Un caballo de Troya contra el cáncer de mama

siRNA dispersándose por la célula cancerígena tras abandonar el recubrimiento de ácido hialurónico.

El focense Epeo del Parnaso ensambló, por las artes de Palas, un caballo henchido de hombres armados e introdujo la mortífera imagen dentro de los muros. De aquí recibirá entre los hombres venideros el nombre de caballo de madera, encubridor de lanzas escondidas.

Eurípides, Las troyanas, 10.

El cáncer de mama triple negativo es uno de los más puñeteros que existen. Es difícil de tratar, siendo resistente a algunos de los tratamientos más eficaces contra el cáncer de mama y, casi siempre, fatal. Una de las razones por la que los tratamientos no funcionan es porque las células están armadas con bombas celulares que eliminan los fármacos anticancerígenos que consiguen superar las murallas celulares. Un equipo de investigadores encabezado por Zhou Deng, del departamento de ingeniería química del Instituto de Tecnología de Massachusetts (EE.UU.) en colaboración con el Instituto Koch de Investigación del Cáncer, ha diseñado una nanopartícula de tres capas que, como el antiguo caballo Troya, primero engaña, luego elimina las defensas y finalmente destruye las células cancerosas. Los resultados se publican en ACS Nano.

La capa externa de cada nanopartícula está hecha de ácido hialurónico, un polisacárido que tiende a acumularse en las células cancerígenas. Esta capa es la que engaña a la célula cancerosa, como Sinón a los troyanos, y la que permite que la nanopartícula entre en la célula.

La capa intermedia esta hecha de ARN, en concreto un tipo de ARN conocido como ARN pequeño de interferencia (siRNA, por sus siglas en inglés) que son el producto de genes que no codifican proteínas. Ahora sabemos, en contra de lo que se ha pensado durante mucho tiempo, que los genes que no codifican proteínas, de los que los siRNA son sólo un ejemplo, son muchos más que los que codifican proteínas. La función de los siRNA es interferir en la producción, precisamente, de proteínas, regulándola de este modo. Esto mismo hace que los siRNA puedan emplearse médicamente para desactivar la producción de una proteína específica. El equipo de Deng ha seleccionado un siRNA que desactiva la proteína que forma las bombas. En nuestra analogía el siRNA sería Odiseo y sus hombres escondidos en el caballo, que eliminan a los centinelas y abren las puertas de la ciudad.

La capa más interna de la nanopartícula está constituida por un fármaco quimioterapeútico estándar, la doxorrubicina (un antibiótico), el equivalente al ejército aqueo oculto en Ténedos y que se apresura a tomar y destruir Troya. Y parece ser que esto es lo que ocurre, al menos en ratones.

Los investigadores prepararon cuatro grupos de siete ratones con cáncer de mama triple negativo. Cada uno de los cuatro grupos recibió un tratamiento distinto: el primero, control, fue suero salino; el segundo, nanopartículas de ácido hialurónico con siRNA activo; el tercero, cápsulas de ácido hialurónico, doxorrubina pero con siRNA inactivo; y, finalmente, el cuarto, con la particula completa, esto es, hialurónico, siRNA activo y doxorrubina. Cada grupo recibió una dosis cada cinco días, durante quince.

En los grupos primero, segundo y tercero los tumores llegaron a ser 6 veces mayores que 15 días antes. En el cuarto, con la partícula completa, los tumores se redujeron, en promedio, un 87% en tamaño y, en dos ratones, desaparecieron completamente. Troya había sido arrasada.

Pero los ratones no son mujeres. Y la prueba es muy pequeña. Por lo que este resultado debe ser tomado con precaución extrema. Pero, con todo, parece prometedor. Será necesario realizar pruebas con muestras mucho mayores que, de confirmar estos resultados, indicarían que estaríamos ante una nuevo tipo de terapia capaz de acabar con lo que hasta ahora parecía intratable. Como los troyanos.

Referencia:

Deng Z.J., Morton S.W., Ben-Akiva E., Dreaden E.C., Shopsowitz K.E. & Hammond P.T. (2013). Layer-by-Layer Nanoparticles for Systemic Codelivery of an Anticancer Drug and siRNA for Potential Triple-Negative Breast Cancer Treatment, ACS Nano, 131021120115007. DOI: 10.1021/nn4047925

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXIX Edición del Carnaval de la Química que organiza Más ciencia, por favor

Químicos Modernos: Ellen Richards, la economía doméstica como cultura científica

Con motivo del 150 aniversario del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) el diario The Boston Globe confeccionó en 2011 una lista con los 150 contribuciones técnicas más importantes que habían sido desarrolladas en el MIT o por alumnos del MIT. El listado era también una forma de homenajear a esas 150 personas, entre las que estaban por ejemplo Tim Berners-Lee, el inventor de la World Wide Web, en el número 1, o Ivan Getting, el inventor del GPS, en el 10, o los veintitantos premios Nobel asociados a la institución. Aquí tienes una vista simplificada de los 30 primeros. Sólo hay dos mujeres, en las posiciones 7, Helen Greiner, cofundadora de iRobot, y en la 8 nuestra protagonista, Ellen Swallow Richards, “experta en nutrición, primera mujer admitida en el MIT”. Nunca una descripción, siendo cierta, fue tan injusta con una persona. Esta es su historia. 

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Cuando el amarillismo no es necesario: la bacteria de las heces de Materia que desafía a los amos del petróleo

Estos días, desde su aparición el pasado día 22, ha aparecido varias veces por mi cronología de Twitter una noticia publicada originalmente en Materia titulada “Una bacteria que vive entre heces desafía a los amos del petróleo” firmada por Manuel Ansede y que ha sido recogida por diversos medios como, por ejemplo, El Economista. La aparición en Twitter se debía o bien a que a alguien le parecía un gran logro, revolucionario, o a que a alguien no le terminaba de cuadrar. En todas las ocasiones he dejado clara mi opinión sobre ella: grandilocuente, amarillista, presta atención a detalles sin importancia (heces, vertidos en Níger) y no entra en otros más importantes (impacto medioambiental y económico) y sólo menciona un genérico "múltiples obstáculos", fácilmente interpretable por los conspiranoicos como referidos a los puestos por "los amos del petróleo" asaz desafiados.

Estaba considerando la posibilidad de escribir sobre el asunto cuando me he encontrado con un artículo en la Smithsonian Magazine de Joseph Stromberg que es, posiblemente, lo más cercano a la perfección que un químico industrial como yo puede pedir a un medio periodístico. Lo que sigue es una traducción del mismo, empezando con el titular; en negrita, algunas ideas-fuerza mías. Dejo al amable lector que saque sus conclusiones.

Post scriptum: José Cuesta (@inerciacreativa) nos señala que algo de esto ya ha aparecido en documentales de la BBC. ¿Y cómo es posible si este artículo apareció publicado el 17 de abril de este año? Pues muy fácil, porque otro equipo de Berkeley hizo algo similar en 2010. La principal diferencia estaba en el sustrato, en vez de ácidos grasos, celulosa. Se puede leer sobre este estudio aquí y aquí. A este respecto es interesante hacer notar que este resultado se publicó en Nature, fue financiado por Chevron, pero que la expansión de la planta piloto anunciada, curiosamente, también el 17 de abril, es para la producción de n-butanol.

Una bacteria E. coli modificada genéticamente ya puede sintetizar combustible diésel.

Durante las últimas décadas los investigadores han desarrollado biocombustibles a partir de una llamativa variedad de organismos (soja, maíz, algas, arroz e incluso hongos). Sin embargo, ya sea en la forma de etanol o de biodiésel, todos estos biocombustibles sufren de la misma limitación: han de ser refinados y mezclados con grandes cantidades de combustibles convencionales basados en el petróleo para que funcionen en los motores actuales.

Si bien este no es en absoluto el único problema actual de los biocombustibles, un nuevo enfoque de un grupo de investigadores de la Universidad de Exeter (Reino Unido) parece que podría resolver al menos este inconveniente en concreto de un plumazo. En un artículo publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences el equipo explica que ha modificado genéticamente una bacteria E. coli para producir moléculas que son intercambiables con las que están presentes en los combustibles diésel que ya se venden comercialmente. Los productos de esta bacteria, si se generasen a gran escala, podrían teóricamente ir directamente a los millones de motores de coches y camiones que usan diésel a nivel mundial, sin la necesidad de ser mezclado con diésel basado en petróleo.

El grupo, liderado por John Love, consiguió estos resultados mezclando y encajando genes de distintas especies bacterianas e insertándolos en la E. coli usada en el experimento. Cada uno de estos genes codifica enzimas concretas, por lo que cuando los genes se insertan en la E. coli, la bacteria adquiere la capacidad de sintetizar estas enzimas. Como resultado también gana la capacidad de realizar las mismas reacciones metabólicas que esas enzimas realizan en cada una de las especies bacterianas donantes.

Seleccionando y combinando cuidadosamente reacciones metabólicas los investigadores construyeron una ruta química artificial paso a paso. Usando esta ruta la E. coli modificada genéticamente fue capaz de absorber las moléculas de grasa de un caldo con alto contenido en ácidos grasos que llenaba la placa petri en la que crecía y se reproducía, convertirlas en hidrocarburos y excretarlos como producto de desecho.

Los hidrocarburos son la base de todos los combustibles basados en el petróleo, y las moléculas concretas que han conseguido que produzca la E. coli son las mismas presentes en los combustibles diésel comerciales. Hasta ahora sólo han producido cantidades minúsculas de este biodiésel bacteriano, pero si fuesen capaces de hacer crecer estas bacterias a gran escala y extraer su producción de hidrocarburos, tendrían diésel listo para usar. Por supuesto que aún queda por ver si el combustible producido de esta manera será capaz de competir en términos de coste con el diésel convencional.

Además, la energía nunca viene de la nada, y la energía contenida en este combustible bacteriano se origina en el caldo de ácidos grasos en el que creció la bacteria. Como resultado, dependiendo de la fuente de estos ácidos grasos, este nuevo combustible podría ser objeto de algunas de las mismas críticas que se hacen a los biocombustibles actualmente en producción.

Por ejemplo, está el argumento de que convertir alimentos (ya sea maíz, soja u otros cultivos) en combustible causa perturbaciones en el mercado de alimentos global, incrementando la volatilidad de los precios, tal y como reflejó un estudio de la ONU el año pasado. Además, si el objetivo de desarrollar nuevos combustibles es combatir el cambio climático, muchos biocombustibles se quedan enormemente cortos, a pesar de su imagen “verde”. Usar etanol hecho a partir de maíz (el biocombustible más usado en los Estados Unidos), por ejemplo, probablemente no sea mejor que quemar gasolina convencional en términos de emisión de carbono, y puede que de hecho sea peor, dada toda la energía que se emplea en el cultivo y su procesamiento para combustible.

El que este diésel a partir de bacterias sufra de estos mismos problemas depende en gran medida de la fuente de ácidos grasos que se termine usando para hacer crecer la bacteria a escala comercial: si proviene de un cultivo de potencial uso alimentario (digamos aceite de soja o de maíz) o si viene de una fuente de energía actualmente pasada por alto. Pero el nuevo enfoque ya tiene una ventaja importante: Solo los pasos necesarios para refinar otros biocombustibles para que puedan usarse en los motores ya emplean energía y generan emisiones de carbono. Eliminando estos pasos, el nuevo biodiésel podría ser una elección de combustible eficiente desde el comienzo.

Si te ha interesado puedes contribuir a la difusión de esta anotación votándola aquí.

Un método para la obtención de poliestireno cristalino

Buena parte de mi carrera como químico en la industria ha estado ligada a la aplicación de polímeros sobre superficies metálicas para distintos usos, desde envases alimentarios hasta recubrimientos hidrofílicos en aletas de intercambiadores de calor, pasando por blísters farmacéuticos. Cuando queríamos conseguir propiedades mecánicas importantes, como la capacidad de los polímeros de resistir una fuerte deformación del metal, o químicas, como resistencia a la corrosión o medios ácidos, sabíamos que la clave era estabilizar la estructura tridimensional de los polímeros consiguiendo que las distintas macromoléculas poliméricas creasen enlaces estables entre sí. Es lo que se llama curado, en términos del oficio, o reticulación, poniéndonos un poco más técnicos, ya que se crea una red tridimensional.

El amable lector se preguntará a qué viene esto. Pues viene a que la noticia que comento a continuación es de esas que pasan inadvertidas, de las que poca gente sabe apreciar, y que sin embargo entrañan una dificultad técnica notable y tienen una transcendencia económica a futuro innegable. Espero ser capaz de explicarla como merece, en este caso particular corro el riesgo de emplear demasiada jerga. Vamos a ello.

Un equipo de investigadores, encabezado por Gaetano Distefano, de la Universidad de Milán-Bicocca (Italia), ha creado un material de base polimérica que tiene estructura cristalina. El material consigue su cristalinidad con entrecruzamientos entre cadenas poliméricas. Los resultados se publican en Nature Chemistry.

La estructura de los materiales compuestos por fibras, como son las cadenas de polímeros, tiene un gran impacto en sus propiedades. Un caso conocido es el Kevlar, que consigue su alta tensión de rotura (ideal para chalecos antibalas o velas náuticas de competición) porque los polímeros se alinean creando entre ellos multitud de puentes de hidrógeno. Por esta razón los químicos han (en este caso, hemos) empleado mucho tiempo y esfuerzo en conseguir estructuras tridimensionales estables y regulares de distintos polímeros o, en una palabra, que se aproximasen a una forma cristalina.

Las técnicas para conseguir una estructura tridimensional estable de un haz de fibras varían mucho con el polímero en cuestión. Desde puramente mecánicas, como el “peinado”, en el que las fibras se alinean simplemente frotando la superficie en la que están depositadas [por si alguien conoce los maquinones donde esto se hace, aquí tiene una explicación de por qué tienen tal cantidad de rodillos de paso no motorizados]. Los polímeros pi-conjugados, esos en los que los electrones están compartidos por muchos átomos y sus enlaces, se alinean “químicamente”, empleando moléculas guía [realmente es una acción puramente electrostática en esta fase, pero bueno]. Estos métodos como se puede intuir son muy específicos de cada polímero o mezcla de polímeros, y son simplemente alineaminetos, como conseguir que un montón de espaguetis estén en la misma dirección en una mesa. El alineamiento, siendo una condición necesaria pero no suficiente, por sí solo no garantiza ni resistencia al calor ni a los disolventes.

Lo que este grupo de investigadores ha hecho viene a ser lo siguiente, usando un símil de la edificación: imaginar el producto final, crear un andamio que diese su estructura general, incorporar los anclajes de la estructura, y subir los ladrillos al andamio; después han creado los muros con los ladrillos, los han sujetado con los anclajes cada uno en su sitio y han retirado los andamios, quedando la estructura buscada. El andamio se llama PCP (polímero de coordinación poroso). En esta estructura dada por el PCP Distefano et al. embebieron moléculas de DVTP (2,5-divinil-tereftalato), que actuarían como anclajes, entrecruzándose (formando enlaces con distintas cadenas) con el polímero. Después incorporaron a la estructura los ladrillos, monómeros de etenilbenceno (estireno para los amigos), en los canales paralelos de la PCP. Con todo en su sitio polimerizaron los monómeros, obteniendo poliestireno, a la vez que se entrecruzaba. Finalmente retiraron el andamio disolviendo el PCP con EDTA (ácido etilen-diamino-tetra-acético). Resultado: poliestireno cristalino (no se confunda con poliestireno cristal, que es un grado industrial).

Para saber si se ha logrado el objetivo desde un punto de vista macroscópico tan sólo hay que medir la densidad conseguida y comprobar la resistencia a calor y disolventes. A mejor empaquetamiento, mejor ocupación del espacio, más densidad. El nuevo material tiene una densidad de 1,13 g/cm³, alrededor de un 8% más que el poliestireno normal (el que se emplea en los envases de yogur, por ejemplo) que es de 1,05 g/cm³, buena señal. Además aguanta los disolventes orgánicos habituales y temperaturas de hasta 200 ºC. Espectacular. Eso sí, serán necesarias muestras mayores que las obtenidas para poder determinar las propiedades mecánicas de interés ingenieril.

Tenemos que hacer constar que en las veriones habituales del poliestireno, atáctico y sindiotáctico, se habla siempre de grados de cristalinidad, lo que indica el nivel de ordenamiento. No son cristales reales, aparte de por no estar completamente ordenados microscópicamente, porque macroscópicamente no tienen una temperatura de fusión, sino una temperatura de transición vítrea. Por otra parte la estructura cristalina del poliestireno isotáctico fue determinada por Giulio Natta en 1960.

Este trabajo es un ejemplo magnífico de todo el campo que queda por explorar en el uso de polímeros convencionales desde el punto de vista estructural, materiales, no lo olvidemos, completamente orgánicos.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXII Edición del Carnaval de Química que organiza Roskiencia 

Referencia:

Distefano, G., Suzuki, H., Tsujimoto, M., Isoda, S., Bracco, S., Comotti, A., Sozzani, P., Uemura, T., & Kitagawa, S. (2013). Highly ordered alignment of a vinyl polymer by host–guest cross-polymerization Nature Chemistry DOI: 10.1038/nchem.1576

La estructura del vidrio determinada átomo a átomo

El cristal de tu ventana realmente no es un cristal, es un vidrio compuesto de sílice (óxido de silicio). Ese mismo vidrio, algo más puro, se emplea como aislante por los fabricantes de los chips que gestionan el dispositivo que estés empleando para leer este texto. Esto podría llevarnos a creer que la estructura del vidrio de sílice es algo conocido y dominado, no habría más que ver la cantidad de elementos decorativos de formas muy elaboradas que se hacen en vidrio o la potencia de cálculo de algunos microprocesadores. Y nada más lejos de la realidad. Hasta ahora se viene tocando de oídas basándose en una teoría elaborada hace 80 años. Sólo recientemente se ha podido comprobar experimentalmente a nivel atómico esta teoría, lo que tendrá sus implicaciones para la industria de los semiconductores y la de los catalizadores.

En 1932 W.H. Zachariasen publicó The Atomic Arrangement in Glass [1], un artículo clásico que ha sido probablemente el más influyente en la historia del vidrio. En este artículo Zachariasen dio a la comprensión de la estructura del vidrio y su relación con la composición su base científica. Intuitivamente se hablaba de sólidos amorfos y, algo más tarde, se afirmaba que un vidrio era un material sólido que tenía la estructura de un líquido. La imposibilidad de aplicar la difracción de rayos X para determinar la estructura atómica llevaba a estas imprecisiones. Zachariasen, sin embargo, afirmó que un vidrio es una red tridimensional extensa de átomos que forma un sólido que carece de la periodicidad a larga distancias (una ordenación repetida) de los cristales. Pero eso no implica que no tenga orden a corto. Zachariasen llegó a proponer una reglas (pueden consultarse aquí) para la ordenación a corto que nunca se han comprobado experimentalmente pero que, en la práctica, son capaces de explicar los comportamientos macroscópicos observados.

En una serie de trabajos [2,3,4] el equipo encabezado por Leonid Lichtenstein, del Instituto Fritz Haber (Alemania) ha conseguido observar por primera vez de forma directa los elementos característicos de la estructura y los patrones que aparecen en ella. Tal y como predijo Zachariasen la estructura corresponde a un átomo de silicio rodeado por tres átomos de oxígeno, exactamente igual que en la sílice cristalina. Sin embargo, la sílice cristalina forma un panal de abeja regular compuesto exclusivamente por hexágonos en un plano, mientras que en el vidrio los anillos, si bien los hexágonos son las estructuras más frecuentes, también se forman desde rectángulos a anillos de más de nueve átomos.

Los investigadores, ante la imposibilidad de emplear difracción de rayos X, decidieron determinar la posición de los átomos uno a uno (literalmente). Para ello diseñaron un modelo bidimensional de un vidrio. Produjeron en una cámara de vacío ultra alto sólo dos capas atómicas de sílice sobre un sustrato de rutenio previamente recubierto por una capa de oxígeno. Dependiendo de la temperatura durante la preparación de la muestra y de la cantidad de sílice y oxígeno presentes los investigadores podían obtener desde una estructura completamente amorfa a otra completamente cristalina o una mezcla de las dos. En cualquier caso la estructura era completamente plana.

En primer lugar, usando un microscopio de efecto túnel Lichtenstein et al determinaron la posición de los átomos de oxígeno. Estos datos ya ponían de manifiesto las estructuras de Chachareasen. Posteriormente las estructuras fueron completamente confirmadas con un microscopio de fuerza atómica que también puede detectar los átomos de silicio. Esto es, consiguieron obtener una imagen precisa de todas las posiciones atómicas de un vidrio bidimensional.

Los investigadores también investigaron la transición entre la sílice amorfa y la cristalina. En la frontera la homogeneidad de los hexágonos de la estructura cristalina empieza a dejar paso a pentágonos y heptágonos. Conforme más se avanza en la parte amorfa más desviaciones aparecen en el número de átomos por anillo.

Estos datos no sólo permitirán conocer mejor las características de los vidrios empleados en la industria de los semiconductores, también arrojarán luz sobre el uso de la sílice y otros óxidos como catalizadores.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIX Edición del Carnaval de Química que organiza Leet mi explain

Referencias:

[1] WH Zachariasen (1932). The atomic arrangement in glass. J. Amer. Chem. Soc., 54 

[2] Lichtenstein L, Heyde M, & Freund HJ (2012). Crystalline-vitreous interface in two dimensional silica. Physical review letters, 109 (10) PMID: 23005304
[3] Lichtenstein, L., Heyde, M., & Freund, H. (2012). Atomic Arrangement in Two-Dimensional Silica: From Crystalline to Vitreous Structures The Journal of Physical Chemistry C, 116 (38), 20426-20432 DOI: 10.1021/jp3062866
[4] Lichtenstein, L., Büchner, C., Yang, B., Shaikhutdinov, S., Heyde, M., Sierka, M., Włodarczyk, R., Sauer, J., & Freund, H. (2012). The Atomic Structure of a Metal-Supported Vitreous Thin Silica Film Angewandte Chemie International Edition, 51 (2), 404-407 DOI: 10.1002/anie.201107097

La geometría del hombre gordo.

Robert se sobresaltó con el timbre del teléfono a pesar de llevar esperando casi media hora desde que solicitase la conferencia.

• Profesor, el profesor...eerr...Johnny, al habla

Robert pasó por alto la falta de protocolo de su secretaria. Nadie se sentía a gusto con el apellido de Johnny.

• Johnny, aquí Robert...Sí,sí, todos bien. John, deja lo que estés haciendo y vente para aquí. Te necesitamos....Sí...Sí...Si no fuese urgente y de extrema importancia no te lo pediría de esta manera....Eso no puedo prometértelo...Sabes que no puedo darte más información por teléfono...De acuerdo, será solo una consulta para resolver este problema concreto. Estate tranquilo, sé como trabajas. Tendrás lo que necesites....Sí, ¡ja, ja! Tendrás un documento con el problema planteado y todos los condicionantes esperándote....Bien, sí, ¡ja,ja! Te veo dentro de tres días...Ah, y Johnny, ¡köszönöm!

El buen humor de la conversación se disipó pronto. Robert estaba en un callejón sin salida y recurrir a Johnny era su as en la manga. Su único as. Si Johnny no encontraba una solución, y pronto, todo el trabajo que estaban haciendo sería un auténtico desperdicio de talento, dinero y tiempo. Sobre todo de precioso tiempo.

Sabía que Johnny estaba al tanto del Proyecto en líneas muy generales, pero no de los últimos desarrollos ni de los condicionantes no puramente técnicos, así que se dispuso a prepararle un pequeño informe, suficientemente exhaustivo, para que se ubicase rápidamente tanto él dentro del Proyecto, como el problema en el contexto del desarrollo.

Informe de situación

ALTO SECRETO

Nos falta uranio apropiado 

Tenemos localizados cuatro depósitos importantes de mineral de uranio: Colorado, norte de Canadá, Joachimstahl y el Congo Belga. Todos menos Joachimstahl están en manos aliadas. Un estudio que realizamos en 1942 afirmaba que había suficientes cantidades de uranio para satisfacer las necesidades del proyecto. Pero esto no es así por motivos técnicos. Paso a ponerte en antecedentes. 

A comienzos del siglo pasado el mineral de uranio se recuperaba como subproducto en minas de Sajonia, Bohemia y Cornualles. La primera extracción específica de menas radioactivas tuvo lugar en Jáchymov, que los nazis llaman por su nombre alemán, Joachimthal, un lugar conocido por su minería de la plata. Curie usó pecblenda de Jáchymov para aislar el radio que, como ahora sabemos, es un producto de la desintegración del uranio. 

La extracción se produce en estos lugares por el contenido en radio. Como seguramente sabes el radio contenido en las menas de uranio se usa para hacer pintura luminosa para los diales de los relojes y otros instrumentos. El uranio es un subproducto que se viene usando como pigmento amarillo. 

En los Estados Unidos la primera mena de radio/uranio fue descubierta en 1871 en una mina de oro cerca de Central City, en Colorado. Sin embargo la mayor parte se produce en la meseta del Colorado, entre Utah y Colorado, asociada a la extracción de vanadio. Aquí compramos oficialmente vanadio, pero pedimos que no lo purifiquen. Nosotros separamos después el mineral de uranio. No es un sistema muy rentable. Las concentraciones de uranio son bajas. 

Otra fuente de suministro es Port Radium, cerca del lago Gran Oso, en Canadá, donde Eldorado Mining and Refining Limited tiene grandes cantidades de residuos como consecuencia de su extracción de radio. 

Estos minerales de uranio se encuentran en rocas sedimentarias, por lo que no tienen mucho rendimiento para nosotros. 

Desde el punto de vista del rendimiento es mucho más interesante un depósito precámbrico que hay en Katanga, en el Congo Belga, descubierto en 1913, que explota la Union Minière du Haut Katanga. Nuestros amigos ingleses nos han tenido que echar una mano para conseguir que reabrieran la mina, que estaba inundada, y comenzasen a suministrarnos. 

Pero si obtener uranio nos está costando trabajo, obtener el que nos interesa mucho más. El uranio consiste en un 99,3% de uranio-238 y un 0,7% de uranio-235, pero sólo este es fisible. Ambos isótopos son químicamente idénticos y tenemos que separar el U-235 del U-238. En Oak Ridge y aquí nos hemos devanado los sesos ideando métodos de separación. 

El método más obvio, la centrifugadora, falló desde el primer momento. Ahora estamos usando separación electromagnética, difusión gaseosa y difusión térmica. A Groves se le ocurrió la idea de que el producto de una planta fuese la materia prima de otra, por lo que te puedes hacer una idea de la productividad. Tras todos estos años y esfuerzos no tenemos ni 50 kg. Con estas limitaciones no podemos ni plantearnos hacer pruebas.

La alternativa

Nos planteamos entonces aprovechar la disponibilidad de U-238 para obtener plutonio-239 que también es fisible. En un reactor nuclear bombardeamos uranio natural con neutrones. El U-238 se transmuta en U-239, que se desintegra rápidamente, primero en Np-239 y después a Pu-239. De supervisar todo esto se están encargando Fermi y Compton en un juguetito que se han construido en Oak Ridge al que llaman reactor de grafito X-10.

El problema es que sólo se transforma una pequeña cantidad de U-238, por lo que tenemos que separar el Pu-239 químicamente del uranio que no ha reaccionado, de las impurezas iniciales y de otros productos de fisión. De esto se han encargado Seaborg y Thomson con un proceso que llaman del fosfato de bismuto (otro dolor de cabeza que no viene al caso que te cuente ahora). Lo que hacen es jugar con los estados de oxidación del plutonio +4 y +6 en disoluciones de fosfato de bismuto. En las condiciones en las que el estado es +4 el plutonio precipita; en las que es +6 se queda en disolución y todo lo demás precipita. Ya te haces una composición de lugar.

Todo este trabajo con el plutonio se basaba en las propiedades que habíamos estudiado con plutonio-239 fabricado en un ciclotrón. Este Pu-239 era extremadamente puro y sólo lo pudimos crear en cantidades muy pequeñas. Cuando recibimos el primer envío desde Oak Ridge Segrè se dio cuenta de que allí había más Pu-240 del deseable, con lo que teníamos un 500% más de riesgo de fisión espontánea que con el Pu-239 puro del ciclotrón. Cuando se lo comento a Seaborg, va y me recuerda un informe que hizo hace más de un año en el que predecía que el Pu-239 puede absorber un neutrón y convertirse en Pu-240. Que él, desde el punto de vista químico, se lava las manos: si separar U-235 del U-238 era dificilísimo, separar Pu-239 del Pu-240 es prácticamente imposible.

En el dispositivo que tenemos diseñado para el U-235, que es una especie de tubo de cañón, tenemos separadas masas de material fisible que en el momento de activación son empujadas la una contra la otra por explosivos convencionales. Pero esto no lo podemos hacer con el plutonio, porque en cada trozo se podría perder suficiente energía como para dispersar la masa crítica con sólo que se desintegrase un poco de plutonio.

El problema

Necesitábamos un diseño alternativo. Neddermeyer propuso el de la implosión que, después de estudiarlo concienzudamente, nos parece viable y, a decir verdad, nuestra única esperanza de ser capaces de producir más de un dispositivo. En este método usamos explosivos para compactar una estructura subcrítica de material fisible en una forma más pequeña y densa. Cuando los átomos fisibles están empaquetados más densamente el ratio de captura neutrónica aumenta y la masa pasa a ser masa crítica. Como, en el caso que nos plantemos, el Pu-239 tiene que desplazarse un trayecto muy corto dentro del dispositivo y se mantiene a baja densidad, disminuimos la probabilidad de que se produzcan las pérdidas fatales que origina el otro método.

Las investigaciones de Neddermeyer apuntan a que vamos en la buena dirección. Pero las dificultades teóricas e ingenieriles son mucho más complejas de lo que anticipamos. Estamos colapsados. Adjuntos encontrarás los informes de Neddermeyer y los datos que puedas necesitar.

Post scriptum:

Prefiero ponerte aquí por su importancia una pequeña nota sobre normas que sí debes memorizar y cumplir a rajatabla. Las otras te las adjunto y son las habituales de seguridad en instalaciones militares de alto secreto que ya conoces.

Higiene en las instalaciones

Debes evitar todo contacto con el material fisible o sus contenedores. Debes usar bata, guantes y mascarilla si entras en el laboratorio. Se ha detectado en trabajadoras de empresas de relojería que pintan con radio muchos casos de cáncer. Muller publicó en 1927 que la radiación produce mutaciones genéticas. Además puede quemar la piel con facilidad. Las dosis altas de radiación son incompatibles con la vida.

• Estás seguro, Robert, ¿un matemático?
• Seguro, Groves. Si Johnny no lo resuelve, no lo resuelve nadie.

Hacía sólo dos horas de esa conversación y Robert la rememoraba, nervioso, mientras esperaba en la estación. Nunca antes había dependido tanto su carrera de otra persona.

Johnny bajó del tren con su traje de tres piezas impecable más propio para uno de los típicos tés de Princeton, a pesar de venir al desierto de Nuevo México. Tras los saludos habituales fueron directamente al grano. Johnny leyó el informe en el coche y ojeó los documentos adjuntos durante media hora. Después se quedó mirando el paisaje en silencio. Silencio que Robert respetaba; sabía que Johnny estaba pensando. Cuando ya divisaban las cercas del complejo Johnny habló:

• Necesitaré un sitio tranquilo en el que trabajar. Donde nada ni nadie me moleste. Y necesitaré a las dos mejores computadoras, y por mejores entiendo que hagan sus cálculos bien a la primera, con rapidez y pulcritud.
• Del lugar no te preocupes. Te he reservado un pequeño bungalow en el extremo de la base donde no te molestará nadie, yo me encargo de eso. Respecto a las computadoras le pediré a Feynman que las seleccione.
• ¿El chico de Bethe? Bien.
• Oye, Johnny, ¿por qué dos?
• Porque existe la posibilidad de que genere ecuaciones al doble de velocidad de lo que una computadora competente pueda calcular. Y no pienso pasar mi tiempo aquí esperando a que alguien termine de sumar.
• Ya veo. ¿Cuando quieres empezar?
• Ya he empezado. Estoy convencido de que el problema es básicamente geométrico.

La noticia de que Johnny estaba en las instalaciones corrió como la pólvora. Robert tuvo que dar órdenes estrictas para que nadie se acercarse a saludarle, por muy amigo, compatriota o colega que fuese.

La luz en el bungalow de Johnny no se apagó esa primera noche hasta bien entrada la madrugada. Había mandado recado de que no necesitaría a las computadoras hasta las 7 de la mañana. A las 12 del día siguiente pidieron unos sándwiches de la cantina. A las 9 de la noche las computadoras, visiblemente agotadas, regresaron a sus habitaciones del pabellón de mujeres. Johnny seguía despierto a las 2 de la madrugada. Los guardas lo veían pasear arriba y abajo en el saloncito del bungalow estudiando lo que parecían ser los mismos papeles una y otra vez.

• Profesor, eeer...Johnny está aquí.
• Gracias, Anne. Pasa, pasa, Johnny. ¿Necesitas alguna cosa? Siéntate.
• Sí, un coche que me lleve a la estación. Tal y como te dije es un problema puramente geométrico. Aquí tienes el resultado.
• Pero...
• Está más que comprobado. Funcionará. Sólo tienes que encontrar los explosivos de velocidades adecuadas. Kistiakowski es mejor que yo en eso. Dale este papel, él sabrá lo que tiene que hacer. Aquí tienes los cálculos y aquí mis conclusiones. Tu tubo de cañón se ha convertido en un hombre gordo, me temo. Léelas que me voy a casa, no aguanto el desierto.

El documento no podía ser más breve.

Conclusiones

No sólo estoy de acuerdo con que la implosión reduce el riesgo de predetonación, sino que además considero que hará un mejor uso del material fisible disponible.

Muchos de los problemas que Neddermeyer se ha encontrado surgen de usar una configuración cilíndrica. En documentos adjuntos encontrarás la demostración de que la geometría esférica es la óptima.

Recomiendo el uso de lentes explosivas para configurar una onda de choque implosiva que garantice una geometría esférica. Estas lentes explosivas están constituidas por explosivos de distinta velocidad, rápidos y lentos, cuya onda expansiva se combina hacia dentro para obtener la geometría buscada. Los parámetros a buscar experimentalmente están dentro de los rangos que te especifico en el documento adjunto.

Es muy probable que la configuración óptima, dependiendo de los explosivos disponibles y sus características, esté constituida por 20 hexágonos y 12 pentágonos alrededor del núcleo esférico de material fisible, según este esquema:

                                           

• ¿Están claras?
• Diáfanas.
• Pues me voy. ¿Está el coche?
• No vas a ver a los muchachos. Están deseando saludarte.
• No, son demasiados. Ya he charlado un rato esta mañana con Ulam y Feynman y ya es suficiente para mí. Hasta nos han hecho una foto. Sólo diles que von Neumann estuvo aquí. Ellos entenderán.

                                                                       

Pasados los años Robert conservaba una copia de aquella foto. Representaba para él el momento cumbre del proyecto antes de la prueba, cuando supo que lo lograrían: en la foto aparecían sus muchachos agotados después de meses dando lo mejor de sí mismos y un genio venido de otro mundo que solucionaba con matemáticas lo que aquellos físicos y químicos brillantes metidos a ingenieros no alcanzaban.

Esta entrada es la modesta respuesta de Experientia docet al reto de redactar un texto con la capacidad de participar en 7 carnavales (matemáticas, física, química, biología, geología, tecnología y humanidades).

A efectos prácticos esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVIII Edición del Carnaval de Química (en XdCiencia), en la XXXV Edición del Carnaval de la Física (en Últimas noticias del cosmos) y en la 3,1415926 del Carnaval de Matemáticas (en Series divergentes).

De por qué la gasolina a partir de aire sólo la utilizarán los coches deportivos de los ecologuais.

Hace unos días el diario británico The Independent  lanzaba una exclusiva de la que se han hecho eco muchos otros medios, entre ellos la BBC, y webs ecologistas que tocan de oído, en la que relataba cómo una empresa británica era capaz de fabricar gasolina a partir del aire. También han aparecido automáticamente los conspiranoicos habituales que afirman que las petroleras no lo permitirán nunca, otros que afirman que se están violando leyes fundamentales de la física y aún otros que afirman que el proceso debería hacerse público para evitar su secuestro por las grandes compañías. Ejemplos de todo ello en los comentarios de esta entrada de NeoTeo.

Estamos ante un nuevo ejemplo de empresa en búsqueda de financiación para un producto ecológico, usando tecnologías conocidas, con mucha publicidad, relaciones públicas y atención de los políticos. Pues bien, de entrada, respondamos así de claro:

1. El proceso fundamental se encuentra en cualquier libro de texto de química
2. Lo que puede aportar novedad es la selección de la tecnología empleada de entre las disponibles 
3. No se viola nada
4. Esto, salvo sorpresa mayúscula, no va a ninguna parte

Pero veamos con algo de detalle el proceso que publica Air Fuel Synthesis en su web:

1. Se introduce aire en una torre donde existe un aerosol de disolución de hidróxido sódico. El dióxido de carbono del aire reacciona con parte del hidróxido sódico para formar carbonato sódico. Esta es una tecnología de captura de dióxido de carbono conocida y más que probada. Stolaroff et al. estimaron en 2008 que el coste de captura de la tonelada de dióxido de carbono, excluyendo la recuperación de la solución y otros costes operativos, era de un mínimo de 53 dólares y podía alcanzar los 127; los costes operativos no incluidos sólo de esta fase son del mismo orden de magnitud. Por tanto, podemos estimar conservadoramente que sólo esta fase cuesta 100 dólares por tonelada de dióxido de carbono capturado.

2. La disolución de hidróxido y carbonato de sodio obtenida en el paso 1 se bombea a una cuba electrolítica en la que se hace pasar una corriente eléctrica. La electricidad provoca la descomposición del carbonato con la liberación de dióxido de carbono. En este paso hay tres consideraciones trascendentes desde el punto de vista industrial. La primera, que se recupere eficientemente la disolución de hidróxido sódico, para ello la limpieza debe ser absoluta y el agua estar libre de iones que puedan precipitar como hidróxidos o carbonatos; segundo, relacionado con la primera consideración, el dióxido de carbono se liberará en forma de gas por lo que la celda debe estar cerrada y con un vacío previo si no queremos contaminaciones del producto; y tercero, esta disolución es muy corrosiva. Estos tres aspectos implican que el mantenimiento y la operación de esta fase son muy complejos, laboriosos y, por tanto, costosos. Es algo que a nivel de laboratorio se puede acometer con cierta facilidad pero que a nivel industrial es una pesadilla. Si añadimos el coste de la electricidad, ya ni te cuento.

3. Opcionalmente se puede instalar un deshumidificador que condense el agua del aire que se pasa por la torre en el paso 1. El agua condensada se pasa a una celda electrolítica donde una molécula muy estable se separa mediante electricidad en sus componentes hidrógeno y oxígeno. El agua se puede obtener de otras fuentes pero debe ser purificada para tener calidad electrolítica. Esta es la fase del proceso más cara energéticamente. Démonos cuenta de que la electrolisis del agua requiere sobrepotenciales para sobrepasar varias barreras de activación, por lo que la necesidad energética es mayor de la que se calcula a partir de la energía de las moléculas de agua. Es un proceso tan caro que es la principal barrera para la obtención de hidrógeno como fuente de energía. Un estudio del Departamento de Energía de los Estados Unidos calculó el objetivo de coste para un kilo de hidrógeno en 2012 en 3,70 dolares; en 2010 era de 5,21.

4. El dióxido de carbono y el hidrógeno se hacen reaccionar para conseguir una mezcla de hidrocarburos, variando las condiciones en función del tipo de combustible que se requiera. Lo que está muy bien y es muy bonito, pero veamos en realidad de qué se trata.

4.1 Convertir la mezcla de dióxido de carbono/hidrógeno en una mezcla de monóxido de carbono/hidrógeno conocida como gas de síntesis. El gas de síntesis es archiconocido por cualquiera que haya estudiado algo de química y mediante el proceso de Fischer-Tropsch, uno de esos que cae seguro en el examen, se obtiene el hidrocarburo líquido que quieras. Esta tecnología se conoce y se usa desde 1925. El problema radica en reducir el estable dióxido de carbono al reactivo monóxido de carbono, que no es algo tan sencillo. Conseguirlo de forma eficiente, igual que mencionábamos antes con el hidrógeno, ya sería un gran logro. Para dar una idea de la importancia y complejidad puede verse este artículo de Technology Review.

4.2 Una alternativa que, al igual que el proceso Fischer-Tropsch, es archiconocida, es hacer reaccionar el gas de síntesis para obtener metanol que se puede usar a su vez para obtener hidrocarburos con la reacción metanol-a-gasolina de Mobil. El problema continúa siendo obtener el monóxido de carbono.

5. Los productos obtenidos no pueden usarse directamente. Deben ser aditivados convenientemente para poder ser usados en los motores actuales.

Sólo con los costes de captura de dióxido de carbono y obtención de hidrógeno, sin nada más (y esa nada es enorme), resulta que el kilo de 2,2,4-trimetilpentano (el estándar de octano de la gasolina) me sale a 7,69 dólares o, lo que es lo mismo, a 5,31 dólares el litro. La compañía lleva invertidos 1,6 millones para obtener 5 litros; pues, mire usted, me lo creo.

Concluyendo:

1. No existe una síntesis directa de gasolina. Se especula con que se pueda conseguir pero hoy día lo realizan por dos rutas establecidas y muy conocidas: conversión a gas de síntesis y proceso Fischer-Tropsch o síntesis de metanol + proceso Mobil.
   
   
2. Los sistemas de obtención de los productos de partida son críticos debido al nivel de pureza necesario para los reactivos. La tecnología elegida ha sido la electrolisis lo que implica procesos discontinuos, altos costes energéticos y altos costes de mantenimiento y limita las fuentes de materias primas usables.
   
   
3. La economía de todo el proceso depende de la obtención de electricidad a costes muy bajos. Además, la obtención económica de los productos intermedios, como hidrógeno o monóxido de carbono, ya sería un hito suficiente.
   
   
4. El uso de cubas electrolíticas, el tratarse de un proceso por lotes y la necesidad de disponer de agua de una pureza alta, dificulta el escalado y, por tanto, la obtención de economías de escala para una producción masiva. El tamaño de planta eficiente no podrá ser muy grande.
   
   
5. No hay novedad científico-técnica. La noticia es que estén intentando hacerlo con tantas papeletas en contra. Lo máximo que pueden aspirar, salvo el hallazgo de algo revolucionario que en estos momentos no existe, es a fabricar gasolina con la etiqueta “ecológica”, signifique ello lo que signifique, a precios exorbitantes. Sólo millonarios esnobs que quieran disfrutar de deportivos con etiqueta ecológica se me ocurren como posibles clientes.
   
   
   
   
   Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVIII Edición del Carnaval de Química que alberga XdCiencia.

Nanobiomática, la revolución que marcará el siglo XXI

El 15 de abril de 2010 volvía a casa después de asistir a una demostración de un nuevo equipo industrial en una ciudad del centro de Suecia. Cuando llegamos mi compañero y yo al aeropuerto de Estocolmo nos encontramos con el caos. Al parecer un volcán en Islandia, el Eyjafjallajökull, había entrado en erupción y las cenizas que arrojaba a a la atmósfera obligaban a cerrar el espacio aéreo por tiempo indefinido. Nuestro vuelo a Madrid aún no estaba cancelado aunque sí muchos otros. Yo, siguiendo un instinto de supervivencia peculiar, entré en la bien surtida librería a comprarme un par de libros.

Nuestro vuelo fue el último en despegar de Estocolmo antes del cierre del espacio aéreo sueco y nuestro piloto nos llevó a España dando un rodeo por Polonia. En ese tiempo comencé a leer uno de los libros que más me ha hecho pensar en los dos últimos años: The Black Swan, The Impact of the Highly Improbable, de Nassim Nicholas Taleb.

Un cisne negro, citando a Taleb, es un acontecimiento que reúne tres características. Primero, es completamente inesperado, ya que nada en el pasado puede apuntar de forma convincente a esa posibilidad. Segundo, tiene un impacto enorme. Tercero, a pesar de ser inesperado, nuestra capacidad humana para la racionalización a posteriori hace que lo veamos como algo explicable y predecible.

Los cisnes negros son el tipo de acontecimientos que marcan las revoluciones científico-técnicas; pensemos en el descubrimiento de los rayos X o en la penicilina o, y perdonad que aquí cite una afición, los cuasicristales. En las próximas décadas serán los cisnes negros los que marquen la evolución de la ciencia y la técnica concretas. Por definición no podemos saber cuáles serán. Nosotros, en lo que sigue, no vamos a intentar predecir qué desarrollos concretos habrá en la ciencia y la técnica en lo que queda de siglo, ya dejamos a otros que se equivoquen en eso, sino que vamos a explorar brevemente, y sin ánimo de ser exhaustivos, las áreas en las que podrían producirse esos avances. Puede que te sorprendan.

La instrumentalización de la química y el recorrido limitado de la física.

La química, como ciencia que permite conocer el universo, está agotada. No habrá sorpresas químicas relevantes, si bien cabe esperar de ella una enorme variedad de contribuciones prácticas. La química es como una lengua que cuesta dominar: a lo largo de los siglos hemos ido aprendiendo su gramática, su vocabulario, sus modismos, cada uno de estos descubrimientos permitiéndonos conocer más el universo y a nosotros. Pero un idioma, una vez dominado, sirve para expresar ideas. Este es el futuro papel de la química, un instrumento sofisticado que facilitará mucho de lo que sigue.

La física sólo es un poco más estimulante desde esta perspectiva que hablamos. Aunque aún haya mucho que aprender acerca de la estructura fundamental del universo, las máquinas necesarias para realizar esta exploración son cada vez más grandes y caras. Existe un concepto económico crítico para estas situaciones, el de rendimientos decrecientes y, aunque el descubrimiento de una partícula compatible con el bosón de Higgs pueda estimular durante un tiempo breve el imaginario colectivo de los que administran el dinero, no cabe esperar muchas inversiones en algo que tiene de entrada pocas aplicaciones prácticas desde su punto de vista.

En las próximas décadas, salvo hallazgos no previstos en el modelo estándar que nos depare el LHC (más improbables si la partícula descubierta se confirma que, efectivamente, es el bosón de Higgs del modelo estándar), la física fundamental estará centrada en comprender la materia oscura (partículas fundamentales que interactúan con la de materia ordinaria aparentemente sólo a través de la gravedad) y en encontrar ondas gravitacionales (lo que permitiría unir la gravedad, explicada actualmente por la torre de marfil que es la teoría general de la relatividad, con la física cuántica que explica el resto de la física). Para conseguir ambos fines bastarían en principio instrumentos relativamente baratos comparados con un megaacelerador de partículas lineal, por ejemplo.

La otra gran incógnita de la física es la energía oscura, eso que hace que el universo se expanda aceleradamente. A diferencia de las dos anteriores, su resolución requiere de una revolución teórica previa más que de nuevos datos. Y esto entra de lleno en el dominio de los cisnes negros. Puede que ahora, mientras lees esto, un parado esté garabateando, en un parque de Málaga, la que podría ser la solución a este problema.

La revolución nanobiomática.

Para el año 2050, parece bastante probable que sepamos, más allá de la certeza estadística, que la vida es abundante en el universo. El estudio de los planetas extrasolares con nuevos telescopios espaciales parece que es algo que tiene la financiación poco menos que garantizada: la pregunta de si estamos solos en el universo es fácilmente entendible por los administradores y también interesante para ellos.

Un aspecto relacionado es el origen de la vida en la Tierra. La respuesta puede que venga del mejor conocimiento del funcionamiento celular y la identificación de sus partes más primitivas, y de la experimentación, es decir, de la creación de organismos vivos en el laboratorio a partir de moléculas químicas sencillas.

Pero los descubrimientos en biología están entrando en una fase exponencial que nosotros atribuimos a cuatro motivos principales:

1. La capacidad desarrollada recientemente de secuenciar el ADN rápidamente y en cantidades enormes.
2. Las mejoras en microscopia, en el sentido más amplio, desde sistemas de tinción a fotografías a nivel atómico, que permiten una mejor comprensión de los procesos celulares.
3. Las técnicas para el estudio específico del encéfalo y su funcionamiento, probablemente el objeto de estudio científico más interesante del universo.
4. La asunción generalizada de que la investigación biológica tiene que tener una perspectiva evolutiva.

Cabe esperar que en próximo par de décadas la caracterización genética de todas las especies esté completa. Alrededor del año 2030, dependiendo de la financiación, la mayor parte de la vida conocida habrá sido caracterizada, incluyendo la microbiológica marina o la subterránea profunda (de existir). En el proceso es posible que nos encontremos grandes sorpresas (asumimos que con más fundamento que la vida basada en arsénico).

Lo anterior, completar el álbum de cromos de la vida terrestre, es fascinante e intelectualmente atractivo. Pero esta base de datos genéticos gigantesca y el conocimiento biológico derivado de ella, abriría la puerta a la explotación industrial, lo mismo que ocurrió con la química en el XIX. En esto trabajan ya activamente personas como Craig Venter, ya sea por la vía de crear de vida sintética de diseño, ya por la creación de nuevos organismos transgénicos o directamente por el uso de nuevas especies.

Pero, sin duda, el punto de inflexión lo marcará la combinación de la biología con la nanociencia y la informática: la nanobiomática.

Digámoslo claramente, y citando a un sabio malagueño: la nanotecnología ha tenido un arranque de caballo andaluz y un parón de burro manchego. Durante los últimos veinte años se ha hablado mucho de nanotecnología pero, a fin de cuentas, salvo algunas estructuras que quedan muy espectaculares en fotografía y la alteración de las propiedades de algunos materiales, ya sea por la incorporación de otros o por técnicas de encapsulación, poco más se ha conseguido. Estamos a años-luz de esos ejércitos colaborativos de micromáquinas que prometían los visionarios de los años noventa. Pero esto cambiará cuando se conozca mejor el comportamiento de las células.

Las proteínas, el ARN o el ADN son moléculas grandes y tienen exactamente el tamaño típico de los objetos con los que opera la nanociencia: mayor que el de la química tradicional, pero aún suficientemente pequeños como para que la influencia de las interacciones supramoleculares electrostáticas sea crítica impidiendo que la ingeniería mecánica clásica pueda lidiar con ellas. De hecho, fueron estas interacciones las que arruinaron las predicciones de los visionarios: los engranajes y levas de las micromáquinas se veían alterados por las fuerzas de van der Waals y otros efectos mal comprendidos.

Pero, hete aquí que los sistemas vivos, obviamente, funcionan. Una vez que se analicen apropiadamente aparecerá todo un abanico de aplicaciones tecnológicas: ya sean organismos altamente modificados, o sistemas completamente artificiales que simplemente toman sus fundamentos de la biología, como los robots de Karel Capek, el inventor del término en 1921.

Pero unos robots así requerirían también la intersección de la biología, además de con la nanotecnología, con la informática y la inteligencia artificial, lo que hemos dado en llamar nanobiomática. La unión de una mejor compresión del funcionamiento del cerebro con una capacidad de computación artificial mucho más sofisticada. Las nuevas técnicas para el estudio del cerebro pondrán de manifiesto cómo se organiza el cerebro a nivel celular (conectoma). Los ordenadores, más rápidos y potentes, permitirán modelar como software esa nueva información. Así sabremos cómo funciona el cerebro de verdad, lo que permitirá la construcción de cerebros artificiales que trabajarán con los mismos principios, pero mucho más potentes y sin errores. Cerebros artificiales nanobiomáticos que puede que funcionen conscientemente.

Curiosamente, según la teoría de Taleb, nadie podrá hacer una fortuna apostando a nada de lo anterior: lo previsible no es novedoso realmente. Y es que el futuro lo conformarán los cisnes negros.

Primera detección de flúor elemental natural en la Tierra (que no en la naturaleza)

Antozonita de Wölsendorf. En su interior hay burbujas de flúor elemental.

En mi vieja copia del “Guti” (apelativo digamos que cariñoso de “Química Inorgánica” de Enrique Gutiérrez Ríos, 2ª Edición revisada, Editorial Reverté, 1984) se afirma categóricamente (pág. 183):

Como era de prever por su gran actividad química, los halógenos no se encuentran libres en la naturaleza. En cambio, los iones halogenuros X^- son, con la excepción del I^-, muy estables.

Esta afirmación, si aplica a algún elemento en especial, es al flúor, tremendamente reactivo. Sin embargo, tal y como está redactada, era falsa cuando se escribió y, tras una investigación digna de un químico del XIX publicada en Angewandte Chemie, es falsa de forma general en lo que respecta al flúor. Para hacer las cosas más interesantes (o enrevesadas), la redacción del artículo de Angewandte Chemie es incorrecta. Nos explicamos.

Los químicos han tenido la costumbre de identificar “naturaleza” con las partes del planeta Tierra accesibles para el hombre directa o indirectamente. Por ello, tenemos que entender la afirmación del Guti encuadrada en este contexto. No creo que ni el profesor Gutiérrez Ríos ni ninguno de sus ayudantes en una época en la que aún no existía Internet ni las bases de datos consultase los abstracts de astronomía y astrofísica para comprobar que el flúor elemental fue detectado en el espacio interestelar en 1981 [1]. En este sentido la afirmación del libro era incorrecta desde su publicación.

Pero habrá quien argumente que en el sentido “químico tradicional” de la palabra naturaleza era correcta y, en efecto, lo era. Porque ahora un equipo encabezado por Jörn Schmedt auf der Günne de la Universidad Ludwig Maximilian de Múnich (Alemania) ha detectado flúor elemental en la Tierra. Siguiendo la mejor tradición de las novelas de Agatha Christie, se escondía, literalmente, delante de nuestras narices, en el mineral de flúor más abundante, la fluorita (fluoruro cálcico).

La fluorita no sólo es el mineral de fluoruro más común, también es la principal fuente de flúor para usos comerciales. Algunos minerales de fluorita se conocen como “fluorita fétida” porque desprenden un olor característico, se entiende que no especialmente agradable, cuando se rompen o trituran. Esta variedad tiene una característica coloración violeta y se encuentra cerca de menas de minerales ricos en uranio como la pecblenda. Se la suele denominar antozonita y es común en Baviera, en el sur de Alemania (aunque el que esto escribe ha recogido muestras de ella en la mina de uranio de Saelices el Chico, Salamanca). Se atribuye tradicionalmente el olor característico a la liberación de flúor elemental (a mi así me lo dijeron durante mi visita a las instalaciones de ENUSA en Saelices hace ya la friolera de 23 años) pero no se ha podido probar. Hasta ahora.

El autor principal del artículo que nos ocupa [2], Florian Kraus, de la Universidad Técnica de Múnich, es una autoridad a nivel mundial en la química del flúor inorgánico. Kraus estaba repasando unas notas para un seminario cuando se topó con la historia de la antozonita. Aunque ya la había leído otras veces, en esta ocasión decidió investigar. Viajó a la mina abandonada de Wölsendorf, a 180km de Múnich, y recogió personalmente muestras del mineral.

De vuelta al laboratorio procedió a un primer análisis en la mejor tradición química alemana del XIX: cogió un martillo y pulverizó algunas muestras y, en vez de usar un espectrómetro artificial, usó el que el científico trae de serie y olió el resultado. Para su nariz entrenada aquello no podía ser otra cosa que flúor. Pero para asegurarse se dedicó a oler flúor puro, fluoruro de hidrógeno, fluoruro de xenón y difluoruro de oxígeno. El autor se apresura a recalcar que a concentraciones muy bajas y muy brevemente. [Ni se te ocurra hacerlo a ti, querido lector. Los daños pueden ser muy graves e irreparables.]

Convencido por su nariz pero consciente de que estos resultados del XIX no eran publicables en el XXI, Kraus intentó usar espectroscopia de masas para determinar la naturaleza del gas. El problema es que el flúor es tan reactivo que reacciona con los componentes del espectrómetro (reacciona hasta con el vidrio), por lo que el espectrómetro decía que no había nada cuando era obvio que había algo. Los otros autores son especialistas en resonancia magnética nuclear (RMN). El flúor es monosisotópico (F-19) por lo que se detecta bastante bien con esta técnica en muestras sólidas de antozonita. Los resultados mostraban claramente el pico del diflúor en las muestras de mineral.

Pero, ¿cómo puede existir flúor elemental en el interior del mineral con lo reactivo que es? Kraus propone como mecanismo el efecto de la radiación de las trazas de uranio presentes en el mineral: la radiación beta de la desintegración del uranio y demás nucleidos de su familia es capaz de arrancar el electrón extra del ion fluoruro F^-, convirtiéndolo en un átomo de flúor F, que se combina con otro para formar burbujas, vistas con microscopia electrónica, de hasta 200nm de diámetro de F₂.

Este resultado, aparte de cambiar libros de texto, pone de relieve la capacidad de la RMN para analizar inclusiones gaseosas en minerales.

Finalmente, en la mejor tradición del XIX que impregna esta investigación, los autores afirman que la suya es “la primera prueba directa de que el flúor elemental existe en la naturaleza”, pero ya sabemos que no es así, ¿no?

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVII Edición del Carnaval de la Química que organiza Un geólogo en apuros.

Referencias:

[1] Snow, T. P., Jr., & York, D. G. (1981). The detection of interstellar fluorine in the line of sight toward Delta Scorpii Astrophysical Journal, 247 (07) DOI: 10.1086/183585

[2] Schmedt auf der Günne, J., Mangstl, M. and Kraus, F. (2012), Occurrence of Difluorine F2 in Nature—In Situ Proof and Quantification by NMR Spectroscopy. Angew. Chem. Int. Ed.. DOI: 10.1002/anie.201203515

 

La estructura del azar y el i-Phone 5

Esta entrada tiene dos partes diferenciadas y autocontenidas; si te interesa el aspecto tecnológico exclusivamente puedes pasar a la segunda (Estructura a nanoescala de un vidrio metálico) sin necesidad de leer la primera, de contenido algo más matemático y especulativo.

Proyección ortográfica de un cubo de 5 dimensiones en 2 dimensiones sobrepuesto al patrón de difracción de un cuasicristal icosaédrico

Los servicios de inteligencia sabían muy bien en la época de la Segunda Guerra Mundial la importancia que la verdadera aleatoriedad tenía en los códigos que usaban sus espías para encriptar sus mensajes. Ya habían descubierto durante la Primera, de la forma más dolorosa, que una persona no puede escribir números realmente “al azar” y, por ello, en Bletchly Park, sede de los servicios de contraespionaje británicos, donde trabajó Alan Turing y se descifró el código de la máquina Enigma, había grupos de mujeres arrojando dados con los que construían cuadernos de un solo uso pseudoaleatorios para que los usasen los espías en el continente.

Construir secuencias aleatorias puede parecernos intuitivamente fácil, pero no lo es. No se trata de decir los números (letras o palabras son reducibles a números) que se nos ocurran y y ya está. Hemos de tener cuidado de que no dejemos, inconscientemente, una pauta: tendemos a usar determinadas palabras y estructuras gramaticales, por ejemplo. Pero, paradójicamente, intentar no dejar una pauta, ¡es una pauta! Estos es sólo la manifestación del hecho de que el azar, la pura aleatoriedad, contraintuitivamente, tiene estructura. Veamos un ejemplo.

Intenta escribir una secuencia de números naturales que tú creas que es aleatoria. Una vez que lo hayas hecho estudiala como si la hubiese escrito otra persona y busca pautas; las encontrarás rápidamente. Así, si nos limitamos a los números naturales entre 1 y 15 podríamos haber escrito:

1, 4, 6, 7, 10, 14

que parecen números al azar. Pero a estos números se le puede encontrar una pauta:

a, a+n₁3, b, a+n₂3, a+n₃3, 2(b+1) donde n = 1, 2, 3, ...

Dicho de otra manera, 1,4,7 y 10 forman una progresión aritmética en el que la diferencia entre un término y el siguiente es la misma (3). Sabiendo esto intentemos elegir los números de forma que no haya ningún tipo de pauta apreciable entre ellos:

1, 2, 4,

Con estos números ya no podemos elegir el 6 por que tendríamos 2, 4, 6, así que

1, 2, 4, 5,

y ahora no podemos elegir ni el 7 ni el 8...

Y esto es limitándonos a las progresiones aritméticas. Hemos podido ver que escribir una lista de números al azar no es trivial. De hecho el teorema de Szemerédi prueba que es imposible. Y rizando el rizo, ni siquiera usando números primos te libras del problema, como demuestra el teorema de Green-Tao.

Cuando consideramos los sólidos el concepto de aleatoriedad se asocia a los sólidos amorfos, a los llamados vidrios. En estos se dice que el empaquetamiento de los átomos, la secuencia en la que se colocan es aleatoria. Esto podríamos llegar a la conclusión de que no es cierto gracias a Szemerédi, aunque hay cuestiones puramente químicas que nos hacen intuir que esto no puede ser estrictamente así.

Por su estructura interna los sólidos podemos clasificarlos en cristalinos, cuasicristalinos y amorfos. Como las definiciones estándar de estas estructuras se pueden encontrar fácilmente en la red, nosotros vamos a ir un pasito más allá y hablaremos de hiperdimensiones y de los planteamientos sobre aperiodicidad de Harald Bohr para unificar matemáticamente la visión de las tres. Así, una estructura cristalina sería el corte de una función multidimensional periódica por un hiperplano racional, es decir, la estructura cristalina tridimensional es realmente el corte por un hiperplano según un plano de la celda hexadimensional. Análogamente, en un cuasicristal el corte de la función periódica es irracional (típicamente el número áureo), esto es, el hiperplano que corta no coincide ni puede hacerse coincidir con un plano de la celda hexadimensional.

Vemos que, desde este punto de vista, hemos agotado todas las posibilidades de corte de una celda hexadimensional con los cristales (números racionales) y los cuasicristales (irracionales). Por tanto, podemos conjeturar [lo que no he leído en ningun parte y es original de un servidor] que en un sólido amorfo, de existir hiperestructura, ésta tendrá una dimensionalidad superior a 6 pero finita. Y es finita por el teorema de Szemerédi y porque a corto rango existe orden en todos los sólidos.

Efectivamente, desde el punto de vista del orden tanto cristales como cuasicristales lo tienen a corto a medio y a largo. Es característico de los cuasicristales que existan simetrías icosaédricas, cosa que para los cristales no está permitida, y el orden a largo no es tan evidente. En los vidrios no existe orden a largo (en el sentido habitual del término, hay aleatoriedad), pero sí existe orden a corto porque químicamente los átomos sólo son estables o metaestables en determinados entornos. Se alcanzará un estado estable si la mezcla tiene tiempo y energía como para ordenarse suficientemente, si no, el estado será metaestable. La cuestión es ¿cómo es la transición del orden a corto al desorden a largo? ¿habrá fases cristalinas, cuasicristalinas? ¿Qué ocurre a medio rango?

Un indicio del aspecto que pueden tener las respuestas a estas cuestiones lo proporciona un grupo de investigadores encabezados por Jinwoo Hwang, de la Universidad de Wisconsin en Madison (EE.UU.), con los resultados que han publicado en Physical Review Letters sobre un vidrio metálico.

Estructura a nanoescala de un vidrio metálico.

Zonas de estructura cúbica (centro) e icosaédrica (bordes) en un vidrio metálico

Los vidrios metálicos (VM) tienen características técnicas muy interesantes: son metales, son fuertes, y resisten muy bien la corrosión y el desgaste. Pero pueden romperse de pronto. El conocimiento que se tiene de su estructura es muy limitado como para poder explicar estas características. El trabajo de Hwang et al., del que damos la referencia más abajo, sugiere que estos materiales contienen más orden de lo que sugiere su nombre.

Los especialistas en materiales sospechan que los VM tienen algún tipo de estructura semiordenada, aún cuando no sea un cristal perfecto. La teoría predominante, apoyada por modelos por ordenador, es que hay “agrupaciones” de átomos, entendiendo por agrupación un átomo central y sus vecinos inmediatos, que forman pentágonos distorsionados o, más bien, icosaedros, sus equivalentes tridimensionales. Estas geometrías tienen simetría traslacional quíntuple, por lo que estaríamos frente a estructuras tipo cuasicristal. Los materiales con esta estructura tienden a quebrarse bajo tensión, en vez de estirarse o doblarse, lo que coincide con los VM. Hay otra teoría que dice que hay varias agrupaciones que se organizan en disposiciones cristalinas de tamaños del orden de un nanometro, pero esto suscita más polémica.

Hwang et al. han añadido datos experimentales a un modelo por ordenador y el resultado es que la realidad sería más compleja que ninguna de estas hipótesis por separado.

El equipo de investigadores usó una técnica llamada microscopía electrónica de fluctuación (FEM, por sus siglas en inglés) para estudiar muestras de un VM de composición Zr₅₀Cu₄₅A_l5. La FEM mide las variaciones en la difracción de los electrones conforme un flujo de éstos se mueve por la superficie de una muestra delgada. Una muestra perfectamente homogénea, ya sea cristalina o amorfa, no tendría variaciones significativas en su modelo de difracción. Pero si la muestra tiene algún tipo de variación en la escala de uno a unos pocos nanometros la difracción cambiará de forma significativa. La técnica, por tanto, es sensible a lo que se denomina rango medio, el rango donde la microscopía electrónica convencional o la difracción rayos X tiene dificultades.

Los datos de la FEM se introdujeron en una simulación por ordenador (Montecarlo híbrida inversa) con el resultado de que diferentes zonas de la muestra tenían diferentes simetrías. Unas eran icosaédricas y otras eran cúbicas. Las zonas cúbicas podían llegar a ser el 15% de la muestra. Como ésta se había enfriado muy rápidamente desde su estado fundido, la estructura alcanzada es muy probable que sea metaestable.

Efectivamente, cuando la muestra se calentaba durante una hora a la temperatura de la habitación, el porcentaje de zona cristalina caía drásticamente pasando a una estructura icosaédrica. Esta estructura sería más estable, por tanto.

Decimos más estable y no la más estable porque puede que el estado alcanzado sea el de energía más baja. Esto, unido a que el estudio se refiere a un VM muy concreto, implica que no se puede generalizar el resultado a otros tipos de VM con facilidad. Pero, como todos los VM se fabrican por enfriamiento muy rápido, sí nos da indicios de lo que puede llegar a ocurrir con su uso industrial.

El iPhone 5 y los vidrios metálicos

Una de las características de los vidrios es que no tienen una temperatura de fusión, es decir, una temperatura a la que pasan del estado sólido al líquido. Por el contrario la transición de sólido a líquido es continua: los vidrios pueden visualizarse como líquidos de viscosidad muy próxima a infinita que, conforme se calientan, van disminuyendo progresivamente, empezando a fluir cada vez más. Esto los asemeja a los plásticos, que se van “derritiendo” cuando los calentamos haciéndose cada vez más maleables.

A diferencia, por tanto, de las aleaciones metálicas habituales, los vidrios metálicos pueden moldearse como el plástico: los puedes aspirar, empujar, soplar o lo que se te ocurra para que adopten formas muy complicadas sin pérdida de material y sin mecanización.

Si esto sigue siendo cierto incluso a micro o nanoescala podrías fabricar haces de nanocables o microengranajes para micromotores. El problema surge con el comportamiento a medio rango, que viene condicionado por la más que posible existencia de estructuras cristalinas metaestables, en principio, no deseadas.

Si el rumor de que el próximo iPhone 5 usará intensivamente VM es cierto, Apple estaría poniendo un montón de fe en un material cuyas características los científicos sólo están empezando a comprender.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XV Edición del Carnaval de Química que organiza El cuaderno de Calpurnia Tate.

Referencia:

Hwang, J., Melgarejo, Z., Kalay, Y., Kalay, I., Kramer, M., Stone, D., & Voyles, P. (2012). Nanoscale Structure and Structural Relaxation in Zr_{50}Cu_{45}Al_{5} Bulk Metallic Glass Physical Review Letters, 108 (19) DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.195505