Usando grafito, científicos han creado una plataforma flotante que no requiere energía externa.

La placa compuesta de grafito flota sobre imanes. Crédito: OIST.

Investigadores de la Unidad de Máquinas Cuánticas del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) están estudiando materiales levitantes, sustancias que pueden permanecer suspendidas en una posición estable sin contacto físico o soporte mecánico. El tipo más común de levitación ocurre a través de campos magnéticos. Objetos como superconductores o materiales diamagnéticos (materiales repelidos por un campo magnético) pueden flotar sobre imanes para desarrollar sensores avanzados para diversos usos científicos y cotidianos.

El profesor Jason Twamley, director de la unidad, junto con su equipo de investigadores de OIST y colaboradores internacionales, diseñaron una plataforma flotante en un vacío usando grafito e imanes. Notablemente, esta plataforma levitante funciona sin depender de fuentes de energía externas y puede ayudar en el desarrollo de sensores ultra sensibles para mediciones altamente precisas y eficientes.

Cuando se aplica un campo magnético externo a materiales diamagneticos, estos generan un campo magnético en la dirección opuesta, lo que da lugar a una fuerza repulsiva: se alejan del campo. Por lo tanto, los objetos hechos de materiales diamagnéticos pueden flotar sobre campos magnéticos fuertes. Por ejemplo, en los trenes maglev, potentes imanes superconductores crean un fuerte campo magnético con materiales diamagnéticos para lograr la levitación, desafiando aparentemente la gravedad.

El grafito, la forma cristalina de carbono que se encuentra en lápices, es fuertemente repelido por imanes (altamente diamagnético). Al recubrir químicamente un polvo de microesferas de grafito con sílice y mezclar el polvo recubierto en cera, los investigadores formaron una delgada placa cuadrada de tamaño centimétrico que flota sobre imanes dispuestos en un patrón de cuadrícula.

Crear una plataforma flotante que no requiera energía externa presenta varios desafíos. El factor limitante más grande es el «amortiguamiento por corrientes de Foucault», que ocurre cuando un sistema oscilante pierde energía con el tiempo debido a fuerzas externas. Cuando un conductor eléctrico, como el grafito, pasa a través de un campo magnético potente, experimenta una pérdida de energía debido al flujo de corrientes eléctricas. Esta pérdida de energía ha desalentado el uso de la levitación magnética para desarrollar sensores avanzados.

Resolviendo desafíos

Los científicos de OIST se propusieron diseñar una plataforma que pueda flotar y oscilar sin perder energía, lo que significa que una vez en movimiento, continuará oscilando durante un período prolongado, incluso sin aporte adicional de energía. Este tipo de plataforma «sin fricción» podría tener muchas aplicaciones, incluidas nuevas clases de sensores para medir fuerza, aceleración y gravedad.

Sin embargo, incluso si los científicos logran disminuir el amortiguamiento por corrientes de Foucault, existe otro desafío: minimizar la energía cinética de la plataforma oscilante. Reducir este nivel de energía es importante por dos razones. Primero, hace que la plataforma sea más sensible para su uso como sensor. Segundo, enfriar su movimiento hacia el régimen cuántico —donde predominan los efectos cuánticos— podría abrir nuevas posibilidades para mediciones de precisión. Por lo tanto, para lograr una plataforma flotante verdaderamente sin fricción y autosustentable, se deben resolver los desafíos del amortiguamiento por corrientes de Foucault y la energía cinética.

Una imagen de microscopía electrónica de barrido de las microesferas de grafito recubiertas. Las regiones verdes indican silicio y confirman la presencia del recubrimiento aislante. Crédito: OIST.

Para abordar estos desafíos, los investigadores se enfocaron en crear un nuevo material derivado del grafito. Al modificarlo químicamente, transformaron el grafito en un aislante eléctrico. Este cambio detiene las pérdidas de energía, mientras permite que el material levite en un vacío.

En su configuración experimental, los científicos monitorearon continuamente el movimiento de la plataforma. Usando esta información en tiempo real, aplicaron una fuerza magnética de retroalimentación para amortiguar el movimiento de la plataforma, esencialmente enfriando su movimiento y desacelerándolo significativamente.

La placa flota sobre un patrón de imanes con polos norte y sur alternados. El sistema está aislado de vibraciones y se mantiene en un entorno de alto vacío. Se utiliza un espejo para monitorear el movimiento vertical (posición y velocidad) de la placa, y se emplea un circuito de retroalimentación para disminuir su movimiento. Crédito: OIST.

«El calor causa movimiento, pero al monitorear continuamente y proporcionar retroalimentación en tiempo real en forma de acciones correctivas al sistema, podemos disminuir este movimiento. La retroalimentación ajusta la tasa de amortiguamiento del sistema, que es la rapidez con la que pierde energía, por lo que al controlar activamente el amortiguamiento, reducimos la energía cinética del sistema, enfriándolo efectivamente», explicó el profesor Twamley.

«Si se enfría lo suficiente, nuestra plataforma levitante podría superar incluso a los gravímetros atómicos más sensibles desarrollados hasta la fecha. Estos son instrumentos de vanguardia que utilizan el comportamiento de los átomos para medir con precisión la gravedad. Lograr este nivel de precisión requiere una ingeniería rigurosa para aislar la plataforma de perturbaciones externas como vibraciones, campos magnéticos y ruido eléctrico. Nuestro trabajo en curso se enfoca en refinar estos sistemas para desbloquear el pleno potencial de esta tecnología».

Posibles aplicaciones

La unidad del OIST se centra en usar materiales levitantes para construir osciladores mecánicos: sistemas que tienen un movimiento repetitivo o periódico alrededor de un punto central. Estas oscilaciones ocurren en varios contextos, como péndulos, masas conectadas a resortes y sistemas acústicos.

Esta investigación abre emocionantes posibilidades para sensores ultra sensibles y para lograr un control preciso sobre plataformas oscilantes. Al combinar levitación, aislamiento y retroalimentación en tiempo real, el equipo del profesor Twamley está llevando al límite lo que es posible en ciencia de materiales y tecnología de sensores.

Sus resultados han sido publicados en la revista Applied Physics Letters.

Fuente: OIST. Edición: MP.

Levitación magnética: Nuevo material podría revolucionar la tecnología antigravedad