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La Coordinación de Física Teórica del Centro de Investigación en Energía, UNAM, tiene como misión generar conocimiento básico para la Investigación en Energía. Para cumplir con ello, los integrantes de la coordinación realizan y promueven la investigación básica interdisciplinaria entre las diferentes áreas de la física teórica, en particular la Termodinámica de Procesos Irreversibles, la Física Estadística y la Física del Estado Sólido.

Termodinámica de Procesos Irreversibles

Antes de detallar los tópicos expliquemos brevemente que es la termodinámica de procesos irreversibles. Consideremos un sistema macroscópico en equilibrio, digamos un litro de agua, donde existen unos cuantos atributos físicos (en nuestro caso la presión, el volumen y la temperatura) que no cambian con el tiempo. Los estados de equilibrio de dichos sistemas constituyen el objeto de estudio de la termodinámica clásica y un problema trascendental de esta disciplina consiste en encontrar las relaciones que los diversos atributos macroscópicos guardan entre sí en dichos estados de equilibrio. Sin embargo la mayoría de los fenómenos en la naturaleza dependen del tiempo y de manera espontánea solamente ocurren en una dirección (por ejemplo el envejecimiento de una persona) y éstos no pueden ser descritos mediante la termodinámica clásica. Cuando a un sistema, digamos nuestro vaso de agua, se le saca de su estado de equilibrio a través de una perturbación externa y luego dicha perturbación cesa, la tendencia natural del sistema es la de regresar al estado de equilibrio original. Otro ejemplo, si los extremos de un trozo de metal (inicialmente a la misma temperatura que el resto del material) se ponen en contacto con fuentes de calor a diferentes temperaturas y luego se retiran estas fuentes, habrá un flujo de calor que tienda a igualar la temperatura de todo el material y que depende tanto de la diferencia de temperaturas de las dos fuentes como de las propiedades del metal. Este flujo de calor constituye un proceso de transporte en el sistema que podemos caracterizar utilizando una propiedad del mismo, la conductividad térmica, que es un ejemplo de coeficiente de transporte. Otros coeficientes de transporte son el de difusión, la viscosidad, la conductividad eléctrica, etc. En estos últimos casos entra en juego la termodinámica de procesos irreversibles, una teoría aún en pleno desarrollo. En la coordinación se estudia la evolución espacio-temporal de sistemas físicos. La importancia de conocer dicha evolución en el contexto de los sistemas de producción y/o transferencia de energía radica en la posibilidad de optimizar los procesos involucrados reduciendo a un mínimo la energía disipada de acuerdo con las restricciones físicas. Los tópicos particulares que aborda la coordinación en esta área son: Estudios teóricos y experimentales sobre la optimización termodinámica de dispositivos energéticos como estufas, hornos y cocedores solares, concentradores solares, generadores magnetohidrodinámicos y mezcladores electromagnéticos. Asimismo, se han estudiado las posibilidades de incrementar la transferencia de energía, masa y cantidad de movimiento en sistemas fluidos a través de oscilaciones y uso de fluidos viscoelásticos.

Física Estadísitica

Por otra parte, si consideramos el mismo litro de agua en equilibrio que antes, pero ahora tomamos en cuenta su naturaleza microscópica, quizás nos parezca sorprendente que en la escuela nos enseñan que basta con la presión la temperatura y el volumen de esta cantidad de agua para describir muchos de los fenómenos que pueden observarse en él, cuando en realidad este litro de agua está constituido por muchísimos átomos (del orden de 10^25) y todos ellos moviéndose e interactuando. El secreto radica en que todas las fluctuaciones y variaciones atómicas ocurren extremadamente rápido y en escalas de longitud muy pequeñas de forma que al realizar una medición es muy probable que en promedio dichas variaciones o fluctuaciones no se observen. Así, solamente se podrán observar macroscópicamente combinaciones particulares de variables atómicas que resulten esencialmente independientes del tiempo. Y de hecho, más que desear conocer en detalle los cambios que experimenta cada uno de los átomos, interesa entender el comportamiento promedio de todo el sistema a partir del tipo de interacción entre sus átomos. Así, mientras la Termodinámica relaciona propiedades macroscópicas del sistema entre sí, la Física Estadística de equilibrio proporciona la conexión entre estas propiedades macroscópicas y la descripción microscópica a partir de las ecuaciones que describen el movimiento de las partículas que constituyen el sistema. En el caso de estados alejados del equilibrio, aunque ésta es más complicada, la formulación microscópica sigue en general pautas similares y también se encuentra en pleno desarrollo. Los tópicos particulares que se abordan en la coordianción son: desarrollo de técnicas para predecir las propiedades termodinámicas y de transporte de sistemas moleculares, de un componente o mezclas, que interactúan con potenciales centrales, simulación del tránsito vehicular usando autómatas celulares, desarrollo de algorítmos y programas de simulación para sistemas moleculares en estado líquido y sólido, estudios mediante dinámica molecular y dinámica Browniana de los fluidos de Esferas Duras y de Lennard-Jones a alta densidad para estudiar la transición líqudo-sólido, entre otros.

Estado Sólido

Otra rama de la física que se cultiva en esta Coordinación es la Física del Estado Sólido. Si bien la termodinámica de procesos irreversibles y la física estadística abordan la descripción del estado sólido, esta última tiene algunas peculiaridades como el que considera la mecánica cuántica como la herramienta fundamental en la descripción de los fenómenos de interacción entre la materia y la radiación electromagnética. Un ejemplo de los problemas que abordamos con esta perspectiva son los llamados cristales fotónicos donde una estructura compuesta por dos materiales con índice de refracción diferente puede ser diseñada de tal forma que conduzca la luz en trayectorias diferentes a la línea recta. Para describir estos fenómenos se observa que las ecuaciones de la electrodinámica son operadores autoadjuntos que bajo ciertas condiciones presentan bandas prohibidas. La exisencia de estas bandas prohibidas son las que originan que la luz pueda ser conducida a través de estos cristales fotónicos. En particular estudiamos las propiedades ópticas de las nanoestructuras de silicio poroso y los efectos de desorden en ellas, enfatizando los aspectos teóricos y experimentales de los diferentes efectos ópticos relacionados con la presencia del desorden natural en multicapas de silicio poroso. Estas estructuras formadas con multicapas de diferentes porosidades pueden ser muy útiles en aplicaciones ópticas, como filtros, espejos, microcavidades. Uno de los problemas abiertos en este tema radica en la descripción de las pérdidas en la reflectancia y transmitancia que no son debidas a absorción y que posiblemente se deban a efectos de la dispersión de Rayleigh y localización de fotones. Otro problema relevante que se estudia consiste en la descripción de la condensación de polaritones en microcavidades semiconductoras. Los polaritones son las partículas que representan los estados acoplados de luz con la materia (concretamente estas partículas son estados acoplados de fotones y exitones en semiconductores). Desde el punto de vista de las estadísticas cuánticas los polaritones son bosones y por lo tanto pueden presentar condensación de Bose-Einstein, cuando un número macroscópico de polaritones ocupan el mismo estado cuántico. El efecto de condensación de polaritones es la base de un nuevo tipo de láser, el láser polaritónico, con propiedades físicas muy interesantes.