domingo, 31 de octubre de 2010

Copos de nieve

El estudio de los copos de nieve y las espectaculares imágenes conseguidas como fruto de su investigación han hecho al físico estadounidense Kenneth Libbrecht merecedor del premio Lennart Nilsson , dotado con 100.000 coronas suecas (10.600 euros).

Libbrecht es catedrático de Física y director del Departamento de Física en Caltech (Pasadena, California). Nacido en 1958, trabaja en el observatorio LIGO para la detección de ondas gravitacionales en el espacio y en la física del crecimiento de cristales. Ha conseguido hacer crecer cristales de hielo a partir de vapor de agua en condiciones controladas para crear copos de nieve sintéticos.

El astrónomo y matemático Johannes Kepler descubrió a principios del siglo XVII que todos los copos de nieve son hexagonales y que cada cristal tiene una forma única.

Libbrecht intenta comprender cómo se producen estas formas midiendo de forma precisa los cristales de nieve en su laboratorio. Su objetivo es descubrir los mecanismos físicos que influyen en la formación de los copos. La temperatura y las cargas eléctricas afectan a la dinámica molecular en el crecimiento del cristal. Además, Libbrecht hace artísticas fotografías de los copos de nieves naturales y sintéticos, que han alcanzado gran popularidad. También tiene una web sobre la nieve y el hielo y ha publicado siete libros sobre el arte y la ciencia de los copos de nieve.

Las roscas en la vida cotidiana

Los primeros antecedentes de la utilización de roscas se remontan al tornillo de Arquímedes, desarrollado alrededor del año 300 a. C., empleándose ya en aquella época ampliamente en el valle del Nilo para la elevación de agua.

Rosca cuadrada de un frasco de plástico.

Durante el Renacimiento las roscas comienzan a emplearse como elementos de fijación en relojes, máquinas de guerra y en otras construcciones mecánicas. Leonardo da Vinci desarrolla por entonces métodos para el tallado de roscas, sin embargo, éstas siguieron fabricándose a mano y sin ninguna clase de normalización hasta bien entrada la Revolución industrial.

En nuestra casa tenemos roscas y tornillos en todo tipo de artilugios y máquinas, pero no sólo en ellos. En multitud de envases de líquidos los tapones se ajustan a rosca. Los bolígrafos también acostumbran a montarse con piezas roscadas.

Rosca redondeada de una botella de vidrio con tapón de aluminio.

Rosca triangular de una botella de agua.

Rosca triangular de un recipiente de jabón líquido.

Rosca triangular de un tubo de pasta dentífrica.

Otra rosca triangular de tubo de pasta dentífrica.

Tornillo de plástico que acciona el mecanismo de una barra desodorante.

Rosca redondeada del tapón de un líquido para enjuagues bucales.

Rosca trapezoidal en un bote de vidrio para legumbre cocida. Se abre y se cierra con un cuarto de vuelta.

Rosca redondeada de una botella de aceite de plástico con el tapón de aluminio.

Piezas de bolígrafo.

Piezas de pluma estilográfica.

Perfiles de roscas normalizadas.

sábado, 30 de octubre de 2010

Fabricación de circuitos integrados a partir de arena

Cerca de un 25% (En peso) de la corteza terrestre es de silicio. Es el elemento más abundante después del oxígeno. La arena, sobre todo de cuarzo, tiene un alto porcentaje de silicio en forma de dióxido de silicio (SiO2) y es el ingrediente base para la fabricación de semiconductores.

El silicio se va separando, del resto de elementos que lo acompañan en la naturaleza, en un proceso que incluye múltiples pasos, para llegar al grado de pureza necesario para la fabricación de semiconductores, lo que se conoce como silicio de grado electrónico. Este silicio de grado electrónico puede tener tan sólo un átomo de otro elemento, por cada mil millones de átomos de silicio. En la imagen siguiente se puede ver como se "cultiva" un gran monocristal a partir del silicio purificado fundido. El resultado es un lingote de forma cilíndrica.

Estos lingotes acostumbran a tener un peso de unos 100 kilogramos, 300 mm de diámetro y una pureza del 99,9999 %.

Para producir la base de los circuitos integrados, el lingote se corta en discos de silicio individuales llamados obleas.

Las obleas se pulen por medios físicos hasta que las superficies son tan lisas que tienen el brillo de un espejo. La empresa Intel compra estas obleas a compañías especializadas en su fabricación. La tecnología High-K/Metal Gate de 45 nm utilizada por Intel utiliza obleas con un diámetro de 300 milímetros. Cuando Intel comenzó la fabricación de chips, construía circuitos integrados en obleas de 50 mm de diámetro. El uso de obleas de 300 mm comporta unos menores costes por cada chip.

Sobre la superficie de la oblea se vierte un líquido (Representado de color azul), mientras que se le hace girar, para que se distribuya uniformemente, formando una capa muy delgada y resistente. Se trata de un material fotosensible similar al que recubre los papeles de la fotografía clásica.

La exposición fotográfica de la película de la oblea se realiza con rayos ultravioletas. La reacción química que se desencadena en ese momento es similar a lo que sucede en el material de la película en una cámara de cine en el momento de presionar el botón de filmación. Las zonas de la superficie fotosensible de la oblea expuestas a la luz ultravioleta se convierten en solubles. La exposición se realiza a través de máscaras que actúan como plantillas, reservando algunas zonas de la oblea de la acción de los rayos ultravioletas. Se han de utilizar diferentes máscaras para cada capa del circuito integrado. Una lente (Visible en el centro) reduce la imagen de la máscara. De esta forma el espacio expuesto (Impreso) sobre la oblea es unas cuatro veces más pequeño que el de la máscara.

Por lo general de una sola oblea se obtienen cientos de microprocesadores. Cada uno de estos microprocesadores (U otros circuitos integrados) están formados por muchos (Miles y millones en algunos casos) transistores. A continuación se puede ver de que manera se fabrican estos transistores, que tienen unas dimensiones de entre 50 y 200 nm. Cada uno de estos transistores actúa como un interruptor, controlando el flujo de corriente eléctrica dentro del circuito integrado. Los investigadores de Intel han desarrollado transistores tan pequeños, que podrían caber cerca de 30 millones de ellos en la cabeza de un alfiler.

Una vez expuesta la oblea a la luz ultravioleta, se retira la capa fotosensible, mediante disolventes de las zonas expuestas a la luz. Al final del proceso, sobre la superfice de la oblea queda un dibujo similar al de la máscara.

Mediante productos químicos se profundiza el dibujo hecho en la capa fotosensible, de forma que se graba esta misma forma sobre la oblea de silicio.

Una vez grabada la oblea de silicio se retira el resto de la capa fotosensible.

A continuación se coloca una capa fotoresistente en algunas zonas del futuro transistor (Aquí representada en color azul). Esta capa fotorresistente impide que en la zona cubierta por ella puedan penetrar los iones del siguiente paso del proceso.

A continuación en un proceso de implantación de iones (También conocido como dopaje), las zonas expuestas de la oblea de silicio son bombardeadas con diferentes elementos químicos en forma de iones. Los iones son implantados en la oblea de silicio para modificar la forma en que el silicio conduce la electricidad, lo transforma en un semiconsuctor. Los iones se lanzan sobre la superficie de la oblea a una velocidad muy alta. Un campo eléctrico acelera los iones hasta una velocidad de más de 300.000 km/h.

Después de la implantación de los iones, en el proceso de dopaje, se retira el material fotorresistente. Las zonas semiconductoras se muestran de color verde con unas inclusiones de otros materiales.

Este transistor está ya casi terminado. Se han dejado tres agujeros en la capa de aislamiento (De color magenta) situada por encima del transistor. Estos tres agujeros se llenarán con el cobre necesario para las conexiones con otros transistores.

Las obleas se colocan en una solución de sulfato de cobre. Los iones de cobre se depositan sobre el transistor a través de un proceso de galvanoplastia. Los iones de cobre van desde el polo positivo (Barra de cobre) al polo negativo, que está formado por la oblea.

En la superficie de la oblea los iones de cobre se han asentado formando una capa delgada.

Posteriormente, el exceso de material se retira por un proceso de pulimento.

A continuación se crean múltiples capas de metal para la interconexión entre los diversos transistores. El diseño de este cableado depende de las funciones que haya de tener el circuito integrado o el microprocesador (Como en el caso del microprocesador Intel Core i7). Mientras que a simple vista el aspecto de la superficie del microprocesador de un ordenador tiene una aspecto muy plano, en realidad puede tener más de 20 capas para formar circuitos complejos. Si pudieramos ver una vista ampliada de un chip, veríamos una intrincada red de líneas de circuitos y transistores más parecido a un sistema futurista de carreteras de varias capas. En la imagen siguiente se vería el espacio correspondiente a unos 6 transistores (500 nm).

Cada una de las porciones de la oblea que se utilizará para la fabricación de un circuito integrado (En este caso microprocesador), de unos 10 mm de lado, se somete a una prueba de funcionamiento. En este proceso las puntas de prueba proporcionan la tensión necesaria y miden la respuesta del conjunto de transistores.

Una vez probados, la oblea se corta en trozos. Cada uno de ellos formará parte de un microprocesador.

Los trozos de oblea que dieron buen resultado en la prueba anterior se pasan al encapsulado.

A continuación se puede ver el trozo de oblea correspondiente a un microprocesador Intel Core i7.

A continuación se unen la base con los conectores, el trozo de oblea y la tapa disipadora de calor, para formar un procesador completo (20 mm).

Ya se ha completado el procesador (Intel Core i7 en este caso). Un microprocesador es el producto más complejo que se pueda fabricar. Se necesitan cientos de pasos para ello.

En la prueba final se evalúan sus características principales, entre ellas la disipación de calor y la velocidad de proceso.

Una vez probados se colocan en bandejas.

viernes, 29 de octubre de 2010

Empalmes en los cables de alta tensión

El 10 de octubre estaba paseando entre Betlan y Vilac en el Valle de Arán. Entre el paisaje boscoso discurre una linea de alta tensión. Nunca me había fijado en los empalmes que existen en este tipo de cables. Desde la distancia parecen manguitos que abrazan los dos extremos de los cables.

Esta típica torre de alta tensión está construida con perfiles de hierro galvanizado de sección angular, unidos con tornillos. Sostiene 6 cables (3 fases) que transportan corriente y el cable pararrayos superior, que impide que las descargas atmosféricas vayan a parar a los otros 6 cables, que están en un nivel inferior.

Cada cable esta sujeto por un aislador de 7 discos de cerámica. El triángulo que soporta el aislador del cable lleva unidos tres tirantes redondos que impiden que gire hacia abajo.

El cable pararrayos está unido a la estructura metálica de la torre y también a tierra y formando un conductor continuo, a través de toda la línea.

Aunque se aprecia mal en la fotografía, está remarcada con una línea roja la zona en la que está unido el cable.

El mánguito de empalme tiene una longitud considerable.

La empresa argentina DREVNIAK vende este tipo de manguitos de unión.