Orgaz1

1 Departamento de Física y Química Teórica, Facultad deQuímica, UNAM.Artículo elaborado a solicitud del Director de la revista.

Albert Fert, Nobel de Física 2007, Peter Grünberg, Nobel de Física 2007. y Gerhard Ertl,Nobel de Química 2007.

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de química. La ‘‘molécula se polariza’’. Es decir ladistribución de carga cambia y podemos inducir unmomento dipolar si éste no existía o reorientar lamolécula si presenta uno. Pensemos ahora en unsólido, que para todo efecto práctico es como unamolécula gigante. Al aplicar un campo eléctricotenemos el mismo resultado; los electrones menosligados, los de valencia, ‘‘se polarizan’’.

En pocas palabras, si aplicamos un campo eléc-trico, obtenemos polarización del sistema. Esto seescribe como: P=X E, en donde P es la polarización,E el campo eléctrico y X la susceptibilidad eléctricaque tiene que ver con la polarizabilidad del medio.¡Fácil! Ésta es una expresión que relaciona la causa(E) con el efecto (P) y X es entonces una propiedadde la molécula o sólido. En los sólidos puede haberotro efecto; los electrones se pueden mover a lo largodel sólido dando lugar a la conductividad eléctrica.

La ley de Ohm nos recuerda que V=RI. Ésta es unamanera práctica de escribirla pero muy fea paraentenderla. Mejor la escribimos así: I=(1/R)V. De-finimos la conductividad como algo inverso a laresistencia (1/R). Otra vez, causa (V) y efecto (I) yla conductividad o la resistencia es una propiedadintrínseca del material. Hasta aquí no está difícil.¿Qué pasa si en lugar de un campo eléctrico, aplica-mos un campo magnético? Pues lo que se polarizaahora no es la carga, ¡sino el espín! Si nos acordamos,los estados ocupados por electrones tienen espínnulo: diamagnetismo. Si hay agujeros, es decir esta-dos semillenos, podemos tener espín distinto decero: existe un momento magnético y la molécula osólido lo llamamos genéricamente ‘‘paramagneto’’.El campo magnético tendrá el efecto de aumentar elnúmero de espines no compensados y así ‘‘polariza’’y aumenta el momento magnético. Un efecto bienconocido en sólidos es que los momentos magnéticosen los átomos pueden ‘‘distraer’’ a los electronescuando viajan y frenar su movimiento: la resistenciaaumenta. Pero no siempre es así. Entonces, ¿qué esla magnetoresistencia? Como se ve es un fenómenoacoplado; pongo un campo eléctrico para que hayaflujo de electrones (corriente eléctrica) y uno magné-tico que polariza los espines. ¿Resultado? Hay unaleve disminución de la resistencia por efecto delaumento del momento magnético (figura 1).

Este fenómeno es pequeño y no es fácil de medir.Pues bien, Albert Fert y Peter Grünberg descubrie-ron en 1986 de manera independiente que podíaexistir magnetoresistencia ‘‘no leve’’, sino ¡gigante!Ambos investigadores imaginaron un dispositivocon materiales donde el efecto del campo magnéticoinducía una considerable disminución de la resisten-cia eléctrica. Veamos el sándwich que fabricaron Ferty Grünberg y cómo lo hicieron funcionar. En lafigura 2 mostramos un dispositivo fabricado porcapas alternadas de dos tipos de materiales. Estedispositivo fue fabricado haciendo capas alternadasde Fe y Cr de algunos angstroms de espesor. Latécnica, muy sofisticada aun hoy día, se llama epita-xia por haz molecular.

Un resultado natural de este tipo de multicapassoportadas en una superficie de GaAs es que, Fe yCr siendo materiales magnéticos, se acoplan de talsuerte que se forma una estructura heterogénea anti-ferromagnética: los espines de cada material se aco-plan como en el esquema. Si se aplica un campomagnético a esta multicapa, es posible ‘‘voltear’’ elespín de una de las capas y alinearlo con el espín de

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Figura 1. Medida original de Fert y colaboradores (Baibich et al., 1988; Binasch et al.,1989) en donde se observa el abatimiento de la resistencia eléctrica al aumentar elcampo magnético.

Figura 2. Esquema simplificado de un dispositivo multicapa que presenta magne-toresistencia.

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la otra: tenemos ahora un ferromagneto. La observa-ción que constituyó el gran descubrimiento fue quela conductividad total de la multicapa orientada bajocampo magnético aumentó de manera importante.A un mes de publicados los descubrimientos de Ferty Grünberg, IBM, el gigante multinacional, ya habíacontactado a ambos investigadores. Sí, ¡sólo un mes!De hecho, un investigador de IBM, Stuart Parkin fuequien logró fabricar estas estructuras con una técnicadistinta y escalable a nivel industrial. Y a todo esto,¿para qué sirve este fenómeno? ¿Por qué es impor-tante? La aplicación más importante de los materia-les con magnetoresistencia gigante es el diseño dememorias de masa. Es decir, discos duros que, fun-cionando bajo el mismo principio, pueden ahoraalmacenar mucha más información en un volumenmenor. En la prensa se ha llamado a este premioNobel de Física como el ‘‘Nobel del iPod’’. Y no essin razón. Los dispositivos de almacenamiento dedatos en lectores de música, laptops etc. hacen usode estos materiales. Mejor aún, sin magnetoresisten-cia gigante no hubiera habido Ipods. Esto se convir-tió en un negocio de 20,000 millones de dólares alaño. Estas aplicaciones no volvieron ricos a sus des-cubridores pero sí famosos.

¿Y la química? Los primeros materiales y losmás utilizados son versiones modificadas de metalesferromagnéticos. Sin embargo, la metalurgia quími-ca los ha mejorado apreciablemente. Por otro lado,en los años 90 fueron descubiertos nuevos materialescomo CrO2 y las manganitas de lantano (La2MnO3).Estas últimas presentan el fenómeno de magnetore-sistencia muy ‘‘gigante’’ (la llaman ‘‘colosal’’). Mu-chos analistas ven este premio Nobel como el primerode una larga serie que hemos de ver relativos a lananociencia. En efecto, la fabricación de estructurascon propiedades orientadas a escala nanométrica aúnestá por dar sus frutos en una gran diversidad decampos. Como sabemos, la química de materialesnanoscópicos está en gran auge y esto es muy sensiblea las propiedades que se desean explotar.

Las interacciones molécula-superficieEste tema es muy difícil de describir. En lugar dedictar un curso o escribir un libro sobre el amplísimotema, describamos someramente las cosas en las queErtl ha incidido, para apreciar la magnitud de suinfluencia. Una superficie puede verse como un só-lido que ya no continúa. Esa discontinuidad no esanodina: cambia fuertemente las propiedades e in-troduce algunas nuevas. ¿Por qué? Pensemos en

términos de las coordinaciones de los átomos. En unsólido, los átomos que los constituyen tienden aformar estructuras locales tridimensionales con nú-meros de coordinación elevados y altas simetrías.Por ejemplo, en un sólido cristalino cúbico, un átomoestá rodeado por otros seis. La coordinación es seisen simetría octaédrica. En estructuras más compac-tas, la coordinación aumenta a 8 y 12 para las estruc-turas más simples cúbicas (centrada en el cuerpo ycentrada en las caras, respectivamente). Si pensamosahora de manera simplificada que hacia los átomosmás cercanos se establecen enlaces químicos conorbitales dirigidos, la formación de una superficiedeja un número importante de orbitales sin interac-ción química. Los átomos de la superficie sentirán unpotencial distinto a los que están dentro, bien coor-dinados, y tenderán a cambiar el ordenamiento quetenían en el sólido cristalino. Esto es una reconstruc-ción de la superficie y es esencial para entender lareactividad de ésta ante moléculas que se hallen enla fase colindante, usualmente gaseosa. En la figura 3mostramos un ejemplo reciente de un estudio de la

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Figura 3. Perfil de energía de la reacción de fisisorción de 2,3-butanediol en unasuperficie de Si (001) (Lee y Cho, 2007).

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interacción molécula-superficie; en este caso 2,3-bu-tanediol en una superficie orientada de silicio.

Es justamente Gerhard Ertl uno de los pionerosen entender el rol que para la reactividad quí-mica tiene la reconstrucción de la superficie. Ertl fueentonces un pionero en el uso de técnicas espectroscó-picas sofisticadas para el estudio de procesos químicosen superficies. Ertl utilizó técnicas de caracterizacióncomo LEED (low-energy electron diffraction), UPS(ultraviolet photoelectron spectroscopy) y STM(scanning tunneling microscope). El uso de estosmétodos experimentales aunado a espectroscopiascon tiempos de vuelo muy corto (femtosegundos) lepermitió estudiar procesos catalíticos de gran impor-tancia. Hasta su iniciativa hace más de treinta años,estas técnicas eran del dominio exclusivo del estudiode superficies sin la componente de reactividad quí-mica. Es decir, fenómenos de fisisorción y quimisor-ción, eventualmente disociativa. La caracterizaciónde superficies en ambiente reactivo es uno de susgrandes méritos.

Investigó profundamente y desde un punto devista muy fundamental, la síntesis de amoniaco sobresuperficies de fierro (proceso Haber-Bosch) y la oxi-dación catalítica de CO en superficies de paladio, degran importancia en el diseño de convertidores cata-líticos. El haber incursionado en el estudio detalladode estos procesos complejos, redituó en la observa-ción de fenómenos nunca antes vistos como reaccio-nes oscilatorias en superficies de platino en donde lareconstrucción de la superficie juega un rol esencial.

Fisicoquímico experimental, Ertl nunca desde-ñó abordar los problemas de maneras diversas. Lalimpieza y calidad de sus experimentos abrieron lapuerta a la química de superficies ‘‘moderna’’. Enefecto, hay un antes y un después de Gerhard Ertl.

A manera de conclusión, creo que es buenonotar varias cosas. Ambos premios fueron otorgados

a investigadores con un trabajo experimental de grancalidad donde el espíritu crítico y la capacidad deobservación les permitieron valorar la importanciade lo que hallaron. En ambos premios, los investiga-dores son personas de una gran cultura científica, demodo que la división teórico-experimental queusualmente padecemos está muy diluida. Intentarobservar un fenómeno y darse los medios para ello,así como entender cuán importante es lo hallado, esel gran mérito de quienes realizan las aportacionesmás relevantes al conocimiento. Como sucede cadavez con más frecuencia, detrás de los reconocimien-tos a individuos excepcionales, aparecen equipos deinvestigación multidisciplinarios. Esto, pienso, esalgo en lo que deberíamos reflexionar. ?

ReferenciasBaibich, M. N., J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van

Dau, F. Petroff, P. Eitenne, G. Creuzet, A. Frie-derichs y J. Chazelas, Phys. Rev. Lett., 61, 2472,1988.

Binasch, G., P. Grünberg, F. Saurenbach y W. Zinn,Phys. Rev. B, 39, R4828, 1989.

Colectivo- Scientific Background on the Nobel Prizein Physics, The Discovery of Giant Magnetore-sistance, The Royal Swedish Academy of Scien-ces, 2007. Consultado en la URL http://nobel-prize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/phyadv07.pdf el 29 de octubre de 2007.

Lee, J.-H. y J.-H. Cho, Phys. Rev. B, 76, 125302, 2007.Wennerström, Håkan y Sven Lidin, Scientific Back-

ground on the Nobel Prize in Chemistry, Che-mical Processes on Solid Surfaces, The RoyalSwedish Academy of Sciences, 2007. En la URLhttp://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/chemadv07.pdf el 29 de octubrede 2007.

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