La teoría de campo unificado es una teoría de campos que trata, mediante principios comunes, dos teorías de campo previamente consideradas diferentes. Y una teoría de campos es aquella que explica que las fuerzas entre los objetos pueden describirse como efecto de un campo, de manera que si un fenómeno ocurre en un punto y no en otro es porque la intensidad de dicho campo en ese punto lo permite.

Veamos un poco de historia:

A mediados del siglo XIX se conocían cuatro fenómenos que eran capaces de hacerse notar a través del vacío.

Se consideraban fenómenos totalmente independientes, hasta que entre 1864 y 1873 el físico teórico escocés J. Clerck Maxwell analizó tanto los fenómenos eléctricos y magnéticos y encontró ciertas relaciones básicas entre ellos —plasmados en las ecuaciones de Maxwell— demostrando que unos dependían de los otros. Entonces se pudo hablar de un campo electromagnético que influía sobre los cuerpos de acuerdo a la intensidad de ese campo en ese punto en concreto.

Demostró también que haciendo oscilar de manera regular ese campo se originaba una radiación que se alejaba de la fuente de oscilación a la velocidad de la luz en todas direcciones. Y la luz, propiamente dicha, era una de esas radiaciones electromagnéticas. Maxwell predijo la existencia de otras formas de luz, con longitudes de onda mucho más grandes y mucho más pequeñas que las de la luz visible, que fueron descubiertas a lo largo de los veinte años siguientes, hasta que actualmente hablamos de todo un espectro electromagnético.

Así los tres fenómenos quedaron unificados bajo una misma teoría, bajo un mismo campo: el electromagnético. Pero aún quedaba por integrar la gravedad. Y aunque se descubrieron ecuaciones que combinaban los efectos electromagnéticos y los gravitatorios, no lograban proporcionar del todo un campo auténticamente unificado de modo que la existencia de unos pudieran utilizarse para justificas la existencia de los otros. El propio Einstein utilizó su teoría de la relativida general para tratar de dar con ella, pero sin éxito.

La cosa se complica a partir de 1935, cuando se descubrieron dos nuevos tipos de campo que afectan a las partículas subatómicas y, además, a una distancia inferior al diámetro de un núcleo atómico. Son la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.

Un auténtico campo unificado debería explicar estos cuatro campos que se conocen en la actualidad. Éstos son (ordenados del más fuerte al más débil):

La función fundamental de la teoría unificada de campos es demostrar con una teoría común que las cuatro fuerzas fundamentales, al igual que la materia, son simplemente diferentes manifestaciones de un único campo fundamental.

Nota sabionda: Según la dualidad onda-corpúsculo de la mecánica cuántica, los campos pueden describirse en términos de intercambio de partículas que transfieren el momento y la energía entre los objetos. Así la interacción o fuerza nuclear fuerte se debe al intercambio de gluones, la interacción o fuerza nuclear débil es debida a los bosones W y Z, la interacción o fuerza electromagnética se bede al intercambio de fotones y la fuerza gravitacional al intercambio de gravitrones, partícula teórica que aún no ha podido ser comprobada experimentalmente.

Nota sabionda: Los físicos teóricos han sido incapaces hasta ahora de formular una teoría consistente que combine la relatividad general y la mecánica cuántica, que se han mostrado incompatibles. Así que, en años recientes, la búsqueda de una teoría de campo unificada se ha centrado en las teoría de cuerdas y posteriormente en la de supercuerdas y en la teoría M.

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El cero absoluto es el cero en la escala Kelvin, el equivalente a -273,15º C, pero… ¿qué significa? ¿la ausencia de calor? ¿la temperatura más baja posible?

Primero es necesario distinguir entre energía interna, calor y temperatura, para aclarar ideas. El calor La energía interna es la energía que una sustancia contiene en su interior debido al hecho de que sus átomos y moléculas están en movimiento. El calor es el flujo o transferencia que se da de forma espontánea entre dos cuerpos de diferente energía interna. Y la temperatura es un concepto inventado por el hombre para asignar un número a esa energía, de manera que podamos comparar o establecer aumentos o disminuciones.

Así, cuando decimos que aumenta la temperatura de una sustancia, que se calienta, lo que decimos realmente es que sus átomos y moléculas se mueven más rápido porque se le ha añadido energía calorífica. Y cuando decimos que la temperatura disminuye, que la sustancia se enfría, lo que decimos realmente es que sus átomos y moléculas se mueven más lentamente porque pierden energía calorífica.

Tanto la escala Celsius como la Fahrenheit nos proporcionan una medida de esa variación energética, pero no marcan sus límites referidas a ese movimiento molecular, sino a otros fenómenos. Por ejemplo, la escala Celsius tiene el 0 en el punto de congelación y 100 en el punto de ebullición del agua. Y la Fahrenheit cifra esos mismos sucesos físicos en 32 y 212 grados. La esencia del problema es que ninguna de las dos escalas de temperatura contempla el cero de contenido calorífico, la total ausencia de calor.

Lord Kelvin (1824-1907), aristócrata y científico británico, preparó una escala de temperaturas que comienza en la nada de calor, en la situación en que una sustancia es tan fría como puede llegar a ser, en el cero absoluto. Cuando los átomos y las moléculas de la sustancia dejan de moverse por completo y no hay ninguna energía calorífica.

Nota sabionda: En realidad el movimiento atómico y molecular no se detiene del todo en el cero absoluto. Según la mecánica cuántica siempre queda una pequeña porción de energía residual, llamada energía de punto cero, para poder así cumplir el principio de indeterminación de Heisenberg. El cero absoluto no puede ser alcanzado aunque se han realizado experimentos que se han acercado a unas billonésimas de grado de él.

Nota sabionda: Según la teoría a esa temperatura un gas se solidificaría y se encogería tanto con el frío que llegaría a desaparecer.

Nota sabionda: A temperaturas cercanas al cero absoluto se dan fenómenos especiales en la materia, como son la superconductividad y la superfluidez.

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¿Minutos de 61 segundos? ¡qué tontería! Todo el mundo sabe que un minuto tiene 60 segundos.

¿Seguro? ¿todos y cada uno de ellos tienen 60 segundos? ¿alguien pondría la mano en el fuego?

Pues no, no la pongáis. El último minuto de 2008 tendrá 61 segundos.

Y esto será así para corregir una pequeña anomalía entre los relojes atómicos y el tiempo astronómico, basado en la rotación de la Tierra.

Estos segundos —que reciben el calificativo de intercalares— se utilizan para mantener alineado el Tiempo Universal Coordinado (UTC) con las escalares astronómicas variables GMT y el Horario Universal (UTI).

¿Y esos horarios?

Hasta 1972 el tiempo se computaba en relación al tiempo solar medio medido en el Observatorio Real de Greenwich. Es el horario GMT (Greenwich Meridian Time), a partir del que se calculan los husos horarios.

El Horario Universal o UTI (Universal Time) es una versión moderna del GMT, que se calcula dividiendo una rotación de la Tierra en 86.400 segundos.

Pero ocurre que el planeta está desacelerando gradualmente, por lo que en en 1972 se adoptó un nuevo estándar, basado en relojes atómicos de alta precisión: el Tiempo Atómico Universal o TAI. Esta medición temporal es responsabilidad de la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París. Así, se define en la actualidad un segundo como el equivalente a 9.192.631.770 oscilaciones de un átomo de cesio-133.

Nota sabionda: En 1972 se añadieron diez segundos intercalares al UTC y desde entonces se han añadido otros veintitrés segundos, la última vez a finales de 2005.

Nota sabionda: Un grupo de trabajo de la Unión Internacional de Telecomunicaciones publicó el pasado junio un informe, según el cual la mayoría de los expertos está a favor de suprimir los segundos intercalares y añadir a cambio una hora cada seiscientos años. También propuso el cambio de sistema de medición, para que el tiempo se mida exclusivamente mediante las oscilaciones de un átomo de cesio en vez de hacerlo en relación a la rotación de nuestro planeta.

Nota sabionda: La precisión alcanzada con este tipo de reloj atómico es tan elevada que admite únicamente un error de un segundo en 30.000 años.

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¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Por qué dicen que es la última pieza del puzzle? ¿A qué tanto revuelo con el Gran acelerador de hadrones del CERN? Y ya puestos… ¿Qué es un acelerador de partículas?

A principios de los 70 se desarrolló el Modelo Estándar de física de partículas sobre la base de numerosas teorías anteriores. Este modelo es una teoría cuántica de campos, que combina la Mecánica cuántica con la Teoría especial de la relatividad de Einstein. Es una teoría compleja que establece una serie de ecuaciones matemáticas que predicen la existencia de un gran número de partículas subatómicas con distintas características y que describen las interacciones entre ellas. Describe muy bien el Universo que nos rodea con una excepción: no incluye la gravedad. Así que es, conscientemente, una teoría parcial y cualquier descubrimiento que permitiera confirmarla o refutarla sería bien recibido por la comunidad científica, pues ello comportaría seguir avanzando en el conocimiento de la materia y la energía.

Todas las partículas que se mueven a la velocidad de la luz carecen de masa. Comoquiera que no todas alcanzan esa velocidad en sus desplazamientos, es de suponer que ese freno provenga de su masas. Una partícula virtual —deducida a partir del modelo pero que no se ha podido constatar su existencia— es el bosón de Higgs, al que le correspondería explicar la existencia de la masa.

Según la mecánica cuántica, no existe distinción entre ondas y partículas: toda onda es partícula y toda partícula es onda. Por ello al bosón de Higgs también le corresponde una onda de Higgs, que vibra u oscila en una dirección o de una manera determinada que le es propia. Y al igual que hablamos de campo electro-magnético podemos hablar de campo de Higgs.

Y este campo formado por las partículas cuyas ondas oscilan en la misma dirección es el responsable —en teoría— de que los cuerpos tengan masa. ¿Y cómo?

Imaginemos una autopista de una longitud infinita y con un número de carriles infinitos, completamente llena de automóviles que se desplazan en la misma dirección moviéndose conjuntamente en un monumental atasco. Y no solo eso, imaginemos también que sobre esta autopista, sin mediar espacio, hay otra igual y otra más y tanto por encima como por debajo en un número infinito. ¿Hecho? Ahora desechemos el asfalto y quedémonos con los automóviles, que serán las partículas-onda que conforman este campo. Cualquier automóvil que desee circular en la misma dirección que el resto formará parte de dicho campo y no encontrará resistencia por parte de los otros automóviles. Ahora bien, si un automóvil quiere circular en una dirección que se desvíe de la fijada, no tendrá más remedio que ir chocando con otros automóviles, abriéndose paso colisión tras colisión. Este campo de automóviles supondrá un mayor freno al avance cuanto más se separen las direcciones, es decir, chocará más si su dirección de circulación en perpendicular a la del campo.

Entonces, las partículas cuyas ondas asociadas oscilan en la misma dirección que el campo de Higgs no encuentran resistencia y se mueven a la velocidad de la luz, la máxima velocidad posible y que tan solo pueden alcanzar las partículas sin masa. Entonces el fotón —que no tiene masa y se mueve a la velocidad de la luz— oscila en la misma dirección del campo de Higgs y por ello no interacciona con él, podemos decir que no lo nota. Por el contrario, las demás partículas tendrán más o menos masa dependiendo de grado de interacción con el campo de Higgs.

Ahora bien, esto es sobre el papel porque no se ha visto ningún bosón de Higgs. Y eso es lo que pretenden hacer, entre otras cosas, los científicos del CERN. En el Gran acelerador de hadrones acelerarán haces de partículas cargadas eléctricamente hasta velocidades cercanas a la de la luz, por medio de campos electromagnéticos. Y harán chocar frontalmente estos haces para poder analizar sus componentes más básicos cuando estos haces se hagan pedazos. Por supuesto que la colisión dura un instante y que las partículas obtenidas tienen una vida también muy efímera, pero los sensores que recubren el interior de acelerador son capaces de recoger una ingente cantidad de información de ese instante. Información que posteriormente será estudiada a la búsqueda de las trazas del bosón de Higgs y a la confirmación de la teoría.

Nota sabionda: Las observaciones realizadas a lo largo del Universo, han puesto de manifiesto que ciertas órbitas planetarias y galácticas no pueden ser explicadas por los campos gravitatorios de la materia observable. Hay pues una materia que interacciona con el resto de la materia pero que no podemos o sabemos detectar y que se cifra en un 85% del total. Como se mantiene oculta a nuestros ojos, los astrofísicos la llaman materia oscura. Y también esperan obtener respuestras en el acelerador de qué y cómo buscar esta materia.

Nota sabionda: También intentarán conocer cuántas y cuáles son las partículas elementales que componen los átomos. Y buscarán también el “gravitón”, partícula virtual no contemplada en el Modelo Estándar cuya existencia daría un fuerte empujón a la Teoría de las Supercuerdas como teoría unificadora de la Mecánica Cuántica y la Teoría General de la Relatividad.

Nota sabionda: En realidad el átomo no tiene una disposición de “sistema solar” con el núcleo en el centro y los electrones dispuestos en órbitas elípticas, ni los quarks “giran” (spin), ni las pártículas “oscilan” en una dirección determinada, todo ello son simplificaciones para comprender mejor unos conceptos abstractos.

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La explosión de una bomba atómica o nuclear toma la forma de un hongo nuboso. Le champignon atomique, que dicen los franceses. Pero… ¿por qué toma esa curiosa forma y no otra?

Esta especie de nube en forma de hongo se forma cuando una explosión genera una burbuja de gas muy caliente —en el caso de la detonación nuclear por una elevada emisión de rayos X que ionizan y calientan el aire circundante— que recibe el nombre de bola de fuego.

El aire caliente pesa menos al estar más excitadas —con más energía— y separadas sus moléculas y por ello sube y se expande. Al ser un cambio muy repentino y muy extremo, el aire muy caliente sube con mucha velocidad creando una corriente ascendente muy intensa y arrastrando más aire y materiales con él, formando el pie del hongo nuboso.

En la parte dentral de la bola de fuego se concentran las temperaturas más altas, lo que causa un movimiento circular de convección al interaccionar con el aire frío de la parte exterior, arremolinando material hacia afuera y hacienco crecer el diámetro del bulbo o cabeza del hongo.

De todas las bombas atómicas, las que forman un ”sombrero” más plano y enorme son las bombas termonucleares o bombas de hidrógeno, cuya bola de fuego sube tan arriba que golpea la tropopausa, que es la frontera entre la troposfera y la estratosfera.

En esta capa atmosférica existe una signifivativa diferencia de temperatura con las dos capas limítrofes ya mencionadas, que impide que éstas se mezclen demasiado. Y así, cuando la bola de fuego llega hasta la tropopausa no cuenta con suficiente calor como para atravesarla, de modo que se aplasta y se expande en horizontal de forma exagerada en lugar de hacerlo en vertical.

Bueno, si no lo fuera no estaríamos aquí haciéndonos esa pregunta. O, si estuviéramos, nuestra biología sería muy diferente y a saber de nuestros procesos mentales.

Quizá la pregunta debería ser formulada de otra manera: ¿Por qué podemos respirar nuestra atmósfera y no otras? Tampoco. La podemos respirar porque hemos evolucionado de acuerdo a ella y no a la de los otros planetas.

Y qué tal… ¿Por qué la atmósfera tiene una proporción importante de oxígeno y no un predominio de amoniaco, metano, dióxido de carbono y otros gases, como en otros planetas del Sistema Solar?

Para responder a esto, nada mejor que empezar por el principio.

Según los astrónomos, los planetas tuvieron su origen en torbellinos de gas y polvo interestelar constituidos por los diversos elementos presentes en el cosmos. La composición de estas nubes —al igual que la del cosmos— era de un 90% de hidrógeno, un 9% de helio y el restante 1% incluía todos los demás elementos: principalmente neón, oxígeno, carbono, nitrógeno, carbón, azufre, silicio, magnesio, hierro y aluminio.

Las fuertes presiones gravitatorias amalgamaron aquellos elementos dando lugar a los globos sólidos. Así la Tierra surgió, principalmente, de una mezcla rocosa de silicatos y sulfuros de magnesio, hierro y aluminio, cuyas moléculas se mantenían firmemente unidas por fuerzas químicas. Claro que, durante este proceso, una serie de gases quedaron atrapados mediante uniones químicas débiles.

A medida que aumentaba la presión se hizo más violenta la acción volcánica y muchos gases fueron expulsados. Aunque el hidrógeno combinado con otros elementos —con oxígeno para formar agua, con nitrógeno para formar amoníaco o con carbono para formar metano— permaneció, las moléculas de hidrógeno y los átomos de helio y neón, al ser demasiado ligeros para ser retenidos, escaparon rápidamente. La mayor parte del vapor de agua se condensó y formó un océano y la atmósfera de la Tierra quedó constituida entonces por: vapor de agua, amoníaco, metano y algo de argón.

La atmósfera de los planetas interiores comenzó a evolucionar químicamente gracias a los rayos ultravioletas del cercano Sol, que rompieron las moléculas de vapor de agua en hidrógeno y oxígeno. Aunque el hidrógeno escapó, el oxígeno fue acumulándose y combinándose con amoníaco y metano. Con el primero formó nitrógeno y agua y, con el segundo, anhídrido carbónico y agua. Poco a poco, la atmósfera de los planetas interiores pasó de ser una mezcla de amoníaco y metano a una mezcla de nitrógeno y anhídrido carbónico.

La posterior acción de los rayos ultravioleta sobre el vapor de agua hace que se vaya acumulando oxígeno libre que posteriormente se transforma en ozono. Este ozono actúa de barrera al absorber la mayor parte de la radiación ultravioleta. Aquella que logra atravesar la capa de ozono en la alta atmósfera y romper las moléculas de agua más abajo es muy escasa, con lo cual se detiene la evolución química de la atmósfera y se convierte en estable.

Pero en la Tierra apareció un hecho nuevo que rompió la estabilidad: el desarrollo de un grupo de formas de vida capaces de utilizar la luz visible para romper las moléculas de agua. Como la capa de ozono no intercepta la luz visible, el proceso de la fotosíntesis podía proseguir indefinidamente, consumiendo anhídrido carbónico y liberando oxígeno.

Así, pues, hace 500 millones de años, la atmósfera empezó a convertirse en una mezcla de nitrógeno y oxígeno, que es la que existe hoy, y es la que respiramos.

Nota sabionda: Las atmósferas de los planetas exteriores, alejados de la luz solar, están formadas de vapor de agua, amoníaco, metano y algo de argón. Además de hidrógeno , helio y neón, que no escaparon porque estos planetas tienen la masa suficiente como para retenerlos.

Nota sabionda: Marte y Venus tienen hoy día atmósferas compuestas por nitrógeno y anhídrido carbónico, mientras que la Tierra debió de tener una parecida hace miles de millones de años, cuando empezó a surgir la vida.

El método de datación por radiocarbono es la técnica más fiable para conocer la edad de muestras orgánicas de menos de 60.000 años y está basado en la ley de decaimiento exponencial de los isótopos radiactivos.

Veamos en qué se basa el método:

El carbono es un elemento químico que se encuentra en diferentes variedades —llamadas isótopos— que tan sólo se diferencian en el número de neutrones que hay en el núcleo.

El isótopo más corriente es el carbono 12 (C12) que presenta 6 protones y 6 neutrones. El resto son inestables (radiactivos) y entre ellos destaca el C14 que presenta 6 protones y 8 neutrones.

Pero… ¿de dónde sale el C14?

Recordemos que la atmósfera terrestre está formada fundamentalmente por nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). Este nitrógeno estable y más abundante es el nitrógeno 14 (N14) y en su núcleo tiene 7 neutrones y 7 protones. 

A las capas altas de la atmósfera llegan partículas altamente energéticas procedentes del universo conocidas como rayos cósmicos. Estos neutrones altamente acelerados de los rayos cósmicos chocan en ocasiones con los núcleos del N14, desplazando, también en ocasiones, un protón del núcleo y ocupando su lugar.

Cuando esto sucede el núcleo queda formado por 8 neutrones y 6 protones, cambia el número atómico de 7 a 6 y con él las propiedades del elemento, que pasa a comportarse como el carbono. Este C14 se comporta químicamente igual que el C12 y por lo tanto puede formar parte del CO2 que respiran los seres vivos y que las plantas utilizan para realizar la fotosíntesis, pero presenta la particularidad de que es radiactivo.

Que un elemento sea radiactivo significa que se desintegra por sí solo a una velocidad constante. Y el C14 al desintegrarse produce N14 y tiene una vida media de 5730 años, lo que quiere decir que tras ese tiempo la cantidad de C14 presente se ha reducido a la mitad.

Mientras el ser vivo respira, recibe una mezcla de C12 y C14, pero al morir y dejar de respirar el C14 empieza a desintegrarse. Conociendo la velocidad media de desintegración y la cantidad de C14 presente en la muestra, podemos saber el tiempo transcurrido desde que el ser vivo falleció usando una simple fórmula logarítmica. 

Nota sabionda: El C14 fue descubierto el 27 de febrero de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Fue Willard Libby quien determinó un valor para el periodo de semidesintegracion: 5568 años. Determinaciones posteriores en Cambridge arrojaron un valor más exacto de 5730 años. Debido a su presencia en todos los materiales orgánicos, el carbono 14 se emplea en la datación de especímenes orgánicos.

El término entropía lo introdujo el físico alemán Rudolf J. E. Clausius en 1850 para representar el grado de uniformidad con el que está distribuida la energía, sea de la clase que sea. Cuanto más uniforme es la distribución, mayor es la entropía.

Cualquier diferencia de energía en un sistema tiende a igualarse por sí sola. Pensemos en un objeto caliente (con mayor energía calórica) que entra en contacto con uno más frío, el primero se va enfriando a medida que el segundo se calienta, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura; o en dos depósitos de agua comunicados entre sí, uno con el nivel más alto que el otro (mayor energía potencial o gravitatoria), el agua pasará de un depósito al otro hasta que los niveles se igualen. Es decir, la naturaleza se encarga de igualar las diferentes concentraciones de energía con el paso del tiempo, o lo que es lo mismo, que la entropía aumenta con el tiempo.

Algo parecido ocurre con nuestro universo, en el que la energía que mana de las estrellas se va distribuyendo por el vacío interestelar en un proceso conocido por degradación, en el que la energía de todos los puntos del universo tienden a la igualación, a la vez que su entropía aumenta.

El estudio de estos flujos de energía se realizó sobre la energía térmica, por lo que recibió el nombre de termodinámica (movimiento de calor). Tan importante es el concepto de que la entropía aumenta con el tiempo que se le conoce como segundo principio de la termodinámica.

La entropía es también un indicador de desorden. Cuando la energía tiende a igualarse, los átomos están más libres, menos condensados, con lo que el desorden es mayor debido a sus movimientos aleatorios. En cualquier situación es fácil observar el aumento del desorden y como para restaurar el orden en un sistema es necesario realizar un esfuerzo especial, un trabajo fruto de una nueva energía introducida en el sistema.

Nota sabionda: El primer principio de la termodinámica es el que dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Nota sabionda: El aumento de entropía puede ser utilizado para realizar un trabajo. Por ejemplo calentar una habitación con un radiador o mover las ruedas de un molino con un salto de agua. Cuando la entropía de un sistema es máxima es imposible que se pueda realizar ningún trabajo.

En la foto se muestra un juego de dos sartenes y un grill de superficie antiadherente de teflón.

El teflón es una marca registrada de DuPont para el politetrafluoretileno o fluón.

Se trata de un material prácticamente inerte que no reacciona con otras sustancias químicas excepto en situaciones muy especiales. Su toxicidad es prácticamente nula, es impermeable y un gran aislante eléctrico. Pero su cualidad más conocida es la antiadherencia.

Y su secreto para ello estriba en los átomos de flúor que envuelven sus moléculas, repeliendo así a casi cualquier otro material.

Entonces la pregunta es obvia… Si nada se pega al teflón, ¿Cómo lo pegaron a la sartén? Y tan obvia es que suele aparecer en listas como ésta de preguntas curiosas y humorísticas que corren por la Red.

Aquí y ahora vamos a dar la respuesta, amigos curiosos. Existen dos métodos para fijar el teflón a superficies de sartenes y demás:

Nota sabionda: Además de las características antes mencionadas, es el material con el coeficiente de rozamiento más bajo conocido, sumamente flexible y con una gran tolerancia térmica (desde -270ºC hasta 300ºC) lo que le hace ideal para el revestimientos de aviones, cohetes y naves espaciales.