jueves, 27 de octubre de 2011

Amazings.es: ¿Existe el calor?

Las respuestas que obtienes dependen no sólo de qué preguntes sino de cómo hagas las preguntas. Si pretendes cobrar un extra por la salsa es mejor que tus empleados pregunten “¿barbacoa o ranchera?” que un plano y directo “¿quieres salsa?”. La primera pregunta da por hecho que el cliente la quiere mientras que la segunda abre la posibilidad de la negativa. Este descubrimiento de McDonald’s fue la inspiración inversa para mi pequeño experimento en Twitter. La idea era comprobar experimentalmente los conceptos que sobre el calor tiene la gente, pero en vez de preguntar “¿qué es el calor?” preguntamos “¿existe el calor?”, dejando abierta la puerta a negar la mayor. Y se lió.

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miércoles, 26 de octubre de 2011

Spinoza as Chemist

Spinoza is considered the greatest exponent of the most radical rationalism. This stereotyped view prevents some to realize that Spinoza was also a scientist. Although he did not make great contributions, the main one was probably the quality of the lens he supplied to Christiaan Huygens, he had an above average knowledge of some branches of natural philosophy like alchemy/chemistry and a thorough grasp of modern scientific method. Oddly for the stereotypical rationalist he kept an open mind to new discoveries relying on experimentation to confirm them.

The night of the 17th of January 1667 Johannes Friedrich Schweitzer turned a little amount of lead into gold in a crucible. Helvetius, as he signed his papers written in Latin, said the experience had taken place in The Hague.

No need to say the great stir this news caused in the city and its outskirts. However, only three written references are known to us. First we have the work signed by Helvetius himself that was published shortly after the experiment took place: Vitulus Aureus quem Mundus Adurat et Orat (Amsterdam, 1667). A mention of the event can also be found in the preface that Hornius wrote for his edition of the works of Geber (Leyden, 1668). Finally the text that attracts our attention most: the letter that Benedictus Spinoza sent to his friend Jellesz dated on the 27th of March 1667. But we need some context before. 

Heinrich Oldenburg was a German from Bremen with an ample education in theology, Latin and science that decided to settle in England where he had a wide network of contacts and friends. He had left in the continent also lots of relevant acquaintances. At the beginning of 1660s he joined a group of individuals that used to meet at Gresham College to perform “experimental investigations into the secrets of Nature”. Oldenburg became an active member of this club and, when they formed the Royal Society in 1662, he was appointed Secretary. Among his duties would be to keep the correspondence between the Society and its counterparts in the continent and gather information and data about researchers abroad and their results. 

Just before he took the post over, Oldenburg had met Spinoza in Amsterdam. From that moment he kept correspondence with the philosopher regularly. There are several letters known to us from this interchange, but only three are of interest now. In these ones Spinoza shows an outstanding knowledge and competence in chemistry. These letters are an exchange of opinions between Robert Boyle (member of the Royal Society) and Spinoza, mediated by Oldenburg, in respect to some of Boyle's texts that the Secretary himself had sent to Spinoza in the autumn of 1661: a copy in Latin (Spinoza did not read English) of “some physiological essays”, among them the Essay on Nitre . According to Oldenburg, Boyle had written these essays to “show the utility of chemistry to confirm the mechanical principles of Philosophy”. This was, precisely, the main point of discussion.

Robert Boyle is considered one of the fathers of modern chemistry. In The Skeptical Chemist he distinguishes between element and compound when it was still common to make reference to the four traditional Aristotelian elements and the three alchemical principles (sulphur, salt and mercury). In the Essay on Nitre his aim was to demonstrate experimentally that the distinctive features of nitre and its constituents (flavour, odour, etc) and, in general, those of any substance, could be explained because of the differences in shape, size, relationship and movement of its particles. Spinoza agrees with this corpuscular explanation. However, he says that the fact that Nature operates only according to mechanical philosophy is something that can not be demonstrated experimentally but only by the intellect, the way Descartes and Bacon had shown.

In his letters to Oldenburg, actually addressed to Boyle, Spinoza not only discusses philosophical (in today’s sense) aspects but also in depth purely procedural details of the experiments carried out by Boyle, showing his familiarity with chemical theories, his knowledge of ingredients and tools and, most importantly, his competence in experimental chemistry and in making use of the scientific method of formulating hypothesis and checking them experimentally. In a word, Spinoza was a competent chemist.

Spinoza only had received formal instruction in Hebrew, the Torah and the Talmud in one of the Portuguese synagogues of the Jewish ghetto in Amsterdam. But he wanted more and, before his excommunication from the community, in 1654 or 1655, he had joined Frans van den Enden´s school of Latin. Van den Enden was a polymath. His pupils not only received instruction in Latin but also in arts and sciences. At that time very important alchemists/chemists were working in Amsterdam, among them Paul Felgenhauer and Johannes Glauber. Van den Enden used to attend the discussions regarding chemical experiments held at Glauber´s laboratory, where a lot of work was being done about nitre at the end of the 1650s. Glauber is the “chemist of the saline solutions”; his name is linked to the study of these and, still today, sodium sulphate is called Glauber´s salt. If Spinoza was so knowledgeable about nitre why not suppose that he accompanied his master to Glauber´s lectures?

Therefore Spinoza had enough education, both in theoretical and practical issues, to proficiently assess what had happened in The Hague in January 1667. Johannes Friedrich Schweitzer was the physician to the Prince of Orange. According to Helvetius’ (Latin form of Schweitzer, Swiss) account on the 27th of December he received the visit of a foreigner that would not reveal his name but who said that he was presenting him the material evidence of the existence of the philosopher’s stone. Why he chose the physician for such a revelation is something that Helvetius does not tell us. After a long conversation where the alchemist explains the principles of his science, he shows a metallic yellow powder making the promise of coming back in three weeks. The scheduled day the alchemist comes back and gives some of the philosopher’s stone to Helvetius with instructions about how to proceed in the experiment. The following night the physician made the experiment: he melts fifty grams of lead in a crucible then he adds, covered with wax, the philosopher’s stone and let the mix on the fire for a quarter of an hour. After this time the metal has a characteristic greenish yellow colour. After pouring and cooling, the metal has the very same appearance of gold. The silversmith that tests it the following morning certifies it is gold.

In his Principia Philosophiae (third part; the only place he talks about chemistry) Descartes said that “matter, with the help of these laws [of Nature], takes successively all forms it is able to take”. Spinoza, very influenced by Descartes, faced what had happened in The Hague with an open mind. The news was so important that he prepared to check the facts himself. Spinoza tells us what he did in the letter he sent to his friend Jellesz. First he contacted a colleague of Huygens, and his friend, a researcher in the fields of optics and the nature of light: Isaac Vossius. Vossius simply laughed at him. Undeterred, he visited Brechtelt, the silversmith that had tested the gold. He told him that the gold had increased its weight when he had mixed it with silver. Then he visited Helvetius himself that showed him the crucible and commented on his intention of writing an account of the experiment.

We do not know the conclusions Spinoza arrived at after his investigations, though one thing is sure: he kept his interest in alchemy/chemistry. In his short library there was a copy of Kerckrink’s Commentarius in Currum Triumphalem Antimonii Basilii Valentini that had been published in Amsterdam four years later, in 1671.Years later Spinoza is still active in the chemical art. Schuller, a friend and a physician, writes to Spinoza telling him that he has been able to obtain gold from antimony. Spinoza answers, in purely technical grounds, that it could have not been possible but does not deny the possibility that it could be done and blames the procedure for the failure. Schuller answers asking Spinoza to proceed himself with the experiment, as he has sent him the Processus. Spinoza, already ill (he would die in months), and living in a social environment not at all favourable, replied that he did not think he would have the time.

Spinoza’s philosophical system is the last comprehensive system in the history of Western philosophy. Difficult to understand and rich in nuances of meaning, it has shadowed the figure of its author. The little sample we have just presented may give a glimpse of the richness of one of the most beautiful minds in the history of mankind.  

This post is a corrected and expanded edition of the original I published in Winone and a contribution of Experientia docet to the VIII Edition of the Carnival of Chemistry hosted by Science box.

Los campos magnéticos estáticos afectan a la excitabilidad del cerebro.

¿Qué ocurre si coges un imán potente y te lo pones encima de la cabeza durante un rato largo? A priori habrá quien pueda argumentar que, en principio, no debería pasar nada si se trata de un campo magnético estático. Sin embargo, un equipo de investigadores encabezado por Antonio Oliviero, del Hospital Nacional de Parapléjicos (España), ha demostrado experimentalmente que el contacto de un imán de suficiente potencia aplicado durante 10 minutos directamente sobre el cuero cabelludo puede provocar una disminución del 25% de la excitabilidad del córtex motor que se mantiene durante varios minutos tras retirar el imán. Este resultado puede llegar a tener aplicaciones terapéuticas no invasivas, indoloras y reversibles. Los resultados se publican en The Journal of Physiology.

Cuando un conductor se expone a un campo magnético que cambia, ya sea porque hay variaciones del propio campo magnético con el tiempo o porque conductor y campo están en movimiento relativo, se producen en el conductor unas corrientes eléctricas inducidas, llamadas corrientes de Foucoult. Estas corrientes, a su vez, producen campos magnéticos, por lo que la interacción de éstos con el original puede dar lugar a efectos atractivos, repulsivos, de propulsión o de resistencia al movimiento. Basándose en este fenómeno se desarrolló la estimulación magnética transcraneal (TMS, por sus siglas en inglés), un método no invasivo que, empleando un campo magnético pulsante provoca cambios eléctricos en las neuronas encefálicas, alterando de distintas formas su funcionamiento normal. La TMS, por su capacidad para interferir localizadamente, tiene un amplio uso en los estudios neurocientíficos.

La TMS hace que las neuronas del córtex justo debajo del lugar donde se está aplicando se despolaricen y emitan un potencial de acción, en otras palabras, que se activen. Si se aplica sobre el córtex motor primario esto se traduce en actividad muscular, técnicamente llamada potencial motor evocado (MEP, por sus siglas en inglés), que puede registrarse mediante electromiografía (detección de la actividad eléctrica muscular). A poco que reflexionemos, nos daremos cuenta de que la inversa también es cierta, si se producen alteraciones eléctricas en el córtex motor, se puede usar un dispositivo TMS para detectarlas.

Esto es lo que ha usado el equipo de investigadores para medir el efecto del campo magnético de dos imanes de neodimio distintos sobre el córtex motor, concretamente el área correspondiente a la mano, en el giro precentral. Los imanes (uno u otro) se colocaron directamente sobre el cuero cabelludo de los voluntarios, alterando la polaridad y el tamaño (potencia) y repitiendo los experimentos con un cilindro metálico para corregir el efecto placebo. La técnica se conoce como estimulación transcraneal por campo magnético estático (tSMS, por sus siglas en inglés)

Los resultados obtenidos indican que las amplitudes medias del MEP permanecen durante 6 minutos por debajo de lo normal tras la aplicación del más potente de los dos imanes durante 10 minutos, independientemente de la polaridad. Los investigadores concluyen que se debe a una excitabilidad reducida del córtex motor. Es la primera vez que se afirma la existencia de un efecto de un campo magnético estático sobre la excitabilidad del cerebro.

Pero, ¿cómo es posible que un campo magnético estático afecte al cerebro? Hay cuatro factores a tener en cuenta a la hora de sugerir explicaciones: es necesario un campo magnético con una intensidad umbral para producir efectos, es decir, por debajo de esa intensidad no hay efectos apreciables; es necesario, asimismo, mantener el campo magnético durante un tiempo mínimo; los efectos permanecen durante un tiempo tras cesar el campo magnético; y, finalmente, la polaridad, polo norte o sur del imán en contacto con la cabeza, no tiene influencia.

Empezando por este último factor, vemos que las estructuras o especies químicas afectadas por la tSMS deben responder igual a ambas polaridades, lo que implica que las dianas deben ser ferromagnéticas (ambos polos atraen) o diamagnéticas (ambos polos repelen). Por otra parte, el hecho de que el efecto se extienda más allá de la presencia del campo magnético sugiere que debe ser una estructura la afectada y no una especie química (moléculas o iones), probablemente que se vea deformada reversiblemente por la tSMS.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, los autores proponen como mecanismo de actuación de la tSMS la deformación de los canales iónicos de calcio y sodio debido a que, en presencia del campo magnético, las anisotropías diamagnéticas de los fosfolípidos de membrana hace que éstos se puedan reorientar reversiblemente.

Independientemente de que, obviamente, es necesario investigar más los efectos de la tSMS, este trabajo tiene, en nuestra opinión, tres potencialidades evidentes. La primera es su uso científico médico, se trata de un método barato, no invasivo y portátil de influir en la actividad cortical. La segunda es reabrir el debate sobre los efectos de las resonancias magnéticas sobre la actividad encefálica y la posible alteración de los diagnósticos/resultados que ello pudiese acarrear (véase El escáner afecta al metabolismo del cerebro); los autores discuten este aspecto en el artículo y, si bien señalan las diferencias entre tSMS y MRI, también ponen en evidencia la falta de estudios adecuados. La tercera es el uso magufo de estos hallazgos: prevenido queda, querido lector.   


Oliviero, A., Mordillo-Mateos, L., Arias, P., Panyavin, I., Foffani, G., & Aguilar, J. (2011). Transcranial static magnetic field stimulation (tSMS) of the human motor cortex The Journal of Physiology DOI: 10.1113/jphysiol.2011.211953

martes, 25 de octubre de 2011

Probada experimentalmente la hipótesis ergódica para la difusión en disoluciones.

Cada vez que percibes un olor, ya sea el de una flor o el de un cadáver putrefacto, moléculas de estos cuerpos han llegado a tu pituitaria a través del aire gracias al fenómeno de la difusión: el hecho de que las partículas (en nuestros ejemplos moléculas) moviéndose al azar bajo la influencia de las leyes de la termodinámica se terminan dispersando. Es el proceso que ves cuando metes una bolsita de té en agua hirviendo y no remueves con la cucharilla.

La difusión está detrás de una cantidad enorme de procesos, desde la digestión a la distribución de las manchas en las pieles de los animales, y se ha estudiado mucho en los últimos 150 años. Sin embargo, una hipótesis que está en la base misma del fenómeno no ha podido probarse experimentalmente hasta ahora: la hipótesis ergódica. A pesar del nombre es muy fácil de entender, si bien tiene sus sutilezas.

Ludwig Boltzman demostró que la segunda lay de la termodinámica es solamente un hecho estadístico. Y es desde el punto de vista estadístico como hay que entender la hipótesis ergódica. Cuando se estudia la difusión se asume que una foto de todo el sistema de partículas en un instante determinado nos dice algo acerca de cómo una sola partícula se comportará en un período de tiempo más largo, y viceversa, siempre y cuando el sistema esté en equilibrio. Para ser más precisos, si medimos un aspecto concreto del movimiento de todas y cada una de las partículas, por ejemplo su velocidad, en un momento dado y hacemos la media, obtenemos el mismo resultado que si cogemos una partícula durante un período largo de tiempo, medimos repetidamente su velocidad y hallamos el promedio de estos valores. En términos matemáticos esta idea es la que establece el teorema ergódico de Birkhof.

Podemos tener una comprensión más intuitiva de la idea si consideramos que las partículas se mueven al azar y que una es igual que otra, esto es, son análogas a dados. Si lanzamos 1000 dados idénticos y hacemos la media de los valores de cada uno, esperamos obtener el mismo resultado que si lanzamos un dado 1000 veces.

Si bien parece lógico o, al menos, intuitivo, pensar que la hipótesis se cumple en los procesos difusivos, no existía hasta ahora una confirmación experimental. Un experimento que pruebe la hipótesis ergódica debe, por un lado, seguir el movimiento de partículas individuales, lo que conlleva una dificultad importante y la necesidad de usar técnicas ópticas muy sofisticadas, y, por otro, seguir el conjunto de partículas mientras se mueven en un fluido sin confundirlas con el medio, lo que tampoco es tan inmediato.

Un equipo de investigadores encabezados por Florian Feil, de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich (Alemania) ha desarrollado un sistema para seguir moléculas individuales de tinte disueltas en alcohol: se trata de un dispositivo óptico que es capaz de seguir las señales fluorescentes de las moléculas individuales al ser iluminadas convenientemente. Usando este sistema en conjunción con resonancia magnética nuclear para seguir el conjunto de partículas, el equipo de investigadores han obtenido datos que confirman la validez de la hipótesis ergódica para el sistema estudiado y similares. Los resultados se publican en Angewandte Chemie.

Los investigadores aplicaron las dos técnicas a muestras idénticas en disolución. De esta forma consiguieron medir el coeficiente de difusión, que describe el comportamiento difusivo del sistema, a partir de dos conjuntos de datos: de la trayectoria de una sola partícula y de la foto fija de todas las partículas a la vez. Los resultados coinciden adecuadamente, confirmando la hipótesis ergódica, recalcamos, para este experimento y sistemas similares.

¿Por qué incidimos tanto en que los resultados tienen un campo de aplicación limitado? Pues porque existen sistemas, muy importantes además, en los que parece ser que la hipótesis ergódica no se cumple, caso de la difusión de nanopartículas en las células. Y la cuestión es precisamente esa, ¿por qué?

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXIV Edición del Carnaval de la Física que acoge Últimas noticias del cosmos y en la VIII Edición del Carnaval de Química que alberga Caja de Ciencia


Feil, F., Naumov, S., Michaelis, J., Valiullin, R., Enke, D., Kärger, J., & Bräuchle, C. (2011). Single-Particle and Ensemble Diffusivities-Test of Ergodicity Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.201105388

lunes, 24 de octubre de 2011

¡No puedo creer que sea...cultura orangutánida!

Pongo abelii

En las especies del género Homo, particularmente sapiens, las innovaciones culturales se transmiten de generación en generación culturalmente, a través del aprendizaje social. Para muchos investigadores la existencia de la cultura en los Homo es la adaptación clave que los diferencia del resto de animales. Si bien la cultura, como todo lo humano, tiene profundas raíces evolutivas, aún se discute si realmente la cultura es algo verdaderamente único de Homo. Un estudio [1] publicado en Current Biology realizado por un equipo de investigadores encabezado por Michael Krützen, de la Universidad de Zürich, afirma confirmar la transmisión cultural de comportamiento en poblaciones de orangutanes (especies del género Pongo). Veremos que, en sentido antropológico estricto, los autores no lo demuestran.

Hace unos diez años los biólogos que estaban observando grandes simios en estado salvaje empezaron a informar de la variación geográfica en pautas de comportamiento que, se suponía, sólo podrían haber aparecido mediante una transmisión cultural de las innovaciones. Estos artículos generaron un intenso debate entre los científicos que todavía continúa. Hoy día la gran discusión se polariza entre los que creen que las diferencias en comportamiento se deben a la existencia de cultura y los que creen que son una combinación de factores genéticos y ambientales. Veremos al final que esta dicotomía, que es el punto de partida de Krützen et al., es falsa o, al menos, no estricta.

Los investigadores estudiaron la variación geográfica de las pautas de comportamiento de nueve poblaciones de orangutanes, incluyendo las especies Pongo abelii de Sumatra y P.p. morio, P.p. pygmaeus y P.p. wurmbii de Borneo. Para ello los científicos recopilaron una ingente cantidad de datos: analizaron más de 100.000 horas de datos conductuales, crearon perfiles genéticos de más de 150 especímenes de orangutanes salvajes y midieron las diferencias ecológicas entre poblaciones usando imágenes por satélite y técnicas de detección remota avanzadas.

Con esta base de datos los investigadores pudieron valorar la influencia de los factores genéticos y ambientales en los patrones de comportamiento de las poblaciones de orangutanes. Encontraron que las variaciones ambientales eran las que más influencia tenían (como es lógico, pensemos en esquimales y bosquimanos) seguidas de las genéticas. Pero había una serie de comportamientos que no podían explicarse ni por factores genéticos ni ambientales lo que, concluyen los autores, “corrobora la interpretación cultural”.

Pero, ¿realmente esto es así? Lo que prueban Krützen et al. en realidad es que la capacidad para aprender cosas socialmente y transmitirlas de generación en generación no ocurre solo en Homo sino también en Pongo. Ahora, afirmar que esto es cultura en el sentido antropológico del término se trata de una falacia lógica llamada afirmación del consecuente, es decir, de unas premisas ciertas se extrae una conclusión falsa.

Para intentar ilustrar dónde está el error basta fijarse en la diferencia entre la forma en que aprende un niño (simbólico-imitativa) y la que explica (corroborado experimentalmente con estudios comparativos) hasta ahora el aprendizaje en simios no Homo (emulativa) ya que, para poder afirmar que existe cultura en los orangutanes, los investigadores habrían tenido que demostrar que existe una cognición simbólica en éstos, cosa que no hacen.

Los niños no sólo aprenden de otras personas sobre las cosas, también las aprenden “a través de ellas”, en el sentido de que deben conocer algo de la perspectiva del adulto sobre la situación para aprender el uso activo del acto intencional que se le está enseñando. La característica del aprendizaje cultural es que ocurre sólo, en palabras de Michael Tomasello [2], “cuando un individuo comprende a los otros como agentes intencionales, como su propio yo, que tienen una perspectiva sobre el mundo que puede seguirse, dirigirse y compartirse”. Por tanto, se requiere un tipo específico de socialización ligada a la cognición simbólica (en la que intervienen el uso de herramientas y el lenguaje), la verdadera naturaleza de la cultura: “la imposición de una forma arbitraria sobre el entorno” [3].

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la VI Edición del Carnaval de Biología que organiza Diario de un copépodo.


[1] Michael Krützen, Erik P. Willems, & Carel P. van Schaik (2011). Culture and Geographic Variation in Orangutan Behavior Current Biology : 10.1016/j.cub.2011.09.017
[2] Tomasello, M. (1999). The Human Adaptation for Culture Annual Review of Anthropology, 28 (1), 509-529 DOI: 10.1146/annurev.anthro.28.1.509
[3] Holloway, Jr., R. (1992). Culture: A Human Domain Current Anthropology, 33 (s1) DOI: 10.1086/204018

domingo, 23 de octubre de 2011

Los hemisferios cerebrales consiguen sincronizarse sin cuerpo calloso.

Imagina dos ordenadores no conectados por un cable pero que tienen medio de comunicarse lo suficiente como para estar sincronizados. No parece extraño, ¿verdad? Lo que sigue lo es, y mucho.

Un equipo de investigadores encabezado por Michael Tyszka (Instituto de Tecnología de California - Caltech, EE.UU.) ha encontrado que personas que nacen sin cuerpo calloso (que une los dos hemisferios del cerebro), una condición que se conoce como agenesia del cuerpo calloso (ACC), siguen mostrando unas comunicaciones llamativamente normales entre las dos mitades de sus cerebros. El hallazgo, que se publica en el Journal of Neuroscience, tiene implicaciones para el estudio del espectro autista e, incluso, para las teorías sobre la consciencia.

Nuestros encéfalos nunca descansan. Cuando soñamos despiertos, cuando reposamos tumbados sin pensar en nada, existe una gran cantidad de comunicaciones entre las diferentes regiones encefálicas. Muchas de estas regiones muestran patrones de actividad que varían lentamente y que son muy parecidos entre sí. El hecho de que estas regiones parezcan estar sincronizadas ha llevado a muchos científicos a asumir que todas ellas son parte de una red de interconexión llamada red del estado de reposo. Lo que han encontrado Tyszka et al. es que la red del estado de reposo parece normal en lo esencial en personas con ACC, a pesar de la falta de conectividad.

Démonos cuenta que en las personas con ACC faltan del orden de 200 millones de conexiones que en las personas sin ella sí están. Y que no son unas conexiones cualesquiera, son las que unen los dos hemisferios cerebrales. La ACC ocurre en 1 de cada 4000 nacimientos, en el que, durante el desarrollo fetal las fibras del CC no consiguen salvar la separación entre los dos hemisferios. Si hablamos de ordenadores lo tenemos claro pero, si faltan los cables, ¿cómo se comunican las dos mitades del cerebro? Hay que especular con la existencia de medios indirectos y, actualmente, desconocidos.

Señales BOLD en un cerebro con cuerpo calloso (izqda.) y en otro sin él por ACC (dcha.)
Los estudios se realizaron por resonancia magnética funcional (fMRI) en 8 individuos con ACC e inteligencia normal y 8 controles. Ambos grupos mostraron una correlación homotópica (en los mismos lugares) muy robusta en la señal BOLD (dependiente del nivel de oxígeno en sangre, lo que mide la fMRI). Sorprendentemente (no nos cansamos de estos calificativos) prácticamente todos los componentes independientes a nivel de grupo identificados en los sujetos de control se encontraron en el grupo ACC y eran predominantemente simétricos bilateralmente.

Las implicaciones de este hallazgo son de dos tipos. Las médicas, en cuanto que la ACC está muy relacionada con el autismo (un tercio de las personas con ACC padecen alguna condición del espectro autista). Esta compensación funcional tan grande puede ser muy esclarecedora para la comprensión del funcionamiento del cerebro autista.

Las otras implicaciones pueden ser más especulativas. Si no se encuentran neuronas que conecten los dos hemisferios, y en los fMRI no han aparecido, ¿podrían conectarse electromagnéticamente? No es tan descabellado, ya hablamos de cómo el campo eléctrico del cerebro afecta al propio cerebro  . Pero, claro, si esto es así, podríamos especular con un nuevo fenómeno emergente basado en esta actividad electromagnética, la consciencia. Sin embargo, no seríamos del todo originales, Johnjoe McFadden ya se nos adelantó con su propuesta de la teoría del campo electromagnético de la consciencia . Habría que repasarla. Por si acaso.


Tyszka, J., Kennedy, D., Adolphs, R., & Paul, L. (2011). Intact Bilateral Resting-State Networks in the Absence of the Corpus Callosum Journal of Neuroscience, 31 (42), 15154-15162 DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1453-11.2011

miércoles, 19 de octubre de 2011

Tungsteno, que no wolframio.

Es recurrente en textos escritos en español, sobre todo si se trata de traducciones del inglés, que al wolframio se le llame tungsteno. Y también es típico que alguien proteste y afirme que es wolframio y no tungsteno. Si bien existen en la web distintas argumentaciones, muchas equidistantes, para que conste vamos a intentar argumentar a nuestra manera el origen de ambos nombres y por qué, si bien en justicia sólo debería usarse wolframio, el hecho cierto es que el único correcto oficialmente es tungsteno.

Lo que sigue está escrito de forma que se pueda leer de una vez sin necesidad de pensar en reacciones químicas, pero se dan suficientes detalles como para que el aficionado escriba sus reacciones, si así le apetece.

En 1556, Georgius Agricola menciona la existencia de un mineral que él llama spuma lupi (espuma del lobo) y que hoy conocemos como wolframita, nombre que deriva de la traducción al alemán del nombre latino, wolf rahm. Agricola lo llamó así porque, aparentemente, durante la extracción de la casiterita (SnO2) era devorada tumultuosamente (formando espuma) “como el lobo devora a la oveja” por la wolframita.

En 1761 Johann Gottlieb Lehmann fundió la wolframita [(Fe,Mn)WO4] con nitrato de sodio [NaNO3] y encontró que el producto fundido se disolvía en agua formando una disolución verde (que se volvía roja con permanganato). Añadiendo ácido mineral [H2SO4] aparecía un precipitado blanco esponjoso que se terminaba volviendo amarillo tras mucho tiempo.

En 1779 Peter Woulfe coció wolframita en ácido de sal (común) [HCl] y, tras presenciar la aparición de un color amarillo intenso, concluyó que podría estar en la presencia de algo nuevo.

En 1781 Carl Wilhelm Scheele analizó un mineral blanco llamado tungsten (más tarde scheelita, CaWO4) y demostró que se trataba de una sal de calcio de un ácido nuevo, el ácido túngstico. Paralelamente, el mentor de Scheele, Torbern Olof Bergman, creyendo que la alta densidad del tungsten sugería la presencia de la barita, lo que entonces se llamaba una tierra pesada, confirmó que contenía el producto ácido en vez del álcali que él esperaba encontrar. Posteriormente llegaría a la conclusión de que el ácido túngstico era el óxido de un nuevo elemento, que dio en llamarse, en un alarde de originalidad, lapis ponderosus (piedra pesada) que es exactamente la traducción del sueco tung sten. Sin embargo, ninguno de los dos consiguió aislar el nuevo elemento. Un poco más tarde, Martin Heinrich Klaproth, propuso llamar al nuevo metal scheelium en honor de Scheele (algunas fuentes siguen dando a Scheele como descubridor del W, sin saber que descubre quien aísla y caracteriza, no quien señala). Un peso pesado de la química de enorme influencia, Jöns Jakob Berzelius, que al principio apoyó la propuesta de Klaproth, terminó inclinándose por tungsteno tras que consiguiese reducir el ácido usando hidrógeno obteniendo el metal (método que se usa hoy día) en 1820.

En 1783, los hermanos Juan José y Fausto d'Elhuyar, éste último alumno de Bergman en Uppsala, trabajan en el centro que la Real Sociedad Vascongada de Amigos del País abre en Vergara, en el antiguo colegio que la compañía de Jesús tenía en la ciudad y que fue abandonado cuando la orden fue expulsada de España por orden del rey, Carlos III. Este centro funciona muy bien y atrae a científicos de primer nivel a sus cátedras de química y mineralogía, gente de la talla de un Louis Proust, un Pierre François Chaveneau o los propios d'Elhuyar.

Los d'Elhuyar analizaron la wolframita y encontraron que contenía el mismo óxido que el tungsten. Sus investigaciones les llevaron a aislar el nuevo metal reduciendo el ácido con carbón vegetal pulverizado a alta temperatura. Llamaron al nuevo metal volfram (en aquel entonces el abecedario español no contenía la w, se incluyó en 1914), en función del nombre del mineral a partir del cual se había aislado. La noticia de su descubrimiento se recibe en la Academia de Ciencias de Toulouse el 4 de marzo de 1784. Reclaman el nombre wolframio para el nuevo metal de la siguiente forma: “Lo llamaremos volfram, tomando el nombre del material del que ha sido extraído...Este nombre es más apropiado que tungstust o tungsten que podría ser usado como tributo al tungsten o piedra pesada del que se extrajo su cal, porque el volfram[ita] es un mineral que se conocía mucho antes que la piedra pesada, al menos entre los mineralogistas, y también porque el nombre volfram se acepta en casi todas las lenguas europeas, incluido el sueco”.

Todo lo anterior está muy bien y apoya el valor histórico del nombre wolframio, pero lo cierto es que la nomenclatura de un elemento o un compuesto químico la establece definitivamente la IUPAC que, mal que le pese a alguno, es la que pone orden en una ciencia tan tremendamente compleja desde el punto de vista terminológico como la química.

La IUPAC denomina al elemento 74, de símbolo W, como tungsten (en inglés, su único idioma oficial). El nombre alternativo wolfram fue suprimido en la última edición de su Libro rojo (Nomenclatura de Química Inorgánica. Recomendaciones de la IUPAC de 2005) aunque dicha eliminación se discutió, principalmente por miembros españoles de la IUPAC.

El nombre de wolfram ya había sido adoptado oficialmente, en lugar de tungsten por la IUPAC en su 15ª conferencia, celebrada en Ámsterdam en 1949. Pero el hecho cierto es que en todas las publicaciones de la IUPAC en vigor en 2011 el nombre oficial del elemento 74 (W) es tungsteno, y es este el que un químico debe usar.

El tungsteno es el metal de mayor punto de fusión (3695 K) y el elemento de mayor punto de ebullición (5828 K), lo que lo hace ideal para las bombillas de incandescencia, entre otras muchas aplicaciones.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la VIII Edición del Carnaval de Química que acoge Caja de ciencia.

martes, 18 de octubre de 2011

Arte islámico y cuasicristales

Antiguos secretos religiosos celosamente custodiados, mensajes cifrados en santuarios de Oriente Medio misteriosamente conectados con palacios europeos, la proporción áurea... Efectivamente, vamos a hablar del premio Nobel de Química de este año...y de matemáticas.

Estamos en Isfahán (Irán) delante del Santuario de los Imames (Darb-i Imam) y no podemos evitar que su decoración nos recuerde a algo que ya hemos visto en España, en la Alhambra. Ambas obras tienen más de 500 años y, sin embargo, en un déjà vu científico, lo que nos llama la atención se conoce por el nombre del inglés que lo redescubrió en 1973: teselaciones de Penrose. El Islam regaló el álgebra (al jabr) al mundo, un término que se refiere a una ecuación básica. Pero la pauta que tenemos delante requiere de una matemática muy superior.

Nadie sabe como los arquitectos persas y andalusíes llamaban a esta pauta hace 500 años; hoy la describiríamos como la correspondiente a un cristal cuasiperiódico con simetría prohibida. Prohibida no por ninguna razón religiosa, evidentemente, sino porque a primera vista parece imposible de construir. Imagina una pared cubierta con azulejos que son triángulos equiláteros, si la rotamos mentalmente un tercio de vuelta (120º), nos queda exactamente como estaba. Lo mismo ocurre con azulejos cuadrados y un cuarto de vuelta (90º) o con hexágonos y un sexto de vuelta (60º). Esta característica hace que se puedan cubrir las superficies completamente, sin dejar huecos, usando triángulos, cuadrados y hexágonos. Pero con los pentágonos no se puede conseguir, te quedan huecos, y no existe forma de construir una pauta que parezca la misma si la giras un quinto de vuelta (72º).

Cometa (izqda.) y flecha (dcha.)
Los artistas islámicos, trabajando como estaban para edificios religiosos (los palacios también lo eran) querían incorporar la simetría pentagonal como reflejo de los cinco pilares del Islam. Lo consiguieron empleando dos formas distintas en una proporción única. Penrose llegó al mismo resultado en 1973 con las formas que llamó la cometa y la flecha y su resultado tenía propiedades matemáticas fascinantes. Cualquier fragmento de la superficie cubierta usando estas formas, esto es, conteniendo un número finito de cometas y flechas, podía ser dividido en pautas que no se repiten nunca de cometas y flechas más pequeñas. Además cuanto mayor sea el fragmento, es decir, cuanto mayor sea el número de azulejos necesarios para cubrirlo, la proporción de cometas a flechas se aproxima a la proporción áurea, un número lo más parecido a sagrado que tienen los matemáticos.

La proporción áurea es un número irracional, ya conocido por Pitágoras y a quien se atribuye su descubrimiento. Irracional implica que no puede expresarse como una fracción de números enteros y tiene, por tanto, un número infinito de cifras decimales: 1, 618 033 989 ... (hay números con infinitas cifras decimales pero que sí pueden expresarse como una fracción, como 1/3, por ejemplo, y que son racionales). Está íntimamente vinculado a la serie de Fibonacci y lo citan Kepler y Leonardo da Vinci ( y sí, también aparece en el “Código da Vinci”). La proporción áurea aparece en la naturaleza en los lugares más insospechados, desde las ramas de los árboles a la resonancia magnética de los espines en los cristales de niobato de cobalto, y su uso en el arte y el diseño industrial es ubicuo.

Los investigadores han dado siempre por sentado que cualquier disposición cristalina de átomos tiene una pauta que se repite perfectamente en todas direcciones. Estas disposiciones repetitivas de los átomos son análogas a las pautas de azulejos que cubren perfectamente una superficie. El premio Nobel de Química de 2011, concedido a Daniel Shechtman, reconoce el descubrimiento de una nueva categoría de cristales cuyas pautas no se repiten de la forma tradicional, un descubrimiento que llevó a la redefinición del concepto de cristal en 1991, y que tiene su reflejo en los azulejos islámicos.

En 1982, Shechtman estaba usando experimentos de difracción electrónica para dilucidar la simetría y otros detalles estructurales de muestras metálicas. En ese momento estaba en el entonces llamado National Bureu of Standards (hoy National Institute of Standards and Technology, en Maryland, EE.UU.) cuando descubrió que una aleación de aluminio y manganeso enfriada rápidamente mostraba una simetría prohibida, pentagonal. La simetría extraña aparecía en una dirección, en la que sus datos mostraban los puntos de difracción electrónica dispuestos en anillos concéntricos de 10 puntos cada uno, mientras que en las otras direcciones los anillos contenían 6 puntos, lo que indicaba una geometría hexagonal convencional. En conjunto, la simetría del patrón de difracción era exactamente la de un icosaedro.

Se sabía que podía haber disposiciones icosaédricas de átomos en estructuras metálicas ultracompactas, pero también se sabía que esta simetría, con su eje quíntuple, estaba estrictamente prohibida para un cristal periódico. Se necesitaron dos años antes de que Shechtman pudiese publicar un artículo [1] con su descubrimiento, el tiempo necesario para que él y su equipo pudiesen realizar comprobaciones muy cuidadosas para descartar cualquier otra posibilidad, por ejemplo, que los puntos inesperados viniesen de regiones cristalinas con orientaciones diferentes. Finalmente, demostraron que la simetría icosaédrica se extendía a distancias de micras, o lo que es lo mismo, miles de veces el espaciado atómico.

A las seis semanas de la publicación apareció un artículo escrito por Dov Levine y Paul Steinhardt, por aquel entonces en la Universidad de Pensilvania (EE.UU), al igual que el de Shechtman publicado en Physical Review Letters, en el que resolvían el misterio del cristal con simetría quíntuple e introducían el término cuasicristal [2]. En él afirmaban que la simetría icosaédrica estaba permitida siempre que la estructura fuese sólo “cuasiperiódica”. Por ejemplo, si una pauta contiene dos elementos que se repiten con diferentes períodos, y el ratio de estos períodos es irracional, nunca se “sincronizarán”, ni siquiera a largas distancias; dado que no se repiten, estas pautas pueden evitar las prohibiciones usuales sobre ciertas simetrías rotacionales. Pero algo de esto ya nos suena, ¿no?

Exacto, es el tipo de juego geométrico al que se había estado dedicando Penrose la década anterior y los musulmanes hace 500 años. Lo sorprendente fue encontrarlo en un material real, ya que se asumía que la dificultad enorme de construcción de una pauta infinita impedía su aparición. Investigaciones posteriores pusieron de manifiesto que esto no es en absoluto así: un cuasicristal, una estructura cuasiperiódica en general, puede ensamblarse átomo a átomo siguiendo sólo reglas locales sencillas como las que gobiernan el crecimiento de cristales estándar.

El arte islámico abrió la mente a una nueva geometría para plasmar un principio teológico; Shechtman abrió nuestras mentes para pensar en la cristalinidad de una forma nueva.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la Edición 2.7 del Carnaval de Matemáticas que organiza La aventura de la ciencia y en la VIII Edición del Carnaval de Química que acoge Caja de ciencia.


[1] Shechtman, D., Blech, I., Gratias, D., & Cahn, J. (1984). Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry Physical Review Letters, 53 (20), 1951-1953 DOI: 10.1103/PhysRevLett.53.1951

[2] Levine, D., & Steinhardt, P. (1984). Quasicrystals: A New Class of Ordered Structures Physical Review Letters, 53 (26), 2477-2480 DOI: 10.1103/PhysRevLett.53.2477

miércoles, 5 de octubre de 2011

Termócrates o La entropía

El manuscrito llegó a mi nombre a la oficina de correos. Cuando, ya en casa, lo abrí, en vez del libro que esperaba encontrar aparecieron unas cuantas hojas fotocopiadas y la carta. El remitente, que no revelaba su nombre, aseguraba que aquellas páginas escritas en ático eran un tesoro. Tuve el impulso de tirarlo todo a la basura pensando que era parte de una elaborada broma, pero el espíritu científico prevaleció y decidí hacer una comprobación. A través de un amigo contacté con un profesor de griego clásico de una conocida universidad española que, de momento, prefiere mantener el anonimato, y le envié por correo electrónico los documentos escaneados.

No había pasado media hora cuando el profesor me llamó presa de una gran excitación, farfullando cosas ininteligibles de las que sólo pude entender “diálogo de Platón desaparecido”. Cuando conseguí que se calmase me explicó que uno de los diálogos más famosos e influyentes de Platón, el Timeo, que trata sobre el origen del universo y de la física, realmente estaba previsto que fuese una trilogía. La segunda parte era otro diálogo llamado Critias, que se consideraba inacabado, y la tercera se especulaba con que estuviese centrada en uno de los personajes del Timeo, Hermócrates. Los documentos que yo le había enviado eran un diálogo al estilo platónico donde la voz cantante la llevaba un personaje llamado Termócrates, de ahí su excitación. Un análisis del contenido y, habida cuenta de algunos cambios de estilo y referencias, podríamos estar ante una copia romana datada en el primer siglo antes de la era común de un original griego.

Una vez tranquilizados ambos pensamos en qué hacer. No teníamos los documentos originales y, sin ellos, no podíamos pensar en publicar nada a nivel científico. Tampoco teníamos forma de contactar al inexistente remitente del paquete. Así que, por su interés intrínseco, decidimos hacer una traducción, en la que yo asesoraba en el aspecto científico, y publicarla en Experientia docet, por si algún día aparecían los documentos originales y se podía avanzar algo en la investigación.

Lo que sigue a continuación es esa traducción. Hemos intentado ser fieles en lo posible al texto. Algunos términos digamos “técnicos”, que hacen referencia a dispositivos desconocidos para la historiografía griega, los he adaptado a la terminología moderna, como, por ejemplo, “refrigerador”. Se ha hecho una conversión de la unidades citadas para favorecer la comprensión del lector moderno. También hemos resaltado en negrita algunas de las conclusiones más importantes.

El diálogo se desarrolla entre un filósofo sin ocupación conocida, Termócrates, y dos ciudadanos atenienses, Mochatónides y Faetón, que discuten sobre la naturaleza del calor durante cinco jornadas. Termócrates adopta una actitud socrática, preguntando y guiando para que sean sus discípulos por sí mismos los que descubran la verdad. Hasta donde hemos podido comprobar todas las ideas de Termócrates son físicamente correctas y muy avanzadas para su presunto tiempo. Rogamos a los físicos que lean el texto hasta el final antes de sacar sus espadas. Un ensayo sobre el contenido físico del diálogo aparecerá próximamente, presumiblemente en Amazings.es, en el que incluiremos una breve bibliografía sobre esta presentación de la física térmica.

Termócrates o La entropía

Jornada primera

Mochatónides: Hoy realmente hace calor, venid y guarezcámonos debajo de esta parra hasta que refresque.
Faetón: Bueno, lo de que hace calor te lo parecerá a ti. Porque no hay forma de saber cuánto calor hace, ni cuánto frío, todo depende de la persona que lo sienta.
Termócrates: Efectivamente, la sensación de calor depende de distintos factores y varía con las personas, pero el calor es una noción clara y distinta en física.
Mochatónides: Ilústranos, ¡oh, maestro!
Termócrates: Sabéis que el universo es matemáticas y todo filósofo que se precie describe el mundo en términos de unas cantidades que varían. Por eso cada cosa que podemos observar, y medir, la llamamos variable. Ambos sabéis cómo se llama la variable que nos permite describir el estar más caliente o más frío...
M: ¡La temperatura!
T: Correcto. Pero con una sola variable no se puede hacer física. La física pide relaciones entre variables. Por tanto necesitamos otra variable con la que poder describir lo caliente y lo frío. Estoy seguro de que también conocéis esta segunda variable. Es la que nos dice cuánto calor hay en un cuerpo, en otras palabras, la cantidad de calor. Una botella de agua caliente, por ejemplo, contiene calor, siempre y cuando el agua esté caliente. Ahora necesitamos un nombre para esta variable que veremos que se mueve de un sitio a otro.
F: Si está en las cosas y se puede mover, llamemos entropía a la cantidad de calor.
T: Bien. Tenemos la temperatura, que medimos en grados y, como dice Faetón, la entropía que mediremos en carnots, otro nombre inventado. Ahora mirad este cántaro con agua de la fuente que está a 18 grados y este otro que tiene la misma cantidad de agua pero que está al sol y a 54 grados. ¿En qué cántaro hay más entropía?
M: En este, el que está a más temperatura.
T: Bien. Ahora vierto un poco de agua de este otro. Tenemos ahora dos cántaros con agua a la misma temperatura pero en uno hay más agua que en el otro, ¿dónde habrá más entropía?
F: Está claro, en el que contenga más agua.
T: Correcto. Pues esta pequeña reflexión nos permite tener nuestras primeras reglas, a saber, la primera es que cuanta mayor es la temperatura de un objeto, más entropía contiene y la segunda es que cuanta más cantidad de materia (a esto lo llamamos masa) tiene un objeto, más entropía contiene. Pero esperad, hemos dicho que debemos describir el mundo usando las matemáticas. Si en este cántaro hay 100 carnots y vierto un cuarto en este otro, ¿cuánta entropía hay en éste?
M: Eso es fácil, Termócrates. 25 carnots.
F: Siempre se te dieron bien las matemáticas complejas, Mochatónides.
T: Bien. Y, ¿dónde están las 75 que faltan, Faetón?
F: En el otro cántaro.
T: Correcto. Tenemos dos variables pues, una depende de la cantidad de materia y decimos que es extensiva, que es la entropía, y la otra no depende de la cantidad de materia, que es la temperatura y decimos que es intensiva.
M: ¡Qué interesante, Termócrates! Pero sigamos la conversación mañana que ya ha anochecido y debo atender a mi anciano padre.
T: Sea.

Jornada segunda

Termócrates: Bien hallados. Continuemos con nuestra investigación que ahora comienza a ser realmente interesante. Hay aquí un cántaro con agua caliente, que meto en este otro cántaro mayor que contiene agua fría, ¿qué pensáis que ocurrirá?
F: La temperatura del caliente bajará y subirá en el grande.
T: Puedes explicarme qué pasa usando la entropía.
F: No creo tenerlo claro, Termócrates.
M: Está claro, la entropía va del cántaro interior al exterior.
F: Realmente eres bueno en el pensamiento abstracto, Mochatónides.
T: Os atrevéis a formular una regla.
F: Vas muy rápido, Termócrates.
M: Yo, sí: la entropía va de lo caliente a lo frío.
T: Correcto. Si lo queremos decir más formalmente sería que la entropía fluye por sí misma de los lugares a mayor temperatura a los lugares a menor temperatura. Cuando esto ocurre el cuerpo más caliente se enfría y el frío se calienta. En otras palabras, la diferencia de temperatura disminuye. Cuando las temperaturas se han igualado completamente, el flujo de entropía se para. A este estado le pondremos un nombre, ¿cuál sugieres Faetón?
F: Bueno es un estado de equilibrio y, en honor tuyo Termócrates, lo llamaremos equilibrio termocrático.
M: Muy largo me parece, ¿por qué no equilibrio térmico?
F: Está bien, sea. Pero dejémoslo por hoy que me duele la cabeza.
T: De acuerdo, continuemos mañana, pero recordad que hoy hemos aprendido que una diferencia de temperatura provoca un flujo de entropía.

Jornada tercera

Termócrates: Espero que estés mejor hoy, Faetón. Recordaréis que decíamos ayer que la entropía va por sí misma de lo caliente a lo frío. Baja la pendiente de temperatura por su propia iniciativa. Sin embargo, pasa algunas veces que nosotros los humanos queremos que la entropía vaya cuesta arriba. ¿Qué podemos hacer?
F: No sé de qué hablas, Termócrates. Me siento confuso.
M: Tampoco yo sé a qué te refieres, Termócrates.
T: Sabéis, porque lo discutimos al hablar del aire, que el aire fluye de los lugares de mayor presión a los de menor presión. Sale de una vejiga inflada pero no entra en ella. ¿Qué hemos de hacer para hacer que el aire entre en la vejiga, para inflarla?
F: Soplar.
T: Correcto. Esa fuerza que nosotros hacemos al soplar hace que el aire se mueva en contra de su tendencia natural. El filósofo Palaciósides llama a los dispositivos que solucionan problemas, bombas. Usando este término podemos decir que la bomba infla la vejiga haciendo que el aire vaya de un sitio de menor presión a otro de mayor presión. Si queremos que la entropía vaya de lo frío a lo caliente, en contra de su tendencia natural, tenemos que forzarla también. Y aunque no sepáis cómo hacerlo podéis decirme qué nombre le pondríamos a este dispositivo.
F: Una bomba de entropía.
T: Hoy estás rápido, Faetón. Me gusta el término. Pero imagino un día en el que en cada casa habrá una de estas bombas de entropía, pero que los sofistas en su confusión las llamarán bombas de calor, y la gente común refrigeradores o incluso neveras, porque se formará nieve en su interior. Y las usarán para llevar la entropía de los alimentos al exterior de cámaras para así tenerlos frescos. Pero bueno, esto son imaginaciones mías. Ya desbarro, dejémoslo por hoy.

Jornada cuarta

Termócrates: Mirad, un ladrillo que he recogido por el camino. Y yo me pregunto, ¿cuánta entropía contiene el ladrillo? ?Cuánta entropía puedo sacar de él?
M: Termócrates, apiádate de nosotros. Es muy temprano.
T: ¿Os habéis dado cuenta de que os he hecho dos preguntas?
F: ¿Cómo que dos? Has hecho una.
T: No, dos. Primero cuanta entropía contiene y, segundo, cuánta puedo sacar de él.
F: Pero eso es como preguntar lo mismo, ¿no? Cuando tengo una medida de cerveza en una jarra, puedo sacar una medida.
T: Lo que está muy bien para la cerveza, pero tú y yo, Faetón, conocemos situaciones en las que se puede sacar más de lo que hay.
F: ¡Oh, sí! Mi cuenta con Aberrónidas. Deposité con él la herencia de mi madre y ahora le debo 15 dracmas.
T: Entonces, ¿qué pasa ahora con tu cuenta?
F: Ese usurero de Aberrónidas me ha permitido que me endeude sin avisarme.
T: Es decir, que tienes una deuda de 15 dracmas o, lo que lo mismo, tus posesiones son menos 15 dracmas. Estoy convencido de que existen fenómenos físicos en los que ocurre algo parecido, como esos experimentos frotando ámbar, pero centrémonos en la entropía. ¿Qué pasará con ella? A diferencia de otros que no consideran mancharse las manos, yo soy partidario de hacer experimentos o, al menos, de fijarme en los experimentos que hacen otros. Puedo aseguraros que, independientemente del esfuerzo que hagáis y de lo grande que sea la bomba de calor que uséis llegaréis a una temperatura que no podréis superar y esa temperatura es -273 grados. ¿Cómo explicaríais la existencia de este límite?
M: La temperatura no puede bajar más porque ya no hay nada más que bombear. No queda entropía en el ladrillo.
T: Y esto es cierto para cualquier cuerpo. Por tanto tenemos otra regla: la temperatura más baja que un cuerpo puede tener es -273 grados y a esta temperatura el cuerpo no contiene nada de entropía. De paso hemos resuelto nuestra segunda pregunta: no existe entropía negativa. No podemos sacar más entropía de la que hay dentro. Y daos cuenta también de que yo puedo definir una nueva escala de temperaturas, haciendo que el cero de la escala sea nuestro -273, de forma que esta escala de temperatura, ¿cómo la llamarías, Faetón?
F: Escala irreductible.
M: Mejor, ¡absoluta!
T: Bien, llamémosla absoluta. Tenemos pues la escala absoluta de temperaturas. Dejémoslo por hoy, empieza a refrescar.

Jornada quinta

Mochatónides: ¡Qué frío! Termócrates, tu casa está helada.
T: Bueno, ya sabes lo que significa calentar la habitación.
M: Sí, tenemos que aumentar su contenido de entropía.
T: Correcto. ¿Y cómo podemos hacerlo?
F: Yo no sé vosotros, pero yo voy a encender un buen fuego.
T: ¿Y qué ocurrirá cuando lo enciendas, Faetón?
F: Pues no sé qué quieres decir. Habrá una llama, supongo.
M: ¡La entropía vendrá de la llama!
T: Y, ¿cómo se introdujo en la llama?
M: No se introdujo, se origina en ella. Se produce en la llama.
T: Has captado la esencia de la entropía de forma excelente, Mochatónides. La entropía puede crearse durante la combustión.
F: Cuando estuve en Egipto vi cómo los sacerdotes practicaban un arte en el que la mezcla de sustancias generaba calor y, por tanto, entropía.
T: Muy bien, entonces, ¿cómo podemos generalizar esta idea?
F: Pues si consideramos que la combustión también forma parte del arte egipcio, podemos decir que la entropía puede crearse por los procesos de la khemeia. Pero esto suena raro, así que propongo decir que la entropía puede crearse por reacciones químicas. No sé, se me acaba de ocurrir la expresión.
M: ¡Por Atenea, que hoy estás creativo, Faetón!
T: Me parece bien, pero ¿qué estás haciendo con las manos, Mochatónides?
M: Las froto para entrar en calor.
T: Por tanto...
M: La entropía puede crearse por fricción mecánica.
F: Está comprobado que el frío nos agudiza el ingenio.
T: Hemos querido calentar algo y lo hemos logrado. Pero, mi té contiene demasiada entropía para mi gusto, está muy caliente. ¿Cómo puedo enfriar mi taza de té?
F: Pues esperas.
T: Correcto. ¿Y qué pasa entonces con la entropía?
F: Sale de él, que está caliente, y se va a la habitación, que sigue estando fría.
T: Pero la habitación no parece que se caliente por ello.
M: Sí se calienta.
T: Pero yo no lo percibo...
M: Eso es porque la habitación es muy grande comparada con la taza de té. Aún recuerdo lo que nos contaste el primer día que hablamos de este tema.
T: Me acabáis de decir que la entropía puede producirse. La entropía aparece sin que haya que quitarla de otra parte. ¿Existe algún método por el que yo la pueda destruir?
F: ¡Buf! Ni idea...
M: No sé, déjame pensar...
F: Yo diría que no.
M: Claramente, no.
T: ¿Por qué no?
M: Pues porque no. Por que as así. La entropía no puede destruirse.
T: Acabáis de descubrir lo que los filósofos llaman una de las leyes fundamentales del universo: la entropía puede crearse pero no destruirse.
F: Pues vaya tontería. No parece muy impresionante.
T: Lo es, lo es. A poco que reflexionéis un poco lo veréis. Os diré que muchos filósofos y sofistas han intentado demostrar su falsedad sin éxito. Y si se han esforzado tanto es por las consecuencias que para el universo tiene una regla como esta.
M: ¡Por todos los dioses! Si esta regla es cierta la entropía en el universo sólo puede aumentar.
T: Y más cosas...
F: A mi se me ocurre que entonces el tiempo no puede ir hacia atrás, pero me parece una estupidez.
T: Es cierto, Faetón. Si en un proceso se crea entropía, ese proceso no puede ir para atrás, ya que ello significaría que la entropía se está aniquilando, lo que está prohibido según nuestra regla. Por tanto, los procesos en los que se produce entropía son irreversibles.
M: Se me ocurre que habría que definir lo que es proceso, cuáles son sus límites, qué cosas se consideran parte del proceso y cuáles no...
F: Y también cómo se transporta la entropía, calcular cuánta entropía puede mover una bomba...
M: Y lo que pasa en los cambios de hielo a agua y de agua a vapor...
F: Y qué materiales pueden contener más entropía que otros...
T: Bien, bien. Veo que ya estáis equipados para investigar por vosotros mismos. Mi misión mayéutica está cumplida.

domingo, 2 de octubre de 2011

Químicos Modernos: Los Joliot-Curie o acertar a la segunda (con James Chadwick).

Foto de grupo de nuestros protagonistas: Conferencia Solvay, 1933. Sentados de izqda. a dcha: segunda, Irène, quinta, Marie, sexto, Langevin, octavo, Rutherford, último, Chadwick. De pie de izqda. a dcha.: tercero, Frédéric, decimocuarto, Bothe. La tercera mujer presente, junto a Chadwick, es Lise Meitner.

En la familia Curie ya había una tradición de educar en casa a los hijos para escapar de la ortodoxia académica, que constreñía sus capacidades, y de la influencia clerical católica. El padre de Pierre Curie, Eugène Curie, médico protestante, educó a éste y a su hermano Jacques en casa con la ayuda de un amigo, el señor Bazille, que fue quien despertó el amor a la ciencia y a las matemáticas en ambos hermanos. Por eso, tras la muerte de Pierre en 1906 y ante el hecho de que Irène, su hija y la de Marie Curie, demostraba unas capacidades sobresalientes en ciencias y matemáticas, abuelo y madre deciden crear “la cooperativa”, un grupo de notables científicos (además de la propia Marie, personajes como Paul Langevin o Jean Perrin) que se turnan para educar a los hijos de todos ellos. El proyecto lo alimenta el espíritu revolucionario (participó en la revolución de 1848 contra la monarquía) del abuelo Curie, y termina con la muerte de éste en 1910. Pero la semilla ya estaba plantada.

Irène Joliot-Curie
Irène terminó el bachillerato en un liceo normal del centro de París y se matricula en la Sorbona para estudiar ciencias. La primera guerra mundial interrumpe sus estudios y se une a su madre como enfermera radióloga en los hospitales de campaña del frente. Sólo conseguiría su doctorado en 1925, dirigida por Paul Langevin. Ese mismo año un joven ingeniero químico, tres años menor que ella, es contratado como asistente de Marie en el Instituto del Radio, donde ya trabajaba Irène. Jean Frédéric Joliot había recibido una educación liberal y compartía con Irène unos principios y compromisos políticos muy arraigados. El que sería héroe de la resistencia francesa, fabricante de cócteles Molotov durante las revueltas de París de 1944, contra todo pronóstico, se enamoró de la hija de su jefa. Contra todo pronóstico porque él fue descrito como un “Maurice Chevalier” y ella como “un trozo de hielo”. Con todo, la pareja se casa en 1926 y decide unir sus apellidos como nombre de la familia, por lo que ambos pasan a ser Joliot-Curie, pero seguirán firmando profesionalmente con sus apellidos de solteros.

Frédéric Joliot-Curie
Ante la insistencia de Paul Langevin, que ya detectó su talento siendo alumno, así como, sobre todo, de Marie, Frédéric estudia otra licenciatura en ciencias y se doctora mientras colabora en el Instituto del Radio. Su trabajo se mantiene separado del de Irène hasta que deciden investigar juntos un nuevo fenómeno: Walther Bothe y sus colaboradores afirmaban haber observado que, cuando elementos ligeros eran bombardeados con partículas alfa (núcleos de helio, He2+), se producía una radiación diez veces más potente de lo esperado.

Para investigar esta radiación de Bothe, los Joliot-Curie hicieron uso de una potente fuente de partículas alfa usando el polonio acumulado por Marie Curie y de un dispositivo relativamente nuevo: una cámara de niebla. La cámara de niebla permite observar la trayectoria de las partículas cargadas: cuando una partícula con carga eléctrica atraviesa vapor de agua sobresaturado (“niebla”) el agua se condensa en su estela.

Dado que la radiación de Bothe no dejaba estela en la cámara de niebla y era capaz de atravesar todo lo que le habían puesto por delante, incluidas varias capas de plomo, los Joliot-Curie asumieron erróneamente que estaban frente a radiación gamma de alta energía (ondas electromagnéticas, fotones). Así, publicaron en 1932 que esta “radiación gamma” arrancaba protones de la parafina. Ernest Rutherford afirmó nada más leer el artículo, “No me lo creo”. Y es que había inconsistencias graves en la lógica de los esposos, pero no así en sus datos experimentales, extremadamente precisos. De esta forma dejaron pasar un gran descubrimiento.

El problema es sencillo de entender. Imagina que tienes bolas de billar y bolas de jugar a los bolos. Los fotones gamma son bolas de billar y son capaces de alterar las trayectorias de otras bolas de billar, como los electrones. Pero los Joliot-Curie estaban afirmando que una bola de billar era capaz no sólo de poner en movimiento a una bola de jugar a los bolos de las pesadas, esto es, un protón que tiene 2000 veces la masa de un electrón, sino de apartarla de su camino.

James Chadwick
James Chadwick, que trabajaba en Inglaterra, veía esta inconsistencia. Su trabajo experimental demostraba que la radiación de Bothe tenía una dirección preferente, es decir, si las partículas alfa inciden de izquierda a derecha, la mayor parte de la radiación de Bothe va de izquierda a derecha. Si la radiación de Bothe fuese electromagnética se emitiría en todas direcciones, por lo tanto tenía que ser una partícula. Como la radiación no dejaba estela en la cámara de niebla, se deducía de aquí que era una partícula sin carga. Chadwick estaba convencido de que estaba observando el “protón neutro”, más conocido como neutrón. Pero antes de publicar nada tenía que ser capaz de medir alguna de sus propiedades, fundamentalmente su masa. Su suerte fue haber trabajado con Ernest Rutherford, que poseía una capacidad sin igual para ver la esencia de un problema experimental: “¿Me preguntas que cómo puedes detectar al hombre invisible en un Picadilly Circus lleno de gente? Muy fácil, por la gente con la que choca, por las reacciones de las personas a las que empuja”. Chadwick usó la radiación de Bothe para golpear átomos de nitrógeno, helio e hidrógeno y observó sus reacciones. Comparando la magnitud de sus “rebotes” pudo determinar que la masa de la partícula de la radiación de Bothe era muy parecida a la del protón. Chadwick declaró descubierto el neutrón en el mismo 1932.

Los Joliot-Curie se recuperaron pronto del golpe que supuso su error de cálculo. Habían continuado experimentando con el bombardeo con neutrones (que ellos seguían llamando radiación de Bothe) y descubierto que elementos ligeros como el boro y el aluminio seguían emitiendo radiación después de que cesara el bombardeo. Sus átomos diana habían absorbido la “radiación” (neutrones) y se habían convertido en elementos radioactivos artificialmente.

Cuando poco después estallase la II Guerra Mundial y viendo el potencial bélico de sus estudios, los Joliot-Curie, que habían dejado de publicar poco después del ascenso de Hitler al poder, confiaron sus documentos científicos a Hans von Halman y Lew Kowarski para que los llevasen a Inglaterra en 1940, mientras ellos se quedaban luchando en Francia. Una vez a salvo en Inglaterra, James Chadwick los calificó de secretos poco antes de unirse al proyecto Manhattan.

En 1935 James Chadwick recibió el premio Nobel de física por su descubrimiento del neutrón y los Joliot-Curie el de química por su descubrimiento de la radioactividad artificial.

Marie Curie, orgullosa, dijo “Hemos vuelto a los años gloriosos del viejo laboratorio” y habló con su editor para lanzar una nueva edición de su libro sobre la radiactividad para poder incluir el descubrimiento de su hija. El libro apareció póstumamente.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la VIII Edición del Carnaval de Química que organiza Caja de Ciencia