¿Qué es la tecnología 5G?

¿Qué es 5G?: La Nueva Red Móvil, Características, Usos y Aplicaciones

Es posible que hayas escuchado hablar sobre el término 5G últimamente y que te preguntes qué significa. En este artículo cubrimos todo lo que necesita saber sobre esta tecnología, de qué se trata, cómo funciona, cuándo llegará y que le depara a usted en el futuro. que es 5G

¿Qué es 5G? que es 5G

5G es la abreviatura de ‘redes móviles de quinta generación’. Y eso es literalmente lo que es: la quinta generación de redes móviles (Una red móvil es lo que usa para llamar, enviar mensajes de texto y, cuando no está conectado a una red Wi-Fi, conectarse a Internet). Pero, además, está configurado para ser mucho más rápido que las generaciones anteriores y, a diferencia de 4G, podría abrir nuevos casos de uso para datos móviles.  que es 5G

Para comprender el desarrollo de esta nueva red móvil, veamos un poco sobre el trasfondo histórico en la evolución de esta tecnología:

  • 1G: Las redes de primera generación se introdujeron en la década de 1980, eran analógicas y solo transportaban voz.
  • 2G: En la década de los 90, se lanzaron teléfonos 2G (o de segunda generación) que eran digitales e introdujeron nuevas funciones, como mensajes de texto y mensajes con imágenes.
  • 3G: Los inicios de la década de los setenta marcó el comienzo de la 3G (tercera generación), que comenzó a incluir video llamadas y datos móviles.
  • 4G: Diez años más tarde vimos 4G, y estas redes y teléfonos se diseñaron para admitir Internet móvil y velocidades más altas para actividades como transmisión de video y juegos.
Figura 1. Evolución de las redes moviles
Figura 1. Evolución de las redes moviles

Ahora, las redes están cambiando nuevamente y 5G se esta preparando para llegar pronto.

¿Cuándo llegará 5G?

Algunos países como Corea del Sur, China, Japón y Estados Unidos afirman que se lanzará a finales de este año (2018) o principios del próximo. Sin embargo, en el Reino Unido, el lanzamiento no comenzará hasta 2020, de acuerdo con la estrategia del gobierno y las declaraciones de los operadores de redes. Por otra parte, Huawei en China está impulsando muchos desarrollos en esta tecnología.  que es 5G

Te puede interesar: China y el 5G en el 2018, el gigante asiatico logra ligera ventaja a Corea del Sur y USA

En Latinoamérica el escenario es distinto, de acuerdo a Sebastián Cabello, responsable de la GSMA (Asociación de operadores móviles) en Latinoamérica, estima que esta nueva red llegará a mediados del 2020, sin embargo, su despliegue solo cubrirá aproximadamente el 50% de la cobertura total para el 2025.

¿Qué beneficios traerá 5G?

Se espera que el principal beneficio sea una conexión mucho más rápida, algunos dicen hasta 100 veces más rápida que 4G.

Las redes 4G de gama alta, conocidas también como 4G +, LTE-A o 4.5G, pueden ofrecer velocidades pico de descarga de hasta 300Mbps. En comparación, 5G promete ofrecer velocidades superiores a 1 Gbps (1000 Mbps), con muchas estimaciones que lo acercan a 10 Gbps (10000 Mbps)

Para darnos una idea, podrá descargar una película Full HD en menos de 10 segundos en una red 5G. La misma tarea tomaría cerca de 10 minutos en 4G, podemos observar en la Tabla 1 una comparación de las redes moviles.

Tabla 1. Tiempo de descarga en redes móviles.

Tipo de Red Velocidad de descarga Tiempo de descarga de una pelicula HD
3G 384Kbps Al rededor de un día.
4G 100Mbps Al rededor de 7 minutos.
4G+ 300Mbps 2.5 minutos
5G 1-10Gbps (teórico) 4-40 segundos

Nota: Información adaptada del articulo What is 5g? de Sarah Wray. Recuperado de https://5g.co.uk/guides/what-is-5g/

También se tendrá una latencia mucho más baja, lo que significa que percibirá muy poco retardo cuando use aplicaciones conectadas a la red en su teléfono u otro dispositivo; estamos hablando de milisegundos, que son indetectables al nivel del usuario.

Esta latencia ayudará no solo al mejor desempeño de aplicaciones existentes, como los juegos en línea, sino que también podría ser vital para aplicaciones como autos o vehículos sin conductor, donde cualquier retraso podría ser la diferencia entre la vida y la muerte. En la Tabla 2 se puede observar cómo la latencia 5G se compara con la latencia actual.

Tabla 2.  Comparación de latencias entre las redes moviles.

Network Type Milliseconds (ms)
3G Network 120ms (actual)
4G Network 45ms (actual)
5G Network 1ms (teórico)

Nota: Información adaptada del articulo What is 5g? de Sarah Wray. Recuperado de https://5g.co.uk/guides/what-is-5g/

Además, 5G también tendrá mayor capacidad, lo que significa que las redes podrán hacer frente de mejor manera a muchas aplicaciones de alta demanda, desde autos conectados y dispositivos IoT (Internet of Things) hasta dispositivos de realidad virtual y transmisión de video HD en simultaneo.

Todo esto debe sumarse a que 5G tendrá una conexión rápida y estable donde quiera que esté y lo que sea que esté haciendo en su teléfono.

Ejemplos de uso de 5G e Impacto en el mundo real

Para empezar, podrás descargar películas y juegos en segundos y verlos sin necesidad de precargar el video. También es probable que veamos nuevas aplicaciones que usan realidad virtual y aumentada. Por ejemplo, puedrá ver la navegación satelital proyectada en el parabrisas de su automóvil o vehiculo.

También es probable que veamos aún más dispositivos IoT como teléfonos, refrigeradores y luces que se conectan entre sí. Internet de las cosas está empezando a crecer rápidamente, pero con la velocidad y la capacidad que ofrece 5G.

Sin embargo, algunos operadores de redes afirman que 5G no es simplemente otra actualización de red, sino que representa una “revolución” que podría permitir el desarrollo de aplicaciones y servicios que beneficien a la sociedad, algunas de estas aplicaciones las describimos a continuación:

Vehículos autónomos

Los automóviles conectados son un factor clave de crecimiento. Los futuristas predicen que los vehículos autónomos del futuro intercambiarán información de gestión en la nube, datos de sensores y contenido multimedia se compartirán entre sí sobre redes de baja latencia. Según ABI Research, se activarán 67 millones de suscripciones automotrices de vehículos 5G, tres millones de las cuales tendrán conexiones de baja latencia desplegadas principalmente en automóviles autónomos.

IoT

Según Asha Keddy, gerente general de estándares móviles para tecnología avanzada en Intel, 5G será la primera red diseñada con el Internet of Things (IoT) en mente. Keddy en una entrevista antes del Mobile World Congress 2017 dijo:

“Estas redes y estándares de próxima generación deberán resolver un desafío más complejo de combinar comunicaciones e informática”… “Con 5G, veremos que las capacidades informáticas se fusionan con las comunicaciones en todas partes, por lo que trillones de cosas como dispositivos portátiles no tienen que preocuparse por la potencia informática dado que la red podrá hacer cualquier procesamiento necesario”.

Realidad virtual y realidad aumentada

5G traerá avances en realidad virtuales y transmisión de video. Sprint Corporation (Empresa de telefónia móvil en EEUU) demostró la transmisión de realidad virtual inalámbrica en el torneo de fútbol Copa América, por su parte, Huawei hizo una demostración de video en 360 grados transmitido en vivo desde una red 5G.

Aplicaciones en la nube

El almacenamiento remoto y las aplicaciones web pueden beneficiarse de 5G. El-Kadi, Jefe de preventa en Ericcson, dijo: “La nube se convierte en una extensión infinita de almacenamiento de su teléfono”… “Nunca tendrás que preocuparte por quedarte sin espacio para fotos y video”.

Además del almacenamiento adicional en el teléfono, es posible que vea una diferencia significativa en el diseño del hardware móvil en general. Con 5G muchas de las tareas de procesamiento que se realizarían normalmente en su dispositivo se podrán mover a la red. Dado que los dispositivos no requerirán las mismas capacidades informáticas, podremos ver los llamados “teléfonos ficticios” con un hardware mínimo usando la red para completar estas tareas. La transferencia de energía del dispositivo a la red también significa que su teléfono celular podrá tener un mayor tiempo de vida.

Figura 2. Aplicaciones 5G
Figura 2. Aplicaciones 5G

¿Cómo funciona 5G?

Primero, lo básico. Cuando llamas a alguien, tu teléfono convierte tu voz en una señal eléctrica que se transmite a la torre celular más cercana a través de ondas de radio. Luego,pasa a través de una red de torres celulares, estaciones base, nodos de distribución, etc. esto antes que la llamada llegue al teléfono de la otra persona. Lo mismo se aplica a los datos, como fotos y videos.

Las comunicaciones inalámbricas se transmiten a través del espectro de frecuencia de radio. 5G utilizará nuevas frecuencias de radio más altas porque están menos saturadas y pueden transportar mayor cantidad de información.

Aunque las bandas superiores pueden transportar más capacidad de tráfico de datos, estas no pueden transmitirse a grandes distancias por que se degradan rápidamente, para esto, se usarán pequeñas antenas de entrada y salida múltiple (MIMO) para aumentar la robustes de las señales y su capacidad. Las estimaciones sugieren que 5G admitirá hasta 1,000 dispositivos más por metro cuadrado que 4G.

Otro cambio es que los operadores podrán “dividir” una red física en múltiples redes virtuales: podrán entregar el segmento correcto de red según cómo se utilice y, por lo tanto, administrar mejor sus redes. Por ejemplo, un automóvil autónomo tendrá diferentes requisitos de red a diferencia de un dispositivo IoT simple como una refrigeradora.

¿Necesitaré un teléfono nuevo?

Sí, necesitará un teléfono compatible con 5G para conectarse a la nueva red, estos se podrán obtener a la par con el despliegue de la red en cada país. El fabricante de chips Qualcomm anunció recientemente que su chip Snapdragon X50 5G está siendo implementado por algunos fabricantes de teléfonos para el lanzamiento de dispositivos móviles a partir de 2019.

¿Cuáles son los retos que afronta 5G?  que es 5G

Más allá de los desafíos tecnológicos de garantizar que la tecnología funcione como se espera, también hay otros obstáculos que los desarrolladores de 5G deberán superar.

Espectro de Frecuencia en 5G

La disponibilidad del espectro no es ilimitada. Las frecuencias de radio utilizadas para 3G y 4G ya están llenas y, como se mencionó anteriormente, 5G se ejecutará en bandas de frecuencia más altas para ofrecer velocidades de datos más rápidas.  que es 5G

El espectro para 5G debe asignarse a través de una subasta. Cada país deberá realizar modificaciones en su plan de asignación de frecuencias, posteriormente deberá mandar a subasta las frecuencias para que puedan ser adquiridas por los operadores. Además, debido a las preocupaciones sobre el agotamiento del espectro, la industria tiene el desafío de encontrar formas más inteligentes de usar las frecuencias que están disponibles, por ejemplo, poniendo el espectro a disposición exclusiva y solo asignando la cantidad requerida para una tarea en particular.  que es 5G

Inversión en 5G

Los operadores de red ya han gastado miles de millones en redes 4G y, hasta que lo hayan desarrollado, no saben cuánto costará 5G. Se sabe que será costoso. La industria de las telecomunicaciones tiene que asegurarse que los servicios que desarrollen deberán rendirles los beneficios económicos para el retorno de su inversión en 5G.

Una investigación reciente de Ericsson descubrió que los consumidores están esperando velocidades mucho más rápidas y una mejor cobertura en redes 5G. Gracias a los servicios que 5G habilitará, las personas también usarán muchos más datos. Sin embargo, el 13% espera que su plan de precios caiga. Otros no estarán dispuestos a pagar más de lo que ya tienen ahora. Es un dilema para los operadores la implementación futura del 5G.  que es 5G

Encontrar el equilibrio financiero implicará que los operadores prueben nuevos modelos de negocios y avancen a nuevas áreas donde ofrezcan servicios y conectividad. Estos sectores potenciales deben incluir fábricas conectadas, automóviles autónomos, tele medicina y más.  que es 5G

Sobre la Recomendación ITU-R IMT-2020 para 5G

Actualmente la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) y sus socios, comparten una comunidad de interés para el desarrollo de los sistemas de telecomunicaciones móviles internacionales (IMT).  Al inicio del 2012, la ITU-R inicio un programa para poder desarrollar una serie de actividades que activen la investigación del 5G en todo el mundo. A raíz de esto se está desarrollando la ITU-R IMT-2020 (5G) Vision (Ver recomendación ITU-R.M.2083 – Concepción de las IMT – Marco y objetivos generales del futuro desarrollo de las IMT para 2020 y en adelante) que incluye tres grandes escenarios de uso: Banda Ancha móvil optimizada (eMBB), Comunicaciones ultra confiables y de baja latencia (URLLC) y Comunicaciones tipo maquina masivas (mMTC) tal como se muestra en la Figura 3. Además, la Figura 4 muestra los avances que se tienen en comparación con la generación anterior de redes móviles (IMT-2020 para 5G y IMT-advanced para 4.5G)  que es 5G

Figura 3. Escenarios de Uso de la Tecnología 5G
Figura 3. Escenarios de Uso de la Tecnología 5G. Adaptado y Recuperado de http://www-file.huawei.com/-/media/CORPORATE/PDF/public-policy/public_policy_position_5g_spectrum.pdf?la=en
Figura 4. Caracteristicas de la tecnología 5G comparada con 4.5G.
Figura 4. Caracteristicas de la tecnología 5G comparada con 4.5G. Adaptado y Recuperado de http://www-file.huawei.com/-/media/CORPORATE/PDF/public-policy/public_policy_position_5g_spectrum.pdf?la=en

Para abordar los diversos requisitos en los usos de 5G, esta necesita acceso a frecuencias “altas”, “medias” y “bajas” (Tal como se aprecia en la Figura 5), explotando características específicas de diferentes porciones del espectro: frecuencias entre 2 y 6 GHz (p. Ej. 3300-3800 MHz) en combinación con frecuencias inferiores a 2 GHz (por ejemplo, 700 MHz) y superiores a 6 GHz (por ejemplo, 24,25-29,5 y 37-43,5 GHz). Los entes reguladores del espectro radioeléctrico deberán poner a disposición una cantidad suficiente del espectro en cada capa, de manera oportuna, para permitir que los operadores móviles presten servicios 5G.  que es 5G

Las bandas por debajo de 6 GHz son cruciales para soportar la mayoría de los escenarios de uso de 5G en un área amplia. Los rangos de frecuencia de 3300-4200 y 4400-5000 MHz son adecuados para ofrecer el mejor compromiso entre cobertura de área amplia y una buena capacidad. Para la implementación temprana de 5G, se debe asignar a cada red móvil un ancho de banda del espectro contiguo de al menos 100 MHz para admitir una velocidad de datos, experimentada por el usuario, de 100 Mbps en cualquier lugar y momento.  que es 5G

Figura 5. Rangos de Frecuencia de Uso en 5G
Figura 5. Rangos de Frecuencia de Uso en 5G. Adaptado y Recuperado de http://www-file.huawei.com/-/media/CORPORATE/PDF/public-policy/public_policy_position_5g_spectrum.pdf?la=en

Las frecuencias bajas (por debajo de 2 GHz) seguirán siendo esenciales para extender la experiencia de banda ancha móvil 5G a áreas amplias y en entornos interiores profundos; Los escenarios de uso de mMTC y URLLC también se beneficiarán enormemente de la cobertura extendida de baja frecuencia. Las bandas de baja frecuencia disponibles (por ejemplo, 700, 800, 900, 1800 y 2100 MHz) pueden explotarse para compartir el espectro de enlace ascendente LTE / NR en combinación con NR en la banda C para permitir a los operadores garantizar un despliegue en la banda C más rápido y rentable.

Las frecuencias altas (superiores a 6 GHz) resultarán indispensables para proporcionar capacidad adicional y proporcionar velocidades de datos extremadamente altas, requeridas por algunas aplicaciones 5G eMBB. Se recomienda al menos 800 MHz de ancho de banda de espectro contiguo por red, en las altas frecuencias para el despliegue temprano de 5G. La asignación de un ancho de banda de amplio espectro contiguo en cada capa reduce la complejidad del sistema asociada con la agregación de operadores, lo que mejorará la eficiencia energética y reducirá los costos de la red.

Se debe tener en cuenta que el desarrollo de la definición de estas tecnologías aún está en proceso y según la ITU se ha establecido un calendario para su culminación, se estima la culminación de la recomendación ITU-R IMT-2020 para el año 2020, En la Figura 6 se muestra el roadmap del desarrollo de la recomendación.

Figura 6. Linea de tiempo del desarrollo de la recomendación IMT-2020. Recuperado de https://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx
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Tecnología OLED

Todo sobre la tecnología OLED y por qué debería importarme

Cada cierto tiempo vivimos un cambio generacional tecnológico, algunos son más drásticos que otros impactando nuestro entorno, nuestra forma de comunicarnos o nuestra calidad de vida. Pero otras veces el cambio es importante porque afecta la fabricación de equipos que usamos a diario pero en la práctica nosotros no nos damos cuenta o sólo agradecemos que algo “se mejoro”. Y en estos momentos estamos viviendo el cambio más importante que se ha visto en los televisores después de que olvidamos esos viejos televisores CRT que eran muy grandes y nos pasamos a las pantallas planas. Plasmas, LCD o LED… Ya no importa, es tecnología vieja.

El presente y el futuro es OLED, una tecnología de la cuál se viene hablando hace tiempo y de a poco se viene aplicando en pequeñas pantallas pero que ahora se comienza a masificar mundialmente en televisores, siendo el LG el primer fabricante que pondrá a la venta un televisor este mismo mes en Corea (WRGB OLED TV Modelo 55EM9700).

Pero ¿Qué es OLED?

Actualmente todos los televisores que llamamos “planos” requieren una fuente de iluminación para reproducir imágenes coloridas en la pantalla y todas las pantallas son LCD pero esa “retroilumunación” es lo que define el nombre del producto. Por ejemplo los LED son en verdad LCD con retroiluminación LED y los Plasmas son LCD con retroiluminación plasma. OLED en cambio es un tipo de pantallas que no requieren tener retroiluminación, es la misma pantalla la que genera la imagen y que al mismo tiempo se ilumina.

OLED es la abreviación de organic light-emitting diode (Diodo orgánico de emisión de luz), y como su nombre lo indica se trata de diodos con una capa electroluminiscente formada por una película orgánica que reacciona a una determinada estimulación eléctrica generando y emitiendo luz por si mismo.

Esto implica una serie de ventajas respecto a la tecnología anterior, con OLED se pueden fabricar aparatos más delgados porque tienen un componente menos en comparación a los LCD; Obtener un mejor brillo y contraste porque los pixeles emiten la luz directamente así que el rango de colores es mejor; Menos consumo de energía porque no necesitan iluminar para generar el color negro, entre otras cosas; Mejor desempeño en ambientes con mucha luz, debido a que emiten su propia luz; Y gracias al OLED se pueden construir pantallas curvas o flexibles, lo que abre una enorme gama de aplicaciones en distintos dispositivos.

Para que se hagan una idea el televisor LG 55EM9700, que acaban de lanzar en el CES, mide tan sólo 4mm de espesor y para lograr mejores colores trabaja con una tecnología llamada OLED blanca, que gracias al RGB se obtiene un color blanco, por eso ese televisor es WRGB.

Actualmente la tecnología OLED se puede encontrar en los teléfonos con pantallas AMOLED, el cuál es una variación del OLED basada en una matriz activa de transistores que determina que pixeles encender y cuales no. Pero en el futuro todas las pantallas que usemos serán OLED, ese futuro en donde las pantallas son flexibles, algunas transparentes y están en todos lados.

Más info en:
Preguntas frecuentes sobre la Tecnología OLED
Diferencias entre un televisor LED y un OLED (Xataka)
Diodo orgánico de emisión de luz (Wikipedia)

Bolígrafo con tinta conductiva

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La gente de Urbana Electroninks Incorporated acaba de lanzar un proyecto en Kickstarter para un financiar una pluma que dibuja circuitos electrónicos. Llamado Circuit Scribe, el pequeño dispositivo de mano funciona como un bolígrafo normal, pero libera una tinta conductora de plata no tóxica que se seca al instante, sirviendo para maquetar circuitos o incluso ponerlos en funcionamiento.

Los estudiantes del futuro próximo parece que tendrán mucha suerte en cuanto a las facilidades que aporta la tecnología para que aprendan divirtiéndose, con útiles y herramientas modernas. De sólo pensar en los inventos que hay hoy día para aprender astronomía, física, biología y electrónica, me hace recordar las cosas que teníamos hace 20 años, donde la experimentación se hacía con la imaginación, a través de lo que describía el libro. El proyecto que nos provocó esta nostalgia a la inversa con algo de sana envidia fue el Circuit Scribe, un bolígrafo para dibujar circuitos de tinta conductora que se seca al instante. Ideal para que puedas aprender electrónica de una forma más cómoda, esta versión es una superación de los modelos que ya habíamos conocido anteriormente.

 

Haciendo campaña en Kickstarter, el bolígrafo Circuit Scribe es ideal para que los makers puedan diagramar todo tipo de proyectos de electrónica. Sin necesidad  de agitarla, sin pegotes, sin necesidad de apretar el bolígrafo, sin olor y sin esperas para que se seque, este invento puede dibujar líneas muy definidas de tinta de plata conductiva sobre una gran variedad de superficies. Básicamente, Circuit Scribe quiere que los estudiantes lo utilicen para dibujar bucles físicos. Puedes sincronizarlo con accesorios como baterías, LEDs y sensores para darle diferentes funciones, pero también se puede combinar con plataformas como Arduino y Raspberry Pi para mayor funcionalidad.

Circuit Scribe: Bolígrafo para dibujar circuitos eléctricos con tinta conductiva

 

Sus creadores comenzaron pidiendo 85.000 dólares y hasta el momento de redacción de este artículo la campaña había recaudado más de 450.000 dólares, así que ya te imaginas el éxito. Los partidarios pueden tener en sus manos la pluma por 20 dólares o acceder a un kit más avanzado por 100.  Si todo sigue así, el bolígrafo para dibujar circuitos eléctricos con tinta conductiva estará pronto para junio de 2014.

El Grafeno

Grafeno, el material de ciencia ficción

¿Qué es el Grafeno?

El grafeno es un alótropo del carbono, un teselado hexagonal plano (como un panal de abeja) formado por átomos de carbono y enlaces covalentes que se forman a partir de la superposición de los híbridos sp(2) de los carbonos enlazados. Entre las propiedades más sobresalientes se encuentran que es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable, abundante, económico y conduce la electricidad mejor que ningún otro metal conocido, el Grafeno tiene muchas propiedades que no se habian encontrado antes en ningun otro material, en la actualidad el Grafeno tiene fascinados a científicos y a la industria debido a sus fantásticas propiedades.

Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen ruso Andre Geim (Sochi, 1958) y Konstantin Novoselov (Nizhny Tagil, 1974) recibieron elPremio Nobel de Física. Como ya apuntó entonces Andre Geim, las aplicaciones potenciales del grafeno son tantas que ni siquiera eran capaces de enumerarlas.

Este versátil material permitirá fabricar desde dispositivos electrónicos con pantallas flexibles y transparentes y baterías ultrarrápidas a potentes paneles solares, sin olvidar aplicaciones en aeronáutica, medicina y otros sectores que se investigan en la actualidad. Además, supone una base excelente para crear nuevos materiales a medida, en función de las necesidades específicas. Es decir, algo así como materiales a la carta.

El estudio de las propiedades del grafeno mantiene ocupados a una gran cantidad de científicos en todo el mundo, entre los que destacan las aportaciones de los físicos teóricos españoles.

En fase de desarrollo

Todos hablan de este material aunque pocos lo han visto. Y es que pese a sus prometedoras aplicaciones, todavía se encuentra en fase de desarrollo. El grafeno es una lámina extremadamente delgada compuesta de carbono (sólo tiene un átomo de grosor). El grafito del que se obtiene es el mismo que se extrae de las minas de carbón y se usa para fabricar lápices, frenos de coches o aceros, por lo que se trata de una materia prima muy abundante en la naturaleza. Para conseguir grafeno se puede partir del grafito natural (las minas españolas son ricas en este mineral) o del grafito sintético.

Sin embargo, el principal obstáculo en la actualidad es que aún no es posible fabricar grafeno a gran escala, según explica Jesús de la Fuente, director de la empresa española Graphenea Nanomaterials, una de las pocas compañías que de momento, producen este material. Avanzare y GranphNanotech son otras dos empresas españolas que trabajan con este material.

Existen varias formas de producir grafeno. La cinta adhesiva (exfoliación mecánica) fue el método que utilizó Geim para aislarlo por primera vez y puede servir para algunos experimentos, pero no es un método válido para la industria. Básicamente se comercializa de dos maneras: en formato lámina y en polvo.

Grafeno en lámina

Graphenea, con base en San Sebastián, es una de las tres principales productoras de grafeno en lámina a nivel mundial (sus dos principales competidores son estadounidenses): “Es el grafeno de alta pureza y el que reúne las mejores propiedades. Se emplea para fabricar electrodos de baterías, pantallas táctiles, células solares, electrónica digital y analógica de alta frecuencia o composites avanzados para aeronáutica”, explica De la Fuente en conversación telefónica.

Para producirlo no se utiliza grafito, sino gas metano, que se transforma mediante una tecnología denominada deposición química en fase vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD): “Es una de las grandes ventajas, pues no dependemos de ningún producto mineral”, señala.

“Se realiza en un reactor CVD donde se introduce un gas con carbono. Mediante la aplicación de energía se despositan los átomos de carbono sobre un substrato metálico. El siguiente paso es transferir la lámina de grafeno al substrato final que puede ser un polímero, vidrio, silicio u otros, dependiendo de la aplicación”, explica

El precio varía según los tamaños y las propiedades. En los últimos años ha caído ya a la mitad. Una lámina de grafeno cuesta entre 300 y 1.000 euros, una cifra muy asequible para el consumo de investigación pero elevada para otros usos. De la Fuente explica que esperan que el precio siga descendiendo progresivamente y, “a medio plazo (unos cinco años), sea más barato que el silicio, que en la actualidad cuesta alrededor de 50 euros”. “A medida que el mercado vaya avanzando el precio irá bajando. Prácticamente cuesta lo mismo producir una lámina que 100.000″, afirma.

Esta empresa suministra material a sus clientes desde el verano de 2011, tanto a centros de investigación como a grandes empresas. “El 99% de nuestra producción la vendemos en el extranjero, aunque en España hay una gran actividad de investigación. Las empresas ‘start-up’ están llevando a cabo algunas iniciativas mientras que las grandes empresas están a la espera”, explica.

Baterías mucho más duraderas

“El grafeno que vendemos se utiliza, sobre todo, para ensayos. Se está trabajando mucho en almacenamiento de energía. En ultracondensadores (para automóviles, trenes eléctricos y para mejorar el rendimiento de las líneas de distribución eléctrica) y en baterías. Se ha demostrado que con electrodos de grafeno se consiguen baterías diez veces más duraderas”.

De hecho, este material podría solucionar uno de las grandes desventajas de los teléfonos inteligentes, cuyas baterías apenas duran un día. Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas que las que llevan los teléfonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora).

Sin embargo, habrá que esperar algunos años para disfrutar de estas baterías. Según De la Fuente, Nokia (su principal cliente) no prevé comercializar dispositivos fabricados con grafeno hasta dentro de cinco años.

El grafeno también podrá usarse en televisores OLED (Organic LED), que estarán fabricados con materiales orgánicos y más sostenibles con el medio ambiente: “Ahora se utiliza como material tierras raras, como el indio, que tienen un impacto ambiental muy grande. Además su precio se ha multiplicado por diez”. La industria busca un sustituto más económico y sostenible, por lo que el grafeno se perfila como una de las alternativas.

Por lo que respecta a los paneles solares, De la Fuente explica que el objetivo es conseguir células de un 42% de eficacia (es decir, que conviertan en electricidad el 42% de la energía solar que reciben). Las que hay ahora en el mercado tienen una eficiencia de aproximadamente el 16%.

Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas y se cargan en mucho menos tiempo.

Grafeno en polvo

El grafeno en polvo se utiliza en aplicaciones que requieren un material más barato, como composite para construcción. Lo más frecuente es mezclarlo scon otros materiales. “El proceso de producción de grafeno en formato polvo básicamente parte del grafito como materia prima y consiste en realizar una oxidación violenta y un proceso de ultrasonificación para separar las pequeñas láminas de grafeno que componen el grafito”, explica Jesús de la Fuente.

Sus propiedades no son tan buenas como el grafeno en lámina y conduce peor la electricidad. La demanda de este producto, cuyo precio depende de su pureza, sigue siendo pequeña. El de baja calidad cuesta menos de 10 euros el gramo mientras que el de alta calidad ronda los 100 euros.

“Trabajamos también con equipos de alta competición de vela, que necesitan complementos para las fibras de carbono (el grafeno las mejora)”. También se han hecho algunos ensayos en laboratorio para incorporarlo a la construcción aunque De la Fuente ve difícil su uso en este sector ya que “hacen falta volúmenes muy grandes y precios baratos”.

Los científicos estudian también las posibles aplicaciones en medicina. Por ejemplo, para fabricar biosensores y detectar ADN. “También se especula con la posibilidad de producir implantes neuronales y regenerar tejidos nerviosos dañados”, señala De la Fuente, aunque advierte que, aunque estos avances médicos lleguen llegan a lograrse, tardarían años en aplicarse.

Por su parte, Elsa Prada, investigadora del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC, señala que el grafeno podría usarse también en biodispositivos, en envoltorios bactericidas de medicinas y alimentos y como parte de materiales compuestos más ligeros y resistentes (para aviones, coches, etc.).

Grafeno artificial

Pese a sus extraordinarias cualidades, el grafeno no es perfecto. Sin embargo, sí parece una base muy adecuada para desarrollar nuevos materiales inspirados en él y que incorporen nuevas ventajas. Es decir, algo así como un grafeno perfeccionado. Uno de los últimos desarrollos en esta línea es el llamado grafeno artificial, una investigación publicada recientemente en la revista ‘Nature’ y en la que participa el español Paco Guinea, uno de los mayores expertos en grafeno del mundo.

Junto a colegas estadounidenses de la Universidad de Stanford (California), el investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC) ha conseguido fabricar un material que, según explica a este diario, “permite manipular las propiedades más exóticas del grafeno con gran precisión”. El denominado grafeno artificial es un primer paso para sintetizar a gran escala materiales con propiedades cualitativamente similares al grafeno. “Se pueden estudiar propiedades que aún no se han observado en el grafeno real, por no tener la pureza necesaria”, señala a través de un correo electrónico.

Este nuevo material ha sido fabricado colocando y moviendo moléculas de óxido de carbono sobre una superficie de cobre, aunque según señala Guinea, “se pueden usar otros metales”. De momento, “el artificial es más costoso de producir que el otro grafeno”.

Antes de ver productos fabricados con grafeno, Guinea cree que será necesario que “se abaraten los costes”. El investigador espera “que la demostración de que se puede fabricar grafeno artificial lleve a que otros grupos contribuyan a mejorar las técnicas de producción”.

Inspirador de otros materiales

Entre los otros materiales bidimensionales que ha inspirado el grafeno, Elsa Prada destaca el fluorografeno (análogo bidimensional del teflón, con propiedades lubricantes y aislantes extraordinarias), el nitruro de boro hexagonal (aislante cristalino y transparente, de gran dureza, que combinado con el grafeno mejora sus propiedades electromecánicas), el disulfuro de molibdeno (otro cristal bidimensional con prometedoras propiedades para la construcción de una nueva clase de transistores) o el siliceno (versión del grafeno hecho de silicio. Tiene algunas propiedades en común con el grafeno, y como ventaja se podría integrar fácilmente con la electrónica actual basada en el silicio).

Prada, que ha trabajado con Konstantin Novoselov, uno de los descubridores del grafeno, destaca el alto nivel de la ciencia española en el estudio de este material: “El nodo español del proyecto Flagship de la UE es uno de los más activos, y promueve la investigación básica a la par que la transferencia de este conocimiento a la industria”, una labor que, si logra éxito, “supondrá una gran cantidad de fondos para la investigación y el desarrollo de la tecnología de grafeno en España”, añade Prada.

“En estos tiempos de crisis, nuestro país tiene que apostar por convertirse en productora (y no sólo consumidora) de soluciones y productos con potencial y demanda. En particular, el grafeno puedo brindarnos la posibilidad de ser líderes y exportadores a nivel mundial de una tecnología de futuro”, concluye.

Disco Duro de ADN

ADN: el disco duro del futuro

Un cromosoma humano. | Science Photo LibraryUn cromosoma humano. | Science Photo LibraryEl ADN podría convertirse en la materia prima de los discos duros del futuro. Un grupo de investigadores del Instituto Europeo de Bioinformática -perteneciente al Laboratorio Europeo de Biología Molecular- ha creado una forma económicamente viable para almacenar enormes cantidades de información informática en moléculas de ADN.

Menos de un solo gramo de ADN ha servido a los científicos para codificar los 154 sonetos de William Shakespeare, 26 segundos en formato mp3 del discurso de Martin Luther King en 1963 que hizo universal la frase “Yo tengo un sueño” (I have a dream, en el original), una fotografía en jpg, un pdf con la investigación en la que Watson y Crick describieron la doble hélice de ADN y por la que obtuvieron el Premio Nobel y el código utilizado por los investigadores para crear un lenguaje legible por cualquier genetista con las cuatro letras del código genético. Casi 800.000 bytes almacenados en una molécula de ADN fabricado en un laboratorio y más pequeña que una mota de polvo.

Pero el potencial de esta tecnología es muchísimo mayor. Los investigadores estiman que en un espacio menor que una tacita de café podrían almacenarse más de 100 millones de horas de vídeo en alta deficinión. El material genético que nos hace lo que somos a todos los seres vivos podría convertirse pronto en el mayor disco duro del mundo.

“El problema del amacenamiento es cada vez mayor en el campo de la Biología, en el que se generan cada vez más y más datos que necesitamos guardar y hacerlo consume espacio y energía”, explica a ELMUNDO.es Luis Serrano, director del Centro de Regulación Genómica de Barcelona. “Si han encontrado una manera de solventarlo con ADN será una gran noticia”, dice.

Denso, pequeño y ligero

“El ADN es muy denso, pequeño, ligero y no necesita ningún aporte de energía, así que es fácil de transportar y de almacenar“, explicó el martes el autor principal, Nick Goldman, en una teleconferencia con medios de información internacionales.

El trabajo, publicado hoy en la revista ‘Nature’, precisó de la creación deun lenguaje que permitiese codificar información en el ADNevitando los errores que suelen producirse en la síntesis y en la lectura de material genético cuando coincide dos veces seguidas la misma letra del código. Una vez logrado y codificada la información deseada, había que fabricar en un laboratorio la molécula de ADN.

Para ello, los investigadores contaron con el trabajo de la empresa californiana Agilent, una de las más punteras del mundo en técnicas genómicas. “Nos enviaron la información por correo electrónico y con ella sintetizamos cientos de miles de pedazos de ADN. El resultado es como una mota de polvo“, dijo Emily Leproust, de Agilent y coautora de la investigación.

“Nuestro trabajo demuestra que cualquier cosa que queramos almacenar, la podemos almacenar en ADN“, dijo Goldman. “Y la técnica está madura para usarse en archivos que no se consultan muy a menudo, como los de grandes corporaciones o incluso Gobiernos”.

Superconductividad

Propiedades y explicación

 

Resistencia nula

Durante el paso de la corriente eléctrica se producen pérdidas de energía porque los electrones que forman esta corriente sufren colisiones. A este fenómeno se le llama resistencia. La energía cinética de los electrones se pierde en forma de calor lo que se denomina efecto Joule. El efecto Joule es el mecanismo de funcionamiento de las planchas, tostadoras, estufas eléctricas, etc. 

Un superconductor no presenta resistencia al paso de corriente. Por lo tanto, un superconductor puede conducir corriente indefinidamente sin pérdida de energía aunque esté desenchufado. Esta es una propiedad muy sorprendente que no se entendió hasta que se propuso la teoría BCS.

 

Levitación

 

Hay dos tipos de superconductores según se comportan en presencia de un campo magnético:

  • Los superconductores de tipo I expulsan los campos magnéticos. Este fenómeno se denomina efecto Meissner. La expulsión del campo magnético se debe a la formación de corrientes superficiales en el superconductor que crean un campo magnético igual y opuesto al del imán. El efecto Meissner da lugar a repulsión entre un imán y un superconductor de forma que levitan uno sobre el otro. Si el campo magnético es suficientemente fuerte o la temperatura es alta se destruye la superconductividad y la levitación no ocurre.

 

Efecto Meissner: En este vídeo se muestra un imán con sus líneas de campo magnético situado encima de un material superconductor. A una temperatura alta, el superconductor es un conductor normal y permite que el campo magnético lo atraviese. Cuando bajamos la temperatura, el superconductor superconduce y expulsa el campo magnético del imán haciendo que levite.

  • Los superconductores de tipo II también presentan el efecto Meissner con campos magnéticos pequeños pero cuando el campo magnético supera una determinada magnitud permiten que el campo lo penetre parcialmente formando vórtices. Es decir, el superconductor en este caso atrapa parte del campo magnético. Estos vórtices están anclados en el superconductor. Cuando esto ocurre, el imán que está levitando encima del superconductor también está anclado y cuesta mucho separarlos. El fenómeno del anclaje de vórtices permite que podamos construir un tren superconductor que levite sobre una vía magnética sin descarrilar.

Vórtices vistos mediante STM por cortesía de la UAM. Tesis de Isabel Guillamón.

 

Explicación

 

Hicieron falta más de 40 años para comprender la superconductividad hasta que en 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer resolvieron el problema con la teoría de BCS. En esta teoría los electrones se aparean -pares de Cooper- antes de formar un estado colectivo cuántico o condensado. Uno de los grandes logros de la teoría BCS era explicar cómo era posible que los electrones formaran pares -el mecanismo o el pegamento- ya que en estado libre los electrones se repelen.  El pegamento resultó provenir de las vibraciones de los iones.

En el condensado los electrones adquieren la misma fase y actúan como una onda macroscópica. Una analogía para visualizar este estado sería imaginarse parejas (pares de Cooper) bailando al unísono como puedes ver en el siguiente vídeo:

Esta teoría resultó muy satisfactoria para explicar los superconductores conocidos hasta entonces pero no puede explicar los superconductores de alta temperatura crítica tales como los cupratos descubiertos en 1986 o los superconductores de hierro descubiertos en el 2008. Si bien en estos compuestos también el estado superconductor es un condensado de pares de Cooper, aún se desconoce el mecanismo de la superconductividad.

 

Temperatura

 

La temperatura juega un papel crucial en la comprensión de la superconductividad. En física estadística la temperatura es igual a la energía cinética media de las partículas, es decir mide la capacidad de movimiento de las partículas. Al bajar la temperatura las partículas y en particular los iones de un material se mueven cada vez más lentamente y se producen los cambios de fase de gas a líquido y de líquido a sólido.

El primer superconductor que descubrió Karmelingh Onnes estaba a una temperatura de -269ºC, cerca del cero absoluto, y fue posible gracias a que previamente consiguió la licuefacción del helio en 1908. Actualmente el récord en temperatura crítica está en la familia de los cupratos con -135ºC para lo que es suficiente enfriar con nitrógeno líquido cuyo punto de licuefacción es de -196ºC.