Tecnología

De Atapuerca a Tattoine

Atapuerca

Primeros métodos ópticos

En este post se pretende hacer una revisión de los métodos de almacenamiento ópticos, desde el archiconocido CD hasta el Blu-ray, y se intentará explicar porqué es necesario un cambio en el paradigma y la aparición del almacenamiento holográfico de información.

Desde las primera pinturas en los muros de las cuevas, el hombre ha usado un sin fin de métodos ópticos para almacenar y distribuir la información, para esta función los medios ópticos de almacenamiento se han mostrado siempre muy versátiles.

Los primeros sistemas se leían a simple vista, sin utilizar ningún dispositivo. En el afán de reducir el tamaño y aumentar la densidad de información, se empezarón a utilizar sistemas más complejos, como la microfilmación, este sistema ya necesita de un sistema óptico que sea capaz de aumentar el tamaño de las distintas páginas almacenadas para su correcta visualización.

Pero cuando hablamos de almacenamiento óptico de información, todos pensamos en el incombustible CD (Compact Disc) o DVD (Digital Versatile Disc). Estos métodos, como sus sucesores (si se pueden llamar sucesores a las pinturas de Atapuerca ;-)), se basan en el mismo principio, es decir, imprimir unas marcas legibles sobre una superficie, evidentemente para leer estás marcas, ya no es posible utilizar solo la vista, no solo por su reducido tamaño, si no por la codificación digital utilizada.

El almacenamiento clásico de información utilizado en CD, DVD y Blu-ray se basa en la impresión de unas pequeñas marcas sobre una superficie que refleje la luz, normalmente aluminio, de esta forma podemos codificar el 1 y el 0 digital como presencia o ausencia de este reflejo.

La disminución del tamaño de las marcas, y una comparativa de las longitudes de onda utilizadas se puede ver en el siguiente gráfico:

Fuente Wikipedia

Como vemos conforme aumenta la capacidad del dispositivo disminuye la longitud de onda, vemos que hemos pasado de una longitud de onda de 780nm en el CD que está en el infrarrojo cercano, a una longitud de onda de 405nm que corresponde a un color azul (si, ya lo sé, no se rompieron mucho la cabeza para ponerle el nombre el Blu-ray).

Lo más interesante, es que hemos pasado de un tamaño de la marca de 700nm de diámetro a una marca de solo unos 130nm de diámetro, con lo que podemos almacenar muchos más datos en la misma superficie.

Pero, Houston  tenemos un problema (siempre he querido decir esto, y no veía la ocasión), el tamaño mínimo del haz láser tiene un límite y este viene dado por algo llamado apertura numérica y por la longitud de onda.

La apertura numérica nos relaciona el tamaño de la lente y su potencia focal, es decir, la distancia de la lente hasta el punto donde el haz se hace más pequeño. Si disminuimos la longitud de onda y aumentamos la apertura numérica disminuiremos el tamaño mínimo del haz láser, pero el problema es que para aumentar la longitud de onda ya entramos en el rango del Ultra Violeta, y en este rango es más difícil conseguir lentes con gran apertura numérica, con lo que en este sentido hemos alcanzado lo que se llama el criterio de resolución de Rayleigh que marca el límite en el que podemos distinguir dos imágenes, en nuestro caso dos marcas, como separadas o distintas. Con lo que hemos llegado donde íbamos, esta tecnología ha llegado a lo máximo que puede ofrecer.

La capacidad de almacenamiento de un disco Blu-ray está en 25GB para una capa 50GB para dos capas, y hasta 128 GB para 4 capas, pero el aumento de capas tiene un gran problema usando la tecnología de reflexión, ya que dismimuye mucho la relación señal ruido, es decir, la capacidad que tenemos para leer con confianza dichos datos, hay intentos para aumentar el número de capas utilizando materiales fluorescentes, que permiten aumentar el número de capas y la relación señal ruido.

Estos métodos ya no utilizan material reflectante, si no que excitan el material fluorescente, y es este, y la capacidad de filtrado y detección de este tipo de luz con la que leeríamos los datos, con esta tecnología prometen hasta ¡1 PetaByte! de información en un disco del tamaño de un CD, aunque algo más “gordico” para poder albergar hasta 2000 capas de material.

Pero, ¿Hay otra solución?:

Sí, la holografía viene al rescate:

La idea de holografía que hay en el subconsciente Freak

Holografía en Google

Efectivamente, si realizas una búsqueda de “Holografía” en Google, aparecen 3 imágenes de Star Wars, por cada una de Dennis Gabor, que fue premio Nobel de Física en 1971 por su descubrimiento o conceptualización de la holografía allá por el año 1947.

El amigo Dennis Gabor, explicando como funciona esto de la holografía

Gabor fue inspirado por la microscopia de Rayos X desarrollada por Bragg, e intento utilizar una técnica similar, para mejorar la resolución del microscopio electrónico, si bien, la holografía no solucionó dicho problema, si que fue creado el concepto, que en los años ’60 de la mano de Leith y Upatnieks y de la aparición en escena del Láser hizo prosperar la metodología para el almacenamiento y reproducción de hologramas.

La ventaja introducida por la Holografía proviene de la posibilidad de almacenar información en todo el volumen del disco. (se aprovecha todo el volumen del disco y no solo la superficie)

Para formar un holograma se hace incidir sobre el material de registro, un haz con la información, normalmente una imagen con los datos que queremos almacenar, y un haz de referencia que será el que cree el patrón de interferencia que se almacena.

En el esquema de la siguiente figura, se ve como se hace pasar el haz objeto a través de un dispositivo llamado SLM (Spatial Light Modulator, Modulador Espacial de Luz), que es el encargado de introducir los cambios en la fase o la amplitud del haz objeto, para codificar la información que queremos almacenar. El Haz de Referencia es el que se utiliza para hacer interferir los dos haces y producir el patrón de interferencias que se almacenará en el material de registro.

Estos dos haces tendrán que provenir de la misma fuente para que produzcan la interferencia de la que hablamos, por eso aparece en el esquema un divisor de haz que genera los dos haces a partir del original.

Funcionamiento durante la grabación

Funcionamiento durante la grabación

Podemos  observar en el esquema que el haz de referencia incide en un ángulo con respecto al haz objeto, este ángulo es muy importante, ya que podremos grabar distintos hologramas, es decir, grabaremos información distinta en el mismo espacio físico, y después solamente tendremos que incidir con el ángulo adecuado para acceder a dicha información.

Este es el esquema básico que se utilizaría para almacenar la información en el disco, por medio de la variación del ángulo podemos llegar a tener en el mismo espacio hasta cien hologramas, o páginas de datos distintas con lo que la densidad de almacenamiento de este tipo de dispositivo es del orden de 300Gb a 1Tb en un disco del tamaño de un CD. O al menos eso es lo que ofrece InPhase, firma que ya está comercializando este tipo de almacenamiento, y que se creó como una Spin-Off de Laboratorios Bell.

Para acceder a la información, bastará con iluminar el disco con el holograma almacenado, pero esta vez solo con el haz de referencia, como se observa en el siguiente esquema:

Funcionamiento durante la lectura

Funcionamiento durante la lectura

Del modo de funcionamiento es fácil ver, que a la hora de leer, se leen páginas de datos enteras, con lo que tenemos un gran paralelismo y una alta transferencia de datos, al no leerse estos de manera secuencial.

Este tipo de almacenamiento también ofrece otras ventajas, como es la capacidad de búsqueda en paralelo.

Esquemas de grabación busqueda y reconstrucción

Grabación, Busqueda y reconstrucción

Como se ha comentado, en un mismo espacio físico se almacenan distintos bloques de datos (paginas), pues bien, si en vez de utilizar el haz de referencia con el ángulo de incidencia adecuado para acceder a una página en concreto, iluminamos el bloque de datos con un haz objeto que contenga la información a buscar, lo que se produce es una refracción de este haz en el ángulo concreto donde está almacenada dicha información, es decir, automáticamente podremos conocer la página concreta donde está almacenada la información, en el esquema anterior se resume los esquemas de grabación (a), lectura o reconstrucción (c) y esquema de busqueda (b).

Este post participa en la IX Edición del Carnaval de Tecnología acogido por Ununcuadio en Pero eso es otra historia y debe ser contada en otra ocasión.

Referencias:

Kevin Curtis, Lisa Dhar, Adiran Lill, William Wilson, Mark Ayres; Holographic Data Storage: From Theory to Practical Systems. Ed. Wiley

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Electrónica Orgánica

Este post participa en el la 1ª Edición del Carnaval de Tecnología albergado por lavacaesférica.

En este post trataré de hacer una pequeña introducción a la electrónica orgánica, su historia, su presente y su futuro.

Nuestra vida cambió radicalmente un día antes de la nochebuena de 1947, seguramente los responsables no lo sabían pero el cambio y el invento tecnológico que marcó el devenir de la historia se creó en los laboratorios Bell, con la creación del transistor, pero ¿de verdad en electrónica no ha habido nada después?

¿Seguimos cumpliendo la Ley de Moore?, ¿Podremos seguir cumpliendo la Ley de Moore durante muchos años más?

La electrónica que usamos actualmente está basada principalmente en el Silicio (Si) que es un compuesto inorgánico, tremendamente abundante en nuestro planeta, pero se está investigando con nuevos materiales orgánicos, es decir con base de Carbono (C), si quieres saber un poquito más continua leyendo.

Antes de hablar de la electrónica orgánica, me gustaría presentar algunos conceptos que se usan y aplican en la electrónica “tradicional”, (si se puede llamar tradicional a algo que se inventó en 1947)

Electrónica “Tradicional”

Estaríamos hablando de conceptos usados en el transistor, invento que otorgó el premio nobel de Física en 1956 a sus descubridores John BardeenWalter Houser Brattain yWilliam Bradford Shockley. Este hecho, en mi modesta opinión, revolucionó en todos los aspectos la tecnología, y a su vez revolucionó nuestra forma de vivir.

El concepto que quería introducir es el de la unión p-n, que es la unión de dos cristales semiconductores, generalmente de Silico (Si).

El Si es un material con valencia 4, es decir tiene 4 electrones libres para formar enlaces con los átomos vecinos

Malla de Silicio

Origen WikiPedia

Como se puede observar en la imagen, esos 4 electrones de valencia, que serían los que en un átomo solitario podrían contribuir a la conducción eléctrica, están formando enlaces covalentes con sus vecinos.

En la forma pura del Silicio, la conducción se verá limitada a los electrones que queden libres por la rotura de estos enlaces debido a la agitación térmica, es decir que el Silicio puro es un mal conductor de la electricidad.

En la unión p-n lo que se hace es dopar el Sicilio con una impureza trivalente (tipo P), como el Boro (B), de forma que se crea un enlace covalente defectuoso (le faltaría un electrón) creando lo que se llama un hueco (h+), que no es más que ese enlace covalente defectuoso. Este hueco tendrá la posibilidad de saltar de una parte de la red cristalina a otra, en el Silicio tipo N, la impureza que se utiliza es una impureza pentavalente como el fósforo (P), lo que deja un electrón libre después de formar los 4 enlaces covalentes con los átomos vecinos. Ee esta forma se aumenta la conducción del Si.

Hasta ahora, lo único que hemos hecho es variar la conductividad (capacidad de conducir corriente eléctrica) de un semiconductor, añadiendo cargas libres (tipo N) o añadiendo enlaces defectuosos (tipo P).

Cuando juntamos dos semiconductores con distinto tipo de dopaje se crea una zona de carga espacial, es decir, los electrones libres cubren los enlaces defectuosos de la zona adyacente, dejando al nucleo de fósforo como carga positiva fija en la red, y al otro lado se quedan cargas negativas en los nucleos de los átomos, lo que genera un campo electrico contrario a esta difusión de cargas. (Siguiente figura)

Zona de vaciamiento, o de carga espacial

Las propiedades de esta unión es lo que permite que tengamos dispositivos como los diodos (que son una simple unión p-n). Los diodos solo permiten la circulación de corriente en un sentido, cortando la corriente en el sentido contrario.

Los transistores, que nos permiten controlar el paso de corriente de un extremo a otro con una corriente relativamente pequeña, están formados por dos uniones seguidas p-n-p o n-p-n.

Hasta aquí no se ha descrito nada nuevo, se ha hablado de los conceptos de la electrónica básicos, que estarán más extendidos, y que ahora nos permitirá relacionarlo con lo que se conoce como electrónica orgánica.

Hay muchos conceptos de los que, por cuestiones de espacio, (y para no aburrir al personal), no se han hablado pero que se pueden intuir, como que la movilidad de los electrones será mejor que la de los huecos. Fenómenos también como la recombinación, es decir cuando un electrón circula como corriente principal en el diodo y prefiere quedarse en un hueco cuando lo encuentra (con lo que será una pérdida en nuestra corriente principal) así como otros conceptos que intentaré explicar en virtud de su necesidad.

Electrónica Orgánica

Introducido el fenómeno que da origen a la electrónica actual, o mejor dicho, lo que serían elementos activos de un circuito electrónico, cabe preguntarse: ¿Qué es eso de la Electrónica Orgánica?.

Lo primero que podemos decir es que se trata del mismo principio que el anterior, es decir formar uniones p-n, semiconductor de dos tipos. ¿Y donde está la diferencia?. Pues ni más ni menos en que en lugar de formarse con elementos inorgánicos como el Si, se hacen con elementos orgánicos, es decir, polímeros formados con Carbono (C). Vamos la química orgánica de toda la vida.

Pero …, ¿No son los polímeros materiales plásticos? Pues sí, y ya sabemos que los plásticos como conductores de la electricidad siempre han dejado mucho que desear.

Esto fué así hasta que en 1970 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid y Hideki Shirakawa descubrieran que dopando una lámina de poliacetileno oxidandola con vapor de Iodo la conductividad crecía de una manera espectacular.

En la siguiente figura se compara el poliacetileno sin dopar y dopado:

Observamos en dicha representación que en el poliacetileno sin dopar (polímero de arrba) los enlaces dobles están bien definidos (hay muy pocos defectuosos). En cambio al doparlo (abajo) la sustancia dopante provoca que los enlaces sean más difusos y de esta forma se aumenta la conductividad del material.

Una vez desarrollado este tipo de polímero, si unimos dos polímeros dopados de manera distinta, es decir, con distinta conductividad, formaremos interfases como se forman en la unión p-n de Silicio.

¿Qué aporta la electrónica orgánica?

Lo primero que inmediatamente nos viene a la cabeza es que las propiedades físicas de los polímeros se pueden aprovechar para los dispositivos electrónicos, y una de las más deseadas es la flexibilidad de estos, lo que permite construir pantallas flexibles.

Otra de las ventajas es la posibilidad de fabricar dispositivos electrónicos con técnicas más baratas, y que no necesitan de hornos con elevada temperatura como en los dispositivos basados en Silicio. De hecho podemos imaginar una impresora de chorro de tinta que deposite los polímeros de manera que forme el “layout” de nuestro dispositivo electrónico, como se nos ofrece en el siguiente enlace http://www.gestiondecolor.com/blog/i/27343/128/tecnologia-inkjet-para-impresion-funcional-o-electronica-impresa

Otra de las promesas de la electrónica orgánica es la posibilidad de superar el límite teórico de eficiencia de una célula solar tradicional que está en el 30%, límite que se podría superar con una sola capa si se consigue aprovechar mejor el espectro. De hecho ya se ha superado en células inorgánicas comerciales según la empresa  NLV SOLAR AG. Y que se describe en el siguiente post http://luisletosa.blogspot.com/2011/08/el-38-de-eficiencia-en-energia.html, (a modo de resumen se establece una estructura multicapa para aumentar la absorción de la luz solar).

Evidentemente no todo son ventajas, ya que de momento la eficiencia de las células solares orgánicas está en torno al 10%, el Silicio es mucho más abundante en la naturaleza, y por ejemplo hablando de células solares, la degradación que sufren las orgánicas es mucho mayor. Pero como dijo aquél “Estamos trabajando en ello”.

Otra de las esperanzas es trabajar en la miniaturización, ya que si se consigue trabajar a nivel molecular, podríamos tener por ejemplo un transistor formado por 3 moléculas (en un límite teórico), solo superado por las promesas de la computación cuántica que parece que es capaz de formar un transistor con solo 7 átomos.

En el futuro, puede ser que los nuevos materiales como el grafeno, hagan su incursión en la electrónica orgánica fabricando dispositivos que hagan uso de sus particulares propiedades, muchas de ellas por desarrollar.

La electrónica orgánica es ya una realidad, de hecho se comercializan pantallas con led’s orgánicos, OLED, AMOLED’s, y en realidad hay muchos dispositivos móviles que estan usando este tipo de pantalla, aunque esten fabricados en un sustrato rígido, se podrían fabricar en un soporte flexible como en el siguiente video:

En cuanto a que nos depara el futuro os dejo con una frase que se le presupone a Albert Einstein:

“Nunca pienso en el futuro. Llega enseguida”

Para saber más:

W. Shockley and H. Queisser, “Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells”, Journal of Applied Physics, vol. 32, pp. 510-519, 1961.

H. Spanggaard and F. C. Krebs, “A Brief history of the development of organic and polymeric photovoltaics” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 83, pp. 125-146, Jun 2004

V.I. Arkhipov, et al., “Why is exciton dissociation so efficient at the interface between a conjugated polymer and an electron acceptor?” Applied Physics Letters, vol. 82, pp. 4605-4607, Jun 2003.

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=big-news-from-the-nano-world-of-gra-2010-04

Obsolescencia Programada, El huevo o la gallina

Como bien se comenta en este post:

http://noticias.lainformacion.com/ciencia-y-tecnologia/tecnologia-general/obsolescencia-programada-el-debate-sobre-los-productos-disenados-para-durar-menos-y-ser-mas-rentables_ZFJS7VVVAvRupCAq2ROzv/

Se ha creado un amplio debate en internet a raíz de la emisión por RTVE de un documental sobre el diseño y el la duración de “las cosas”, o la política de ciertas, que para generar consumo y movimiento en los mercados, fabrican productos de menor calidad de lo que se podrían fabricar.

El documental en cuestión se puede ver aquí:
http://player.vimeo.com/video/18610690

Obsolescencia Programada from Benjamín Mejías on Vimeo.

Pongo enlace de vimeo porque en RTVE desaparecerá dentro de poco.

También tiene relación con este documental el siguiente vídeo:

Bien si has visto estos dos vídeos, el que más me interesa comentar es el primero, si bien, es escalofriante algunas de las afirmaciones que se realizan en dicho documental, me parece que pone un punto sobre la mesa que en realidad no he oído comentar mucho, y la incentivación del consumo mediante las modas, diseño, etc. Creo que los fabricantes, y en eso tienen todo el derecho del mundo, nos crean necesidades y nos bombardean con marketing en el que muchos de nosotros caemos para movilizar un consumismo excesivo que lleva a esta “insostenibilidad” del sistema económico actual. Insostenible ¿hasta cuando?, no se sabe, pero si estamos seguros, a no ser que alguien demuestre lo contrario que el planeta es finito, esta sería la Gallina (de los huevos de oro para muchos).

En el otro lado estamos nosotros, o los consumidores, (porque de momento no soy productor o fabricante), creo que nosotros tenemos que concienciarnos de que no es necesario cambiar de teléfono móvil todos los años, ni de portátil, ni de pc, y este para mí es el huevo, pero ¿quién tiene la culpa de todo este despilfarro? ¿Qué es antes el huevo o la gallina?, me encanta esa pregunta porque una vez leí una respuesta a esta cuestión (y era la gallina, pero la explicación venía relacionada con la teoría de la evolución de Darwin, que es harina de otro costal).

En este caso la respuesta está en los dos, es decir, tanto fabricantes, como consumidores tenemos que ser mas comedidos, y no hablo solo de tecnología, por que en tecnología existe la Ley de Moore que increiblemente se sigue cumpliendo, quedando cierta tecnología obsoleta antes del final de su vida útil, pero sigue funcionando, y si nuestras necesidades a la hora de utilizar un PC no han cambiado, nuestro Pentium IV (por no irme más atrás) sigue solucionándonos la papeleta. Y si los zapatos están bien, no hay que comprarse unos nuevos, (cambiaré el ejemplo), si la camisa está bien, no hay necesidad de comprarse una nueva.

Pero de momento, nos guste o no, nuestro sistema económico se basa en esto, aunque claro eso no les da derecho a los fabricantes a tomarnos el pelo, como con algunos de los ejemplos del vídeo.

Web 2.0

En este blog también se hablará de web 2.0 y nuevas tecnologías, no solo software o en red si no también de hardware.
La tecnología evoluciona muy deprisa, a mi está intentando dejarme atras, procuraremos preocuparnos de mantenernos actualizados, si puedo ayudar a alguien será un placer.
Supongo que en algún sitio seguro que lo pone automáticamente, pero este post está editado y publicado desde un teléfono con Android, seguiremos comentando dentro de poco un post sobre arduino.