Apuntes científicos desde el MIT

Las centenares de bombas atómicas que explotaron durante las pruebas de armamento nuclear en los años 50 dejaron “algo” en la atmósfera que los científicos están aprovechando para identificar cadáveres, estudiar la regeneración celular, detectar falsificaciones, o solucionar crímenes al más puro estilo CSI .

¿Os suena la técnica del Carbono 14 utilizada para la datación de restos fósiles?
El principio básico es el siguiente: La interacción de los rayos cósmicos con la atmósfera genera isótopos de Carbono-14 (átomos de C con 2 neutrones de más en el núcleo). Éstos se combinan con el oxígeno para formar CO2, que se incorpora a las plantas mediante la fotosíntesis y a los animales cuando se las comen. Al final la proporción de isótopos de C-14 respecto Carbono "normal" (C-12) en animales y plantas es la misma que existe en la atmósfera, una cantidad que se ha mantenido relativamente constante en los últimos miles de años. Pero al morir el tejido orgánico deja de incorporar nuevos átomos de C-14, y de hecho empieza a perderlos poco a poco porque el C-14 es un isótopo inestable y se va desintegrando a un ritmo que los científicos conocen perfectamente. Si analizas la cantidad de C-14 que queda en un determinado fósil sabrás su edad aproximada.
La sensibilidad de esta técnica sólo permite analizar muestras con una antigüedad máxima de 60.000 años, y que tengan como mínimo varios miles de años. Pero…

Se ve que como consecuencia de las más de 500 bombas atómicas que Estados Unidos y la Unión Soviética hicieron explotar en tierra firme durante sus tests en la década de los 50, los niveles de C-14 en la atmósfera se multiplicaron notablemente. Cuando en 1963 se prohibieron las pruebas nucleares en la atmósfera (continuaron haciéndose bajo tierra), los índices de C-14 empezaron a bajar poco a poco, encontrándose todavía ahora más altos de lo que estaban antes de las explosiones:

Hace un tiempo unos científicos ingeniosos pensaron: Si los animales y plantas hemos estado incorporando diferentes cantidades de C-14 atmosférico durante los últimos 60 años… ¿podríamos aprovechar esta variabilidad para algo? Vaya si lo están aprovechando…

¿Quién murió antes?
En 1992 la policía austriaca descubrió los cadáveres de dos hermanas que llevaban años fallecidas en su casa sin que nadie se hubiera enterado. Por motivos económicos y de seguros de vida cuantiosos había mucho interés en saber cuál había muerto antes. Los investigadores Walter Kutschera y Eva María Wild tuvieron una idea: si pudieran medir la cantidad de C-14 presente en algún material orgánico de los que se renuevan constantemente, y compararlo con los niveles históricos de C-14 en la atmósfera, quizás podrían averiguar el momento de su defunción. Funcionó. Kutschera y Wild concluyeron que una hermana había fallecido en 1988 y la otra en 1989.

¿Se renuevan las neuronas?
En 2001 la joven neurocientífica australiana Kirsty Spalding viajó a Suecia para investigar sobre la formación de nuevas neuronas. Al poco tiempo su jefe se enteró del caso de las hermana austriacas y le propuso la siguiente línea de investigación: Para saber si en una determinada zona del cerebro nacen nuevas neuronas o no, podemos medir la cantidad de C-14 que tienen. Si no se regeneran, habrá la misma proporción que en el momento del nacimiento, y si se forman nuevas neuronas deberíamos encontrar niveles diferentes. Kirsty pasó una temporada visitando mataderos hasta poner a punto la técnica con cerebros de caballo (necesitaba animales que vivieran bastante tiempo y tuvieran cerebros grandes). Cuando tuvo el procedimiento controlado, lo aplicó en humanos y demostró que en determinas zonas del neocórtex y del área visual no se generaban nuevas neuronas en edad adulta, algo que resultaba muy difícil de averiguar con otras metodologías. Actualmente Kirsty Spalding es una de las principales expertas en esta metodología que se sirve del C-14 originado durante las explosiones atómicas.

Identificación tras la tragedia del Tsunami
El devastador tsunami del 2004 en el océano índico mató a más de 200.000 personas, entre ellas unos 500 turistas suecos. Según el médico forense Henrik Druid algunos de los cadáveres estaban en tal estado que no podía distinguirse ni siquiera si se trataba de un adolescente o de una persona mayor. La edad es un dato importantísimo en la identificación de cuerpos, y para intentar averiguarla Henrik Druid recurrió a las técnica que Spalding había desarrollado en el Instituto Karolinska de Estocolmo. La tarea parecía sencilla: El esmalte de los dientes es permanente, por tanto sabiendo la cantidad de C-14 que contenían y comparándola con los datos históricos de C-14 en la atmósfera se podía averiguar el momento en que salió cada pieza. Se aplicó la técnica a los cuerpos todavía no identificados de 6 víctimas del tsunami y se predijo su edad con un margen de error de 1 año.

La policía sueca y también la canadiense están interesados en esta técnica como herramienta de investigación criminal. Henrik Fruid asegura que muy pronto oiremos hablar de casos resueltos con esta metodología, pero el rango de aplicaciones va mucho más lejos. Un grupo australiano realizó un estudio en el que logró identificar la añada de unos vinos muy preciados embotellados entre 1958 y 1997, científicos de los Institutos Nacionales de Salud de US la utilizan para estudiar la regeneración de células beta pancreáticas, e investigadores californianos pueden saber si el marfil confiscado provenía de elefantes cazados antes o después de la prohibición de cazarlos, y si un cuadro supuestamente anterior al 1940 se trata en realidad una falsificación moderna. Si el lienzo tiene niveles elevados de C-14, algo falla…

En la vertiente más científica Spalding y su jefe Jonas Frisén han desarrollado un ambicioso programa para investigar a fondo la regeneración celular en diferentes tejidos humanos. Pero en ciertos experimentos les tocará apresurarse un poco…, se calcula que en 2020 los niveles atmosféricos de C-14 volverán a ser los mismos que habían antes de los tests con armamento nuclear.

Estoy en Barcelona atendiendo al ESOF (European Science Open Forum): Varios centenares de investigadores europeos, académicos, políticos, periodistas… reunidos discutiendo asuntos técnicos y sociales alrededor del mundo de la ciencia.

Lo más noticiable, el número de registrados, anuncios varios… ya aparecerá en otros medios. Y los debates o reflexiones abiertas que nos puedan interesar, los trataremos más adelante. Son atemporales; no hay prisa. Para lo que a continuación os consultaré, un poquito de celeridad si que me iría bien…

Pero antes, os muestro un vídeo descubierto en el stand de la comisión europea que me ha encantado: La “Chemical Party”!, donde los elementos se relacionan siguiendo las leyes del mundo atómico:

Lo suyo es que cada uno juegue a interpretar lo que ve en el video. Yo luego os doy mi versión, pero vuelvo a interrumpir la lectura coherente del texto con la consulta que os mencionaba antes:

Mañana participaré en una sesión donde tengo que dar mi perspectiva sobre los blogs como herramienta de comunicación científica.
Me gustaría preguntaros a dos niveles. A los que leéis blogs: “¿qué os gusta del formato blog, qué os desagrada, qué ventajas veis respecto otros formatos, qué limitaciones,…?
Por otra parte, sé que entre vosotros hay bloggers excelentes. Querría también escuchar vuestras opiniones críticas al respecto, anécdotas, ejemplos, o algo curioso que os haya sucedido e ilustre el enorme potencial que tienen los blogs. Me encantaría poder citar algunos comentarios de este post en la mesa redonda de mañana.

Mi guión particular del video:
“El neón es muy noble, pero peca de arrogante y autosuficiente. No se relaciona con nadie. Está tan satisfecho con sus orbitales rellenos de electrones, que es prácticamente imposible que le puedas quitar uno. Y mucho menos que acepte uno que a ti te sobre! Como veis en el video, no hay buena química entre el neón y el hidrógeno.
En cambio, el carbono sólo piensa en compartir de manera covalente sus 4 electrones despareados. Si le ofreces dos brazos formará un enlace doble bien estrecho. Pero si eres un átomo de hidrógeno y te conviene compartir único electrón con él para así rellenar tu orbital s no te preocupes, te cogerá igual. Eso si, que no te importe su promiscuidad… no parará hasta tener 6 electrones en sus orbitales p.
El Zinc baila sólo el pobre… no es que vaya de sobrado como el neón. Él sí que está dispuesto a relacionarse, pero le cuesta un poco reaccionar… no resulta tan atractivo como otros elementos.
El ión de sodio tiene exactamente lo que el de cloro necesita. Hacen una pareja excelente, que además intensifica el sabor de tus platos: Juntos forman la sal común (El cloruro de sodio). Su enlace iónico es tremendamente estable, pero si las cosas se diluyen, y la electricidad pretende interferir, una simple electrolisis es capaz de distanciarlos bruscamente.
Los átomos de oxígeno se apañan perfectamente entre ellos. Como tienen 2 electrones de valencia más que el carbono, formando un doble enlace con un compañero ya están en la gloria. El hidrógeno tiene que emplearse muy duro para separarlos. No es algo espontáneo, que les salga de forma natural, tiene que poner mucho esfuerzo y energía extra… eso sí, cuando se carga la amistad entre los dos oxígenos y logra separarlos, sólo las plantas y algunas bacterias pueden volver a unirlos.
Al potasio no le importa disolverse en agua cuando está cargado positivamente, pero si se encuentra en estado metálico la odia de manera extrema. No la puede ni ver. Saltan chispas entre ellos. Asegúrate de no juntarlos, porque si entran en contacto explotan y pueden incluso incendiarte el laboratorio..."
¡Pero vaya fiestón de lo más nerd que me estoy imaginando! A cada invitado le toca ser un elemento químico específico y actuar en consecuencia. Buenooooo… esto con los freaks de Cambridge arrasa!

Cuando Roberto me dijo que construía nanomateriales le pedí que me llevara a su laboratorio Aero&Astro del MIT. “No verás nada, es muy aburrido”, me contestó este físico e ingeniero de materiales salmantino, que hizo su doctorado sobre nanocomposites en Zaragoza y ahora investiga en el MIT. “No me importa. Quiero entender el día a día de alguien que trabaja en nanotecnología, las técnicas que utiliza, proyectos de futuro realistas, roles dentro del laboratorio…”.
Mientras me mostraba cómo sintetizaban nanotubos de carbono aparecieron las palabras “etileno, enlaces covalentes, resinas epoxi, matrices …”; “Esto es química, no?”, pregunté. “Bueno… nosotros le llamamos física de materiales”. Me quedé dudando hasta que explicándome la fase de caracterización me habló de rigidez, fuerza, resistencia, constante de Hook… esto ya me sonaba a física (y un poco a chino también).
La verdad es que Roberto Guzmán de Villoria tenía razón, pero sólo en parte. El día a día del científico no es de una exaltación constante. La investigación es un trabajo a veces tedioso, y los laboratorios no suelen ser la alegría de la huerta. Pero en ocasiones incluso ellos pierden la perspectiva de lo asombroso que puede ser su trabajo visto desde fuera. Detalles insignificantes para ellos a nosotros nos dejan boquiabiertos. Sólo hace falta que se alejen mentalmente del hoy y el aquí, que observen su disciplina desde lejos, y nos cuenten de donde vienen, a donde van, y qué están aprehendiendo por el camino. Observar el proceso científico en cámara rápida es fascinante.

Un tal Iijinca descubrió por accidente los nanotubos en 1991, en Berkeley construyen nanoradios , y Roberto nos cuenta que podrían utilizarse para construir un ascensor espacial. No dejéis de abrumarle a preguntas sobre nanociencia; el tipo es un crack.

Nanotubos y nanocomposites , por Roberto Guzmán de Villoria

Dentro de la ciencia uno de los términos de moda en los últimos años es el de “nanotecnología”. Parece que todo ha empezado a menguar y si antes teníamos “ microelectrónica”, “microfibras” o “microestructuras”, etc… ahora empezamos a hablar de “nanoelectrónica”, “nanofibras” o “nanoestructuras”, e incluso el ipod, tiene su hermano pequeño, el “ipod nano”. Sin embargo, ¿cuándo algo es realmente “nano?”.
El prefijo de origen griego “nano”( extremadamente pequeño) indica en el Sistema Internacional de Unidades un factor de 10-9. Por ello, se suele decir que algo es “nanométrico” cuando una de sus dimensiones es del orden de nanómetros, o lo que es lo mismo, mil veces más grande que un micrómetro. Con esta definición, evidentemente, el ipod nano queda realmente lejos de ser realmente “nano”

La nanociencia se define como aquella disciplina que se encarga de controlar y manipular estas nanoestruturas, algo evidentemente bastante complejo debido al pequeño tamaño con el que se trabaja. Por eso todavía se está un poco lejos de poder fabricar nanorobots que puedan circular por la sangre y manipular células como en algunas novelas de ciencia ficción. Uno de los mayores problemas para poder hacer robots de este tipo es el cómo fabricar las distintas piezas que lo componen. Lo ideal sería poder mecanizar alambres de diámetro minúsculo, pero las técnicas del mundo macroscópico en el que nos movemos no funcionan muy bien en el “nanomundo”.

Nanotubos de carbono, y el ascensor espacial
Afortunadamente, hace unos años se descubrió un material de propiedades muy interesantes para poder comenzar a trabajar: los nanotubos de carbono.

Hablar de nanotubos de carbono podría llevarnos mucho tiempo, pero en una rápida descripción son semejantes a una fibra de carbono (ambos son 100% carbono) pero de un diámetro del orden de nanómetros y longitudes que pueden alcanzar varios milímetros. Realmente son huecos, en forma de tubo, y pueden estar formados por uno o varios cilindros concéntricos como los que se representa en la siguiente imagen. Pero ¿Qué les hace tan interesantes desde el punto de vista estructural?

Aparte de sus asombrosas propiedades eléctricas (dependiendo del tipo pueden ser materiales semiconductores o conductores) y térmicas (estables hasta altas temperaturas en vacío), los nanotubos de carbono poseen unas elevadísimas propiedades mecánicas. Su rigidez y resistencia veces superiores al acero, unido a su baja densidad, los convierten en un refuerzo ideal a pequeña escala. Con un material así ya parece más viable poder hacer robots que viajen y suministren medicamentos a las células enfermas, aunque de momento hay que ser un poco menos ambicioso en el diseño y simplificar un poco.

En esta idealización de la izquierda, el posible robot está compuesto por un solo nanotubo al que se le han unido unas cadenas de péptidos para poder orientarse. Está impulsado por un motor fabricado con biomoléculas.
Los científicos de la Universidad de Rutgers estiman que para el 2020 esté funcionando.

El interés de los nanotubos de carbono no se quedan sólo en dispositivos miniatura. Sería una pena no aprovechar sus propiedades a escala macroscópica, e incluso ir más allá y hacer construcciones realmente grandes que sin un material tan resistente no fueran posibles. Y eso mismo debió pensar Bradley Edwards cuando comenzó a estudiar la viabilidad de un ascensor espacial . Lo que comenzó siendo un proyecto para la el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA (NIAC), se ha convertido en una de los mayores retos de la ingeniería de los últimos años. Aunque en un principio parece de ciencia ficción, Arthur C.Clarke ya hablaba de ello en su novela “Fuentes del Paraíso”, no es tan aventurado como en un principio pueda parecer.

La primera ventaja es que sería más rentable que utilizar una lanzadera. Ahora mismo cada kilo que se manda al espacio sale a unos 34000 € frente a los 340 € que costaría con el ascensor espacial. Los astronautas se evitarían todos los problemas que sufren al acelerar y sobre todo al reducir la velocidad para entrar en la atmósfera, y evidentemente, al ser mucho más barato y seguro, ir al espacio sería casi tan sencillo como pulsar el botón del ascensor. Aunque realmente, todavía queda mucho por andar.

El mayor reto está en cómo hacer un cable lo suficientemente resistente para que se pueda extender una longitud de 10 000 Km sin romperse. Y es ahí donde entran los materiales compuestos de nanotubos de carbono. Debido a sus altísimas propiedades mecánicas, se podría fabricar una fibra compuesta por estos diminutos tubos. Ya se han hecho algunos intentos y en los dos últimos años bastante prometedores, aunque aún lejos de la resistencia y rigidez requerida. La industria aeroespacial está muy interesada en cualquier avance en nanocomposites y por ello han lanzado un concurso, que finaliza en 2010, para animar a los investigadores a desarrollar un cable que cumpla los requerimientos para el ascensor espacial. Aunque no tiene porqué tener nanotubos, recomiendan a los participantes que los utilicen en sus investigaciones. El premio de este año , 600 000 € subvencionados por la NASA, aunque cada año sube la cantidad de dinero así como los requisitos a cumplir.

Arte nanoscópico
Al igual que la industria aeroespacial, las empresas aeronaúticas también están muy interesadas en los nanotubos de carbono. En el departamento de Aero&Astro utilizamos este refuerzo para añadírselo a materiales utilizados en aviación, como son resinas de muy baja viscosidad y fibra de carbono de altas prestaciones. Tengo la suerte de poder trabajar y fabricar estructuras tan bonitas como estas (http://www.nanobliss.com/).
Cada cubito de la siguiente figura, está compuesto por millones de nanotubos de carbono, que son esa especie franjas que se ven en la segunda imagen.

Uno de los principales inconvenientes de los nanotubos de carbono en la actualidad es su elevado coste. Afortunadamente los precios se están abaratando ya que los componentes necesarios para la fabricación de los nanotubos no son nada caros (básicamente no son más que un poco de catalizador metálico e hidrocarburos). Para concluir, hay que destacar que en este caso España no tiene nada que envidiar a otros países y ya hay empresas que están empezando a apostar por la nanotecnología y los materiales nanocompuestos.

La verdad en ciencia no es democrática (o no debería serlo), pero la inmensa mayoría de expertos sobre cambio climático ya tienen claro que el calentamiento global es un problema tremendamente grave, del que somos responsables directos, y sobretodo, que es el momento de hacer algo serio al respecto. Algunos, molestos por lo que consideran un excesivo catastrofismo cuando se habla de cambio climático, muestran posturas más moderadas en cuanto a escenarios de futuro. Esta actitud, conlleva ciertos riesgos.

John P. Holdren , director del Program on Science, Technology, and Public Policy en la Kennedy School of Government de la Universidad de Harvard nos ofreció una interesante reflexión sobre las diferentes fases de escepticismo por las que en Estados Unidos han ido pasando aquellos –no sólo científicos- que sienten cierta aversión al calentamiento global.

Disculpadme que sea tan sintético como él ha sido en su exposición inicial. Se quedan infinidad de detalles fuera, pero podemos discutirlos en los comentarios si os apetece.

Etapas escépticas sobre el cambio climático

1ª etapa: “los científicos pueden estar equivocados”.
Hace 10 años muchos dudaban que la emisión de CO2 derivada de la actividad humana fuera la causa principal del calentamiento del planeta. Con los datos actuales, la unanimidad científica en este aspecto es prácticamente total.

2ª etapa: “los científicos exageran”
Este escepticismo es más actual. Asume que los científicos tienen razón en cuanto al origen del problema, pero cuestiona que los efectos del calentamiento global sean tan graves como ellos piensan. La controversia no está cerrada, por supuesto. Pero los nuevos estudios van sugiriendo de forma cada vez más clara que la situación es realmente preocupante.

3ª etapa: “ya es demasiado tarde para hacer algo al respecto”
Esta postura -más bien pesimista que escéptica- está cogiendo fuerza según Holdren. Los que la mantienen reconocen que las predicciones científicas son acertadas, pero opinan que llevamos demasiado tiempo maltratando el planeta como para poder solucionarlo en dos días.

Para Holdren, el gran problema de estas actitudes escépticas es que han estado ralentizando enormemente la toma de decisiones políticas. Siembran la duda, o la resignación en el tercer caso, y posponen las medidas drásticas que se deberían empezar a tomar.

De todas formas, el mensaje de John P. Holdren es positivo. Desde una posición a la que pocos tienen acceso, dice percibir un cambio de actitud más que considerable en la clase política, y asegura que los gobiernos por fin están analizando muy en serio esta problemática.
Advierte que afrontar el cambio climático es factible pero caro, muy caro (similar al coste de la guerra en Irak…).

Sintetizando de nuevo, plantea que los políticos deben empezar a decidir entre estos tres modelos de actuaciones:

• mitigación: intentar reducir el calentamiento global
Por ejemplo: un uso más eficiente de la energía, diseñar tecnologías más limpias para la quema de combustibles fósiles, utilizar en la medida de lo posible energías renovables, captación de CO2…

• adaptación: adaptarnos a los efectos del cambio climático
Por ejemplo: construir diques en zonas costeras con altas posibilidades de inundación como New Orleans

• sufrimiento: padecer las consecuencias del cambio global
Por ejemplo: desaparición de algunas especies, sequías, problemas sanitarios, despoblación de zonas costeras… o quien sabe

Sin duda tendremos un poco de cada uno de estos factores, la duda es en qué proporción. En parte está en nuestras manos: cuanta más mitigación, menos adaptación necesitaremos si queremos minimizar el sufrimiento.

A ver que pasa a partir de la semana que viene en Bali...