Levitación magnética dirigida por láser de un disco de grafito

Desde hace más de un siglo somos capaces de vencer la gravedad y volar gracias a la eficiencia aerodinámica de nuestros aviones. Hoy en día también somos capaces de flotar en el aire haciendo uso de la rama de la física que levanta más fascinación: el magnetismo. La levitación magnética o maglev consiste en anular la fuerza gravitatoria que tira de los objetos hacia el centro de la Tierra mediante campos magnéticos intensos. Y tal y como dictan las leyes de Newton, si las dos fuerzas se compensan el objeto quedará suspendido en el aire de forma estable. Desde hace años existen aplicaciones comerciales a la levitación magnética, aunque se centran principalmente en los trenes de alta velocidad. Aún así, la tecnología que nos permite viajar a más de 500 km/h cómodamente sentados en el interior de un tren lleva presente muchos más años de lo que puede parecer.

Las primeras patentes sobre el uso del electromagnetismo para la propulsión de trenes data de la primera década de 1900, aunque la investigación y el desarrollo continuaron durante toda la primera mitad del siglo hasta que en la Exhibición Internacional de Transporte de Hamburgo de 1979 se estrenó el primer tren de levitación magnético apto para el transporte de viajeros. Desde entonces la levitación magnética ha seguido su camino y nos ha permitido hacer cosas fabulosas, siendo quizá la más llamativa el hacer levitar seres vivos tal y como hizo Andre Geim para ganar el premio Ig Nobel en el 2000, 10 años antes de compartir el premio Nobel de física con Konstantin Novoselov por sus trabajos con el grafeno.

El papel del diamagnetismo

La levitación magnética de ranas vivas que consiguió Geim tiene mucho que ver con el artículo científico publicado hace menos de un mes a la que hace referencia el título de este post. En él, los científicos Masayuki Kobayashi y Jiro Abe describen la levitación magnética controlada por láser de un pequeño disco de grafito. ¿Y qué tiene de especial el grafito? Pues sencillamente que es un material diamagnético, al igual que las ranas de Geim, y muchos otros materiales presentes en la naturaleza.

El diamagnetismo se trata de un estado magnético de la materia que da lugar a la repulsión de los campos magnéticos. Es decir, cuando el grafito siente la presencia de un campo magnético, sus átomos se disponen de tal manera que tratan de contrarrestar dicho campo. Por lo general esta respuesta es inapreciablemente pequeña, pero si el campo magnético es lo suficientemente intenso la respuesta se hace visible y se produce la levitación magnética. Si comparamos este comportamiento con, por ejemplo, el hierro que pertenece al grupo de materiales llamados ferromagnéticos encontramos claras diferencias. Estos materiales al estar en presencia de un campo magnético tratan de alinear todos sus átomos con el campo, dando lugar una respuesta claramente visible: la imanación.

En física tenemos siempre una propiedad que nos describe un comportamiento, y en este caso es la susceptibilidad magnética la que nos dice cómo va a reaccionar un material en presencia de un campo magnético. Según su valor podemos clasificar los materiales en tres grandes grupos:

• Si la susceptibilidad magnética es positiva y pequeña estamos ante un material paramagnético, como el aluminio.
• Si la susceptibilidad magnética es positiva y muy grande estamos ante un material ferromagnetico, como el hierro.
• Si la susceptibilidad magnética es negativa estamos ante un material diamagnético, como el grafito.

Visto de otra forma y a modo de resumen: un material paramagnético dentro de un campo magnético mostrará una pequeña imanación, uno ferromagnético dará una imanación muy grande, y un diamagnético repelerá dicho campo. Como ya sabéis, en este último caso está la base de la levitación magnética.

¿Puede la luz causar movimiento?

Volviendo a la levitación del grafito, el siguiente vídeo nos ayudará mejor a entender el experimento:

Como veis, el disco de grafito puede moverse sobre una cama de imanes de NbFeB o rotar sobre sí mismo sin más ayuda que un láser o la luz solar. ¿Cómo es posible que la luz pueda ser la causa de este movimiento? La respuesta, en este caso, se encuentra en una propiedad conocida como efecto fototérmico.

Como bien sabemos de la vida cotidiana, si dejamos al sol un objeto éste se calentará debido a la energía de la luz solar. Lo mismo ocurre con la luz de un láser: al incidir sobre un cuerpo hará que se modifique su temperatura. El haz del láser, al ser más pequeño que el diámetro del disco va a hacer que la temperatura cambie únicamente en la zona donde indice directamente, lo que provocará una variación en la distribución de temperatura. Es decir: el disco ya no va a estar a una temperatura constante y homogénea, sino que habrá zonas a mayor temperatura. Esto causa que la susceptibilidad magnética que comentamos más arriba también varíe.

A) Disposición experimental del equipo de medida. B) Relación entre la altura de levitación (curva roja) y la susceptibilidad magnética (curva azul) con la temperatura.

En la gráfica superior tenemos representado claramente este comportamiento. A mayor temperatura, mayor susceptibilidad; lo que da menor repulsión y por tanto menor altura de levitación. Este fenómeno es el responsable de que el borde donde incide el haz el disco se incline ligeramente. Una vez que el disco se inclina el movimiento se produce de forma natural ya que este desequilibrio causa inestabilidad en el disco: la fuerza magnética es mayor en un borde que en el otro. Dicho de una forma muy visual y simple: el disco trata de que el haz incida siempre sobre su centro, en lugar de sobre un borde, porque esta es la forma de llegar de nuevo al equilibrio magnético, y por tanto se desplaza “siguiendo” al láser.

La explicación es análoga para el sistema rotatorio, con la única diferencia de que al tener solo una pila de imanes en la vertical, el campo magnético está restringido al eje y el disco no puede desplazarse, solo girar.

Posibles aplicaciones

Las aplicaciones prácticas de una investigación científica siempre son difíciles de imaginar. Según los datos del artículo, la velocidad máxima estimada en el experimento para el desplazamiento del disco de grafito es de unos 45 mm/s, mientras que en la rotación a la luz del Sol se alcanzaron las 200 revoluciones por minuto. Estos números están lejos de valores que puedan ser útiles para la fabricación o construcción de algún equipo o máquina que pueda repercutir en algo en la sociedad. Sin embargo, lo que está claro es que se ha desarrollado el primer sistema de control en tiempo real de un dispositivo de levitación magnética. Esto puede abrir las puertas a actuadores que controlen, gracias al efecto fototérmico, en tiempo real y en las tres dimensiones del espacio la levitación de un material diamagnético para llevar a cabo alguna tarea, o incluso como medios de transporte.

Además, es muy esperanzador ese valor de 200 revoluciones por minuto bajo la luz del Sol. Mejorar estos números y aumentar el número de discos de grafito puede ser el día de mañana una buena opción para generar energía ya que convierten de una forma simple y limpia la energía luminosa en rotacional. Los investigadores son optimistas en este sentido, y es posible es que su uso como sistema de conversión de energía no esté lejos en el tiempo. Ojalá sea así.

Y a vosotros, ¿se os ocurre alguna posible aplicación más?

A) Esquema de cómo se desplaza el disco con el ‘guiado’ del láser. B) Tomas fotográficas del desplazamiento real desde 0 a 1,5 segundos.

Bibliografía

• Artículo original: M. Kobayashi, J. Abe. Optical Motion Control of Maglev Graphite. DOI: 10.1021/ja310365k.
• Me enteré leyendo: Magnetically levitated vehicles could soon be powered by light, en The Verge.

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