Apuntes científicos desde el MIT

El lunes estuve en Boston entrevistando para una revista al químico vivo con más citas científicas que existe, George Whitesides de la Universidad de Harvard.

Más adelante os cuento qué le mantiene tan motivado a sus 70 años, porqué la química es el futuro de la ciencia, la diferencia entre nanotecnología comercial y revolucionaria, algunas reflexiones sobre si hay investigaciones que no deberíamos estar haciendo, y sus críticas al conservador sistema de peer review en las publicaciones científicas que criban tanto las ideas malas como las más originales. Pero las damas primero. Cuando terminé de conversar con el carismático profesor Whitesides, me dijo “Deberías conocer a una postdoc española que investiga en mi laboratorio ”. Recorrimos los pasillos de su departamento hasta encontrar a Anna Laromaine, una química gironina que inmediatamente se ofreció a contarnos algunos de los proyectos en que están trabajando.

Diagnóstico para todos

Lo primero que me mostró Anna fueron unos papelitos de colores de apariencia muy sencilla, y que en realidad eran tests para analizar de manera fácil y barata muestras de sangre y orina.

La idea “lab on a chip” no es nueva, pero George Whitesides está obsesionado en bajar el precio de la tecnología para que pueda ser utilizada a gran escala en países del tercer mundo. Utilizando técnicas de microfluidica ha diseñado un chip de papel cromatográfico (imagínate algo parecido al test de embarazo, pero más complejo), que puede detectar niveles de glucosa, proteínas, y suministrar de manera asequible y rápida información relevante relativa a la salud.

George Whitesides ha creado la fundación sin ánimo de lucro “Diagnostics for all” para intentar transferir tecnología desde los países que –en sus propias palabras- tienen más “wants” (deseos), hacia los que tienen más “needs” (necesidades).

Extinguir llamas con electricidad

Luego entramos en un laboratorio donde vimos una llama encendida dentro de una caja negra.

Como todas, además de CO₂ y agua, durante la combustión también se genera una gran cantidad de partículas cargadas positiva y negativamente. Cuando Kyle empezó a aplicar un campo eléctrico alrededor de la llama, dichas partículas cargadas se desplazaron generando un efecto parecido al viento. La llama se movía a un lado como si alguien estuviera soplando. Kyle subió de golpe la intensidad, y la llama se apagó inmediatamente.

El grupo de Whitesides está obsesionado con la innovación, y en abrir nuevos caminos. Por el momento la intensidad eléctrica requerida es demasiado alta, pero quien sabe si en un futuro podremos apagar o prevenir cierto tipo de incendios de maneras que ahora ni nos podemos imaginar. Incluso lo están probando con ondas acústicas.

Infoquímica, levitación y chips de c. elegans

Infoquímica fue uno de los conceptos que más me costó asimilar. Normal, es algo tremendamente novedoso y del que Whitesides es un pionero.

Como explican en un artículo reciente se trata de utilizar reacciones químicas para codificar información en lugar de bits eléctricos de 0 y 1. Los investigadores que visitamos nos mostraron sus chips realizados con técnicas de microfluidos en los que el movimiento de una burbujita de aire podía contener información.

¿Aplicaciones? Ya llegarán.

Me produjo una sensación inicial de estupor ver cómo unas bolitas de diferente densidad levitaban a diferente altura dentro de un medio paramagnético cuando se les aplicaba un campo magnético. “Bonito, ¿y qué?” es lo que me pasaba por la cabeza. La levitación que habréis visto anteriormente requiere fluidos a temperatura supercrítica (muy baja). Simplicidad es una palabra clave para el grupo de Whitesides, que está investigando maneras más sencillas de utilizar la levitación. El proceso ya está patentado y ahora buscan aplicaciones, como sensores, ver si un aceite está adulterado, o cualquier aspecto asociado a diferencias de densidad.

Cuando Lizzy me mostró su trabajo le consulté cuál era la pregunta que quería responder. Ella me repitió uno de los lemas del grupo: “nosotros no hacemos ciencia con herramientas, sino herramientas para hacer ciencia” (tools for science instead of science for tools).

Era obvio con el chip para c.elegans que había preparado con la técnica de soft lithography desarrollada por Whitesides. En el fondo no es más que un dispositivo que permite tener un gran numero de gusanos c-elegans en un espacio reducido, y poder hacer de manera más fácil un tipo de experimentos que antes no se podían realizar. No es poco.

La investigación principal de Anna es otro ejemplo excelente de búsqueda de mejores herramientas para hacer ciencia.

Cultivos celulares en 3D

Todas las células de tu cuerpo tienen algún vaso sanguíneo cerca que les suministra oxígeno y nutrientes. Cuando un tumor crece, sin embargo, va acumulando capas y capas de células de manera que las centrales pueden llegar a quedar aisladas y recibir menos oxígeno. Los científicos quieren entender qué ocurre allí. Una de las herramientas que utilizan son los cultivos celulares; placas en las que introducen un tipo de células en unas condiciones determinadas que les permiten hacer experimentos y ver qué ocurre en esas células. Una limitación de estos cultivos es que son “planos”, sólo hay una única capa de células y resulta difícil reproducir una estructura tridimensional.

Hay maneras de conseguir cultivos celulares 3D utilizando geles y ciertos polímeros, pero Anna Laromaine con otros miembros del laboratorio está combinando geles con papel para diseñar una estructura muy simple que le permita alojar células en una disposición tridimensional. Esto permitirá a los científicos analizar qué ocurre a las células del centro, analizarlas de forma sencilla y poder reproducir ‘in vitro’ por ejemplo la estructura de un tumor.

Continuará…

Pero no puedo despedir este post sin citar la conversación con Anna mientras almorzábamos. Anna representa a la perfección la científica española con ganas de volver a su país para investigar, patentar, y ayudar a generar tanto conocimiento como riqueza. Tras los recortes presupuestarios de hace un par de semanas lo ve cada vez más difícil.

Conocí a Enrique del Barco hace 6 años. Era mi primera temporada en REDES y necesitaba asesoramiento para escribir un guión sobre la frontera entre el mundo clásico y el cuántico. En esa apasionante encrucijada se situaban las investigaciones de Enrique en la Universidad de Barcelona.
Me explicó que estaba llegando a tales extremos de miniaturización, que a veces aparecían fenómenos cuánticos indeseados. Era un problema, pero… ¿se podría convertir en una ventaja? ¿Se podrían llegar a construir nanoestructuras que aprovecharan estas propiedades cuánticas y pudieran superar los límites que impone la física clásica? Hablamos largo y tendido de ordenadores cuánticos, criptografía, nanociencia, imanes moleculares, y del nada intuitivo comportamiento de los átomos.
Ahora Enrique dirige su propio laboratorio en Orlando (Florida), desde donde nos explica sus estudios, nos comenta en primera persona el artículo que ayer mismo publicó en Nature Physics, y se ofrece a intentar responder nuestras preguntas más básicas, retorcidas o fantasiosas sobre el increíble pero cierto mundo de la mecánica cuántica.

Patinando entre brújulas moleculares, por Enrique del Barco

¿Quién eres?

Me llamo Enrique del Barco y soy profesor en el departamento de física de la Universidad Central de Florida, en Orlando. Allí puedo hacer lo que realmente me gusta; investigación científica. Me preparé para esto durante mi doctorado en la Universidad de Barcelona, bajo la dirección de Javier Tejada, y un postdoc en la Universidad de Nueva York (NYU).

¿Qué quieres averiguar?

Mis intereses actuales se focalizan en investigación básica en nanociencia.
Estoy convencido de que la nanociencia dará lugar a una nueva revolución tecnológica equiparable a la revolución industrial y de consecuencias similares a la aparición del ordenador personal.
La nanociencia se encarga del estudio de los objetos de tamaño nanométrico (sistemas mesoscópicos), es decir, del orden de una millonésima parte de milímetro (diez veces más grande que el tamaño de un átomo). El estudio de estos sistemas tan pequeños es fascinante porque no se comportan como los grandes. De hecho, se suelen comportar de una manera totalmente diferente e insospechada por nuestra experiencia. Lo explicaré con un ejemplo magnético que quizás sea más fácil de entender. Cojamos una brújula. Se trata de un imán cuyos polos norte y sur están bien definidos y se orienta en la dirección del campo magnético terrestre. Una vez con la brújula en la mano la hacemos más y más pequeña y la usamos para grabar información, por ejemplo, una canción en una cinta magnetofónica. Esto lo hacemos disponiendo las brújulas a lo largo de la cinta de grabación con una sucesión definida de orientaciones de sus polos magnéticos. Si la brújula tiene el norte arriba es un 1 si lo tiene abajo es un 0. Ya tenemos nuestro substrato de grabación. Pero ahora queremos que en el mismo tamaño de cinta nos quepa toda la discografía de Joaquín Sabina. ¿Qué tenemos que hacer? Disminuir el tamaño de las brújulas para que quepan más en la cinta y podamos escribir más ceros y unos. La pregunta es: ¿Hay un límite? ¿Podemos disminuir tanto como queramos el tamaño de nuestras brújulas? La respuesta es negativa. Todos hemos experimentado el deterioro de calidad de una cinta magnetofónica y eso es porque si se da cierta energía, por ejemplo al incrementar la temperatura de una cinta expuesta al sol en el coche, la brújula puede rotar sus polos y hacer que se pierda la información almacenada. La probabilidad de que esto suceda es mayor cuanto menor es la brújula. Una posible solución sería bajar la temperatura para preservar la información. Esto en principio funciona, en ausencia de energía las brújulas no podrán cambiar la orientación de sus polos así que ahora ya podemos disminuir su tamaño. Pero enseguida llegamos a otro límite. Cuando la brújula es de tamaño nanométrico la orientación de sus polos puede cambiar súbitamente incluso en ausencia total de energía. Esto es debido a las propiedades cuánticas de la materia que sólo se manifiestan cuando el tamaño del sistema deviene suficientemente pequeño. Y esto, definitivamente, no tiene solución. La física cuántica impone un rígido límite a la máxima densidad de información que podemos almacenar clásicamente en un espacio determinado.
Debido a que las demandas informáticas y electrónicas actuales están llegando a este límite, los tecnólogos piden soluciones imaginativas al problema. Estas soluciones han sido ya sugeridas. De hecho, se sabe que las propiedades cuánticas de los nano-materiales, lejos de ser un problema, pueden suponer una revolución sin precedentes. Se trata, simplemente, de aprender a utilizar estas curiosas propiedades en beneficio nuestro. En el ejemplo expuesto, las propiedades de una brújula cuántica no sólo aumentarán la capacidad de información considerablemente sino que permitirán la construcción de ordenadores cuánticos infinitamente más rápidos que los actuales.
Es precisamente en la frontera que separa los mundos clásico (grande) y cuántico (pequeño) donde se centra mi interés científico. Quiero entender los mecanismos que rigen el comportamiento cuántico de los materiales —cuándo actúan, por qué aparecen y qué los condiciona— y cómo estas propiedades únicas pueden ser utilizadas en nuestro provecho en un futuro más o menos cercano.

¿Cómo pretendes averiguarlo?

En mi caso, para entender lo que ocurre en la frontera clásico/cuántica estudio moléculas magnéticas (pequeñas brújulas moleculares). Los imanes moleculares permiten el uso de ingeniería inorgánica para la confección de prototipos magnéticos de diferentes tamaños que puedan cruzar la frontera desde el mundo mesoscópico al macroscópico. Y, ¿cómo hago esto? Sencillo, llamo a mis colaboradores químicos y les pido moléculas a la carta. “Mira, Eugenio, Quiero una molécula de unos tres nanómetros que tenga geometría esférica y que se adhiera a una superficie de oro, que quiero hacer pruebas de corriente electrica”. Y ellos me envían algo que se le parece y que normalmente resulta mejor de lo que había pedido en un principio.
Resulta que ciertas moléculas magnéticas, conocidas como nanoimanes o clusters moleculares (en la figura se muestran varias de estas moléculas, comparables en tamaño, 1-5 nanómetros, a nanopartículas magnéticas como el FePt) presentan características asombrosas a baja temperatura, que permiten un estudio exhaustivo del comportamiento cuántico de materiales magnéticos mesoscópicos que antes de su aparición sólo la teoría más básica podía imaginar. Y entre estas propiedades se encuentra el intercambio de los polos magnéticos del nanoimán por efecto túnel. Es decir, tenemos a disposición nano-brújulas en el límite de tamaño para el almacenamiento de información que discutía antes y se presentan como excelentes candidatos para futuras tecnologías de información y computación cuántica.

Barra libre

Para estudiar su comportamiento necesito muy bajas temperaturas, por lo que los gastos de investigación se disparan. Por ejemplo, un solo criostato de mi laboratorio consume una media de 1.000 dólares a la semana en helio líquido, a lo que hay que sumarle otra infinidad de gastos que no quiero ni pensar ahora. Los gastos de operación sumados al costo del instrumental necesario hace que investigadores jóvenes sólo puedan acceder a éste tipo de experimentación en países como Estados Unidos, que invierten grandes cantidades de dinero en esta dirección y cuyas dinámica universitaria está perfectamente entrenada para promover nuevas iniciativas (que suele ser el caso de los más jóvenes), justo lo contrario a lo que ocurre en España, desgraciadamente. Para poner un dato encima de la mesa, la UCF me concedió un millón de dólares para montar mi laboratorio, algo que cuando lo cuento en España da la risa.
Pero volvamos a la parte divertida. Acaba de salir publicado en Nature Physics un artículo nuestro en el que mostramos una manifestación completamente novedosa de la mecánica cuántica más elemental. Se trata de un nuevo nanoimán molecular que tiene forma de anillo. La parte interesante es que sus dos mitades (señaladas en verde y amarillo en la imagen) “tunelean” al unísono, como si se tratase de una pareja de patinaje artístico sobre hielo, con la particularidad de que, bajo ciertas condiciones, las “trayectorias túnel” de ambos semi-anillos interfieren destructivamente y el efecto túnel desaparece. Algo así como la interferencia destructiva entre dos ondas de agua, cuando se encuentran los valles de una con las crestas de la otra la onda se desvanece. Un fenómeno que también sucede entre dos ondas de luz, que al juntarse pueden dar lugar a oscuridad. En nuestro caso, este fenómeno tiene un origen topológico (de forma) y es conocido como fase de Berry (en honor al matemático británico Michael Berry que la propuso, que por cierto nos visita en Orlando con cierta regularidad para contarnos sus asombrosos estudios de los tsunamis, un buen tema para tu blog, Pere, por cierto). Es la primera vez que esta fenomenología se observa en un sistema de dos spines conectados que oscilan por efecto túnel. De hecho todavía no se ha desarrollado la teoría pertinente, por lo que esperamos que el artículo en Nature Physics tenga una amplia repercusión en diferentes disciplinas.

En fin, podría seguir explicándoos cosas, pero quizás sería demasiada mecánica cuántica para un solo día. Un abrazo.

La imagen:

La siguiente imagen representa un nanoimán molecular conectando los electrodos nanométricos de un transistor monoelectrónico (por el cual la corriente eléctrica fluye electrón a electrón). La conjunción a escala nanométrica de diferentes propiedades básicas se denomina multifuncionalidad y es una de las direcciones de más adhesión en diferentes disciplinas científicas y tecnológicas. En el caso del electrón, se intenta usar su spin (propiedad magnética) y su carga (propiedad eléctrica) en ingenios nanoelectrónicos con nuevas y prometedoras aplicaciones, en lo que se ha dado a llamar spintronics. En nuestro caso, estudiamos spintronics en transistores moleculares, en los cuales, además, se utilizan las propiedades básicas (casi fantásticas) de nuestros nanoimanes moleculares para la manipulación de la corriente eléctrica en formas completamente novedosas.

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.