¿Por qué se envejece? - Alberto Quintero Gámez

¿Por qué se envejece? ¿Es el resultado de la aplicación de “la flecha del tiempo”?

(Por Alberto Quintero Gámez)

Capítulo 82 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Antiguos filósofos afirmaron que la cesación de un fenómeno es producto de su surgimiento; todo lo que alguna vez nace está condenado a permanecer y morir. Dado que el conocimiento en el ser humano es adquirido de una forma dualista (porque es como se le presenta el universo), solo a través del surgimiento se puede definir la cesación y solo a través de la cesación se puede definir el surgimiento. Por lo tanto la degeneración que presenciamos en nuestra propia vida al pasar los años no solo nos pertenece a los seres vivos, en realidad aplica de forma natural a todos los fenómenos que nos rodean, los edificios cambian y desaparecen, al igual que las ciudades, montañas, océanos, planetas, galaxias y todo el universo en un constante movimiento sin descanso.

Al margen del profundo carácter filosófico que puede tener el plantearse preguntas sobre el declive inherente en todos los fenómenos que nos rodean, partiendo de esa intriga generada por los filósofos como sus predecesores, la ciencia en la actualidad dominada por una corriente de pensamiento más materialista, ha intentado estudiar qué ocurre físicamente en los organismos que consideramos seres vivos que produce su desaparición. Los organismos vivos son maquinarias muy complejas al compararlas con las desarrolladas por los seres humanos, tienen componentes muy variados y funciones muy complejas que dependen de una gran cantidad de interacciones.

Nuestros coches son maquinas bastante simples en comparación con nuestros organismos, al fallar alguna de sus partes o tener un daño grave en su estructura el coche dejara de funcionar y se podrá desmontar para usar de nuevo los materiales que le conformaron, de forma similar nuestro organismo cuando se encuentra con el daño de algún componente o sufre daños generalizados se detiene y el material que lo conforma es transformado con el paso del tiempo por el entorno. Pero a diferencia del coche que se detiene cuando se presenta un fallo, los seres vivos parecen tener un límite a su propia vida aunque ningún problema se presentase, las células parecen estar programadas para transcurrido un tiempo especifico detener su funcionamiento. ¿Podría esto tener algún sentido cuando el deseo de todas las especies es seguir existiendo? ¿Qué propósito puede tener el envejecimiento? ¿Puede ser beneficioso?

Es evidente que una de las características de los seres vivos es su diversidad, existe una variedad enorme de pequeños organismos e incluso en la actualidad hay siete mil millones de humanos todos con características muy diferentes los unos de los otros. Esta diversidad se genera debido a que en el proceso de división celular ocurre de forma constante. Pequeños cambios en el código que define lo que será ese organismo, son cambios aleatorios que en ocasiones pueden ser útiles para la existencia del organismo y en otras ocasiones no tanto, generando de esta forma variedad. El intercambio de información genética entre organismos diferentes puede acelerar el ritmo con el que se produce esta diversidad.

Los nuevos organismos con ligeras diferencias respecto a sus progenitores podrían tener mejores características para relacionarse con su entorno superando obstáculos mientras que otros no tanto, y es evidente que sería muy útil para el progreso de todo el conjunto que los que no tuviesen tanto éxito pudiesen retirarse de la escena de forma de hacer más espacio para los nuevos organismos mejorados, obviamente los menos aptos desaparecerían al igual que el coche por algún desperfecto de una de sus partes o un daño generalizado pero sería mucho más eficiente acelerar el proceso.

Por lo tanto aquellas especies con periodos de vida más cortos tendrían más diversidad y por lo tanto mayor oportunidad de conseguir cambios que les fuesen útiles. Una evidencia clara de lo enunciado anteriormente son las moscas que tienen periodos de vida tan cortos como una semana y existen cerca de 150.000 especies, mientras que en las hormigas que viven entre 1 mes y 3 años existen cerca de 15.000 especies, finalmente dentro del grupo de animales más longevos como la medusa “Turritopsis nutricula” que es famosa por revertir el proceso de envejecimiento una vez alcanzada la madurez sexual y rejuvenecer de forma que vive prácticamente hasta ser devorada por un depredador, pertenece a la clase Hydrozoa dentro de la cual hay unas 3.000 especies.

Investigaciones actuales han comenzado a entender como este complejo proceso de envejecimiento inducido en los organismos es posible. Se han identificado secciones en los extremos de los cromosomas denominadas telómeros que tienen la función de preservar la estabilidad estructural de los cromosomas, a partir de este conocimiento se han generado teorías sobre el envejecimiento adjudicando a estos telómeros el papel de reloj celular al definir el número de divisiones celulares posibles hasta que la célula muere. En el proceso de división celular estos telómeros se van haciendo cada vez más cortos, hasta alcanzar un límite en el cual no pueden desempeñar su papel de protector de la estructura del cromosoma y se interrumpe la división celular, las células no solo son incapaces de reproducirse sino que activan el proceso de apoptosis o muerte celular programada. Esta apoptosis tiene una función esencial en el desarrollo de la vida, evitando problemas como el cáncer que es la reproducción de forma indiscriminada de una célula ya dañada por medio de la producción de telomerasa una enzima que evita el acortamiento de los telómeros, otro ejemplo es la diferenciación de los dedos humanos durante el desarrollo embrionario por la apoptosis de las células de las membranas intermedias. Por lo tanto aunque resulte un poco irónico la muerte celular programada es causa de vida.

Finalmente aunque en nuestras pequeñas mentes entendamos el universo como un conjunto de fenómenos discretos la realidad es un continuo sin fronteras en constante movimiento, investigadores como Alex Wissner Gross proponen que la capacidad de un ente para desarrollar inteligencia y ser consciente de su entorno es producto de una maximización de la entropía o grado de desorden del mismo, solo los sistemas altamente entrópicos pueden producir seres que son capaces de ser conscientes del entorno. Este estado de máxima entropía estará favorecido por el hecho de que hayan muchos surgimientos y cesaciones en periodos más cortos de tiempo, por lo que el envejecimiento acelerado traerá un beneficio evolutivo dando la posibilidad de generar seres tan maravillosamente complejos como lo somos los seres humanos, siendo capaces de experimentar la vejez, poder preguntarse porque esto ocurre y no detenerse hasta encontrar una respuesta.

Si el tiempo es solo una abstracción para expresar lo que observamos o es una variable con carácter físico que efectivamente puede ser modificada de forma de viajar en ambas direcciones, no solo en un línea recta apuntando al futuro, es un tema de la física más que de la biología, de poder mover el tiempo en dirección inversa los fenómenos ocurrirán en dirección inversa, todos los hechos ocurrirían también hacía atrás, la evolución de los organismos incluida dentro de ellos. Es mejor que haya avance aunque eso implique envejecer.

Alberto Quintero Gámez

Magister  Matemática Industrial
Investigador en Universidad Carlos III de Madrid

¿Qué es el hidrógeno metálico? - Carlos M. Pina

¿Qué es el hidrógeno metálico? ¿Cómo puede ser el hidrógeno un metal?

(Por Carlos M. Pina)

Capítulo 75 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

La mayoría de los elementos químicos de la tabla periódica se clasifican como metales. Los metales poseen una serie de propiedades comunes, entre las cuales destacan su brillo característico, su alta conductividad eléctrica y térmica, su maleabilidad y su ductilidad. Todas estas propiedades se pueden explicar teniendo en cuenta el tipo de enlace que une a sus átomos. En los metales, los núcleos atómicos se encuentran muy próximos unos a otros, rellenando el espacio de la forma más eficiente posible y permaneciendo unidos entre sí gracias a una nube o gas de electrones que los envuelven. Los electrones de esa nube, además de reflejar la luz y proporcionar a los metales su especial brillo, tienen una gran libertad de movimiento, lo que explica que la electricidad y el calor se transmitan fácilmente a través de ellos. Además, la relativa debilidad de los enlaces que forman los metales permite que sus átomos puedan deslizarse unos respecto a otros. Ello tiene como consecuencia que se puedan deformar y estirar con facilidad. Un caso extremo de deslizamiento de átomos en un metal lo encontramos en el mercurio, que a temperatura ambiente no presenta una estructura cristalina como la mayoría de los metales sino que es líquido.

Como bien nos dice Isaac Asimov en su libro “Cien preguntas básicas sobre la Ciencia”, para que se produzca el enlace metálico y existan electrones móviles es necesario que entre el núcleo atómico y los electrones más externos que se encuentran a su alrededor haya un número de capas electrónicas que apantallen la atracción electrostática que ejercen los núcleos (con carga positiva) sobre los electrones (con carga negativa). Estas capas son más numerosas en los elementos químicos con un alto número atómico y que, por lo tanto, poseen un gran número de electrones. Este es el caso, por ejemplo, del potasio, el hierro o el oro. A diferencia de estos átomos, el átomo de hidrógeno solo tiene un protón y un electrón, que suele compartir con el electrón de otro átomo de hidrógeno para formar la molécula gaseosa H₂. Al no haber apantallamiento posible, pues no existen capas electrónicas inferiores, los electrones compartidos están fuertemente ligados a sus núcleos en la molécula de H₂ y, en consecuencia, el hidrógeno no tiene propiedades metálicas en condiciones ambientales. Sin embargo, se ha especulado mucho sobre la posibilidad de que el hidrógeno se convierta en un metal bajo condiciones de elevada presión y temperatura.

En 1935, los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington predijeron que para que el hidrógeno se transforme en un metal serían necesarias elevadísimas presiones [1]. Se estima que una presión superior a la que existe en el núcleo terrestre (unos 3,5 millones de atmósferas) podría obligar a los protones del hidrógeno a empaquetarse de forma compacta. Solo entonces los electrones quedarían libres y se obtendría hidrógeno metálico líquido, algo parecido al mercurio. No obstante, el hidrógeno metálico sería un compuesto bastante diferente de los metales que conocemos y se presentaría como un estado de la materia degenerado con propiedades singulares. Así, se piensa que el hidrógeno metálico podría ser superconductor a temperatura ambiente y comportarse también como un superfluido. Por otro lado, algunos científicos creen que el hidrógeno metálico podría permanecer de forma metaestable durante cierto tiempo, es decir sin transformarse inmediatamente en hidrógeno ordinario una vez eliminada la presión necesaria para formarlo. Si esto fuera así, el hidrógeno metálico líquido podría emplearse como un combustible limpio (pues su combustión solo produciría agua) y con una eficacia energética casi cinco veces superior a los combustibles H₂/O₂ empleados actualmente. El empleo de este nuevo combustible permitiría, entre otras cosas, aumentar la potencia de las naves espaciales y, por tanto, acortar considerablemente la duración de los viajes  a otros planetas. Este potencial uso del hidrógeno metálico como combustible, junto con sus propiedades electrónicas y sus posibles aplicaciones tecnológicas derivadas, han hecho de su obtención una importante meta científica.

A pesar del gran interés que existe por el hidrógeno metálico y del gran número de experimentos realizados para obtenerlo, los resultados han sido hasta la fecha limitados. En 1996, un grupo de científicos del Lawrence Livermore National Laboratory (EE.UU.) comunicó que había conseguido casualmente detectar durante un milisegundo la formación de hidrógeno metálico durante un experimento en el que sometieron hidrógeno molecular líquido a temperaturas de varios miles de grados y presiones de algo más de un millón de atmósferas [2]. Este resultado fue en cierto modo sorprendente, pues experimentos previos realizados por otros investigadores empleando hidrógeno molecular sólido y presiones de hasta 2,5 millones de atmósferas no habían dado lugar a la formación de hidrógeno metálico.

Desde entonces, los intentos para obtener hidrógeno metálico han continuado en laboratorios de todo el mundo. En 2011, científicos del Max Planck Institut (Alemania) publicaron un artículo en el que afirmaron haber conseguido hidrógeno metálico a presiones entre 2,6 y 3 millones de atmósferas, pero su hallazgo fue posteriormente cuestionado por otros investigadores [3,4]. En 2015, un grupo de investigadores de los Sandia National Laboratories (EE.UU) publicaron unos prometedores resultados tras llevar a cabo una serie de experimentos empleando la llamada máquina Z, un moderno generador de ondas electromagnéticas de alta frecuencia [5]. Estos experimentos se realizaron aplicando ondas de choque combinadas con enormes campos magnéticos y parece que han constituido un claro progreso en una búsqueda que dura ya varias décadas. Sin embargo, y a pesar de los avances realizados en los últimos años, las condiciones de presión y temperatura para la síntesis del hidrógeno metálico todavía no están totalmente definidas y la investigación prosigue en la actualidad.

La búsqueda del hasta ahora esquivo hidrógeno metálico no se limita a los experimentos de laboratorio, sino que se extiende al espacio. Desde hace tiempo, los científicos piensan que existen grandes masas de hidrógeno metálico líquido en el interior de Júpiter y quizá también en algunos grandes planetas extrasolares. Júpiter es el mayor de los planetas de nuestro sistema solar y su masa es unas 320 veces mayor que la de la Tierra. Su atmósfera está formada por  90 % de hidrógeno,  10% de helio y una cantidad inferior al 0.1 % de metano, agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y otros gases. Las capas interiores del planeta están también mayoritariamente compuestas por hidrógeno y se cree que su relativamente pequeño núcleo es rocoso. Debido a su enorme masa, la presión en Júpiter aumenta desde unas dos atmósferas en zonas de su superficie hasta unos 100 millones de atmósferas en su núcleo. Los científicos están convencidos de que el aumento de presión en el interior de Júpiter tiene que resultar inevitablemente en la transformación del hidrógeno molecular en hidrógeno metálico a una cierta profundidad, si bien todavía no se sabe cuál es esa profundidad. La confirmación de la existencia de una capa de hidrógeno metálico y la medida de su espesor resultarán fundamentales para explicar cómo se genera el enorme campo magnético de Júpiter. Actualmente se piensa que este campo magnético se debe a la combinación de grandes masas de hidrógeno metálico (que se comporta como un excelente conductor de electrones) con la rápida rotación de Júpiter, cuyo día apenas dura 10 horas.

El pasado 4 de julio de 2016 llegó a Júpiter, después de casi cinco años de viaje, la sonda espacial Juno. Enviada por la NASA, Juno tiene como misión principal estudiar la gravedad y los campos magnéticos de Júpiter. Para ello orbitará alrededor de los polos del planeta hasta febrero de 2018. Durante las 37 órbitas que realizará enviará constantemente a la Tierra medidas del campo magnético y de la composición de Júpiter (1). El análisis de esas medidas permitirá comprender mejor cómo funciona la inmensa dinamo de Júpiter y qué papel juega el hidrógeno metálico en ella. Mientras tanto, los científicos seguirán intentando en la Tierra sintetizar esa extraordinaria forma de la materia.

Notas:

(1) Para más información sobre la sonda espacial Juno el lector puede consultar la siguiente página web: https://www.nasa.gov/mission_pages/juno/main/index.html

Bibliografía:
[1] On the possibility of a metallic modification of hydrogen (1935) E. Wigner & H.B. Huntington. Journal of Chemical Physics 3 (12): 764.

[2] Metallization of fluid molecular hydrogen at 140 GPa (1.4 Mbar) (1996) S.T. Weir, A.C. Mitchell & W. J. Nellis. Physical Review Letters 76: 1860.

[3] Conductive dense hydrogen (2011) M.I. Eremets & I.A. Troyan. Nature Materials  10, 927–931.

[4] Has Metallic Hydrogen Been Made in a Diamond Anvil Cell? (2012) Nellis, W.J., Arthur L. Ruoff & Isaac F. Silvera. arXiv:1201.0407.

[5] Direct observation of an abrupt insulator-to-metal transition in dense liquid deuterium (2015) M. D. Knudson1, M. P. Desjarlais, A. Becker, R. W. Lemke, K. R. Cochrane, M. E. Savage, D. E. Bliss, T. R. Mattsson & R. Redmer. Science 348 (6242):1455.

Carlos M. Pina
Doctor en Ciencias Geológicas
Profesor Titular, Universidad Complutense de Madrid

¿Qué son los cuasicristales? - Carlos M. Pina

¿Qué son los cuasicristales?

(Por Carlos M. Pina)

Capítulo 74 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Buena parte de la materia sólida que vemos a nuestro alrededor se encuentra en lo que se conoce como estado cristalino. Este estado consiste en una ordenación periódica de millones de átomos a lo largo de las tres direcciones del espacio. Dependiendo de la fórmula química de cada compuesto y de las condiciones de presión y temperatura, el ordenamiento atómico de los cristales podrá ser diferente, pero éste siempre será periódico. A finales del siglo XIX, los cristalógrafos demostraron que solo existen 230 esquemas estructurales diferentes para ordenar átomos de forma periódica en el espacio tridimensional. Estos esquemas se denominan grupos espaciales.

A cualquier sustancia que cristalice a una presión y temperatura determinadas se le puede asignar uno y solo uno de estos 230 grupos espaciales. La limitación de los esquemas estructurales de los cristales se debe, precisamente, a la naturaleza periódica de la disposición de sus átomos. Aunque la deducción de los 230 grupos espaciales tridimensionales es compleja e implica elaborados razonamientos geométricos, podemos adquirir una buena idea de su fundamento con un simple ejemplo limitado a las dos dimensiones. Imaginemos que queremos rellenar completamente una superficie con polígonos iguales de cartón colocándolos unos junto a otros. Tarde o temprano nos daremos cuenta de que eso solo es posible si lo hacemos con triángulos equiláteros, rombos, romboides, rectángulos, cuadrados o hexágonos. Si lo intentamos hacer con otros polígonos como, por ejemplo, pentágonos o decágonos veremos que no hay forma de colocarlos sin que queden huecos entre ellos (ver  figura 1).

Fig.1 A) Relleno completo de una superficie con hexágonos. B) Imposibilidad de rellenar completamente una superficie con pentágonos.

En el caso tridimensional podríamos hacer algo similar a lo que hemos hecho en dos dimensiones y comprobaríamos que seríamos capaces de rellenar completamente y de forma periódica el espacio con ciertos poliedros (como cubos, prismas de base cuadrada, prismas hexagonales, etc.) Sin embargo, no podríamos hacerlo con otros poliedros como, por ejemplo, dodecaedros o icosaedros. Esto quiere decir que la formación de un cristal periódico solo es posible mediante la colocación ordenada de unidades estructurales con formas específicas. Estas unidades estructurales se denominan celdas cristalinas elementales y contienen los átomos que forman cada compuesto químico.

Una consecuencia del ordenamiento periódico de las celdas elementales en el interior de los cristales es que éstos muestran formas poliédricas externas con simetrías compatibles con dicho ordenamiento. Así, dentro de la inmensa variedad de morfologías que presentan los cristales en la naturaleza encontraremos cubos, prismas, pirámides y combinaciones de estas formas, pero nunca veremos dodecaedros e icosaedros regulares, ni tampoco poliedros que tengan simetrías de orden cinco. Desde el punto de vista de la Cristalografía clásica, estas simetrías de orden cinco se consideran “prohibidas” por ser incompatibles con la periodicidad interna de las estructuras de los cristales.

La naturaleza periódica de las estructuras cristalinas se demostró gracias a los experimentos de difracción de rayos X realizados por Max von Laue y colaboradores en 1912 [1]. El experimento original de Laue consistió en hacer incidir un haz de rayos X sobre un cristal, detrás del cual se había colocado una placa fotográfica. Los rayos X, al atravesar el cristal, interfirieron con sus átomos y produjeron un patrón de difracción que quedó impresionado en la placa fotográfica. Este patrón resultó ser una distribución periódica de puntos (máximos de difracción), algo que solo puede ocurrir cuando el objeto que produce la difracción es también periódico. En las décadas siguientes al experimento de Laue se registraron miles de patrones de difracción de cristales, tanto empleando rayos X como haces de electrones acelerados. Todos esos patrones resultaron ser patrones periódicos y su análisis permitió determinar y estudiar las estructuras cristalinas de innumerables compuestos, tanto naturales como sintéticos. La Cristalografía había confirmado experimentalmente su hipótesis de la periodicidad de las estructuras cristalinas y contaba con una herramienta formidable para investigarlas: la difracción.

Pero en 1982 sucedió algo sorprendente. En el transcurso de una investigación sobre ciertas aleaciones sintéticas de aluminio y manganeso, el científico Dan Shechtman observó unos enigmáticos patrones de difracción de electrones que tenían simetría pentagonal [2].  Esos patrones de difracción anómalos no podían corresponder a un ordenamiento periódico de los átomos de las aleaciones que estaba estudiando, pues mostraban simetrías cristalográficamente prohibidas. Sin embargo, estaba claro que la difracción había sido producida por una estructura muy ordenada. ¿Era posible que existiera un estado de la materia en el que los átomos estuvieran ordenados de forma diferente a como lo hacen dentro de los cristales? La publicación de los patrones de difracción de Shechtman desconcertó a los cristalógrafos pues constituía un desafío a los fundamentos de la Cristalografía. Durante varios años, los científicos, con el prestigioso e influyente premio Nobel de Química Linus Pauling a la cabeza, intentaron conciliar los principios de la Cristalografía clásica con las observaciones de patrones de difracción con simetrías “no cristalográficas”. Para ello idearon complejos modelos estructurales según los cuales la asociación de un gran número de cristales periódicos con diferentes orientaciones podría generar patrones de difracción con simetrías de orden cinco o diez. Estos modelos resultaron ser excesivamente complicados y muchas veces forzados y, finalmente, la solución al enigma de los patrones de Shechtman resultó ser tan sencilla como extraña: los átomos de algunos materiales pueden ordenarse en su interior a lo largo de grandes distancias de manera no periódica. Para entender ese nuevo tipo de ordenamiento atómico resultó fundamental el trabajo del matemático Roger Penrose sobre teselados no periódicos [3]. Penrose estableció una serie de reglas de ordenamiento de paralelogramos que permitían rellenar el espacio bidimensional de forma completa pero sin que ese ordenamiento fuera periódico (ver figura 2).

Fig.2 Teselado de Penrose en el que la superficie queda completamente cubierta al combinar rombos de dos tamaños según ciertas reglas de construcción. Como puede verse, la simetría de este teselado es localmente pentagonal en los puntos A y B pero la secuencia de los vértices de los rombos entre esos dos puntos no es periódica.

En tres dimensiones se pueden establecer unas reglas de ordenamiento de poliedros, similares a las que generan los teselados de Penrose, que permitan el relleno no periódico del espacio tridimensional. Cualquier compuesto químico cuyos átomos se sitúen en los vértices de los poliedros dispuestos según esas reglas tendrá una estructura cuasiperiódica y producirá patrones de difracción con simetrías “no cristalográficas”. Uno de esos compuestos fue precisamente el que encontró Shechtman cuando investigaba sus aleaciones de aluminio y manganeso. Los materiales con este tipo de ordenamiento interno de sus átomos se denominan desde entonces cuasicristales, un nombre que proviene de la contracción de “cristales cuasiperiódicos”.

El descubrimiento de los cuasicristales obligó a los científicos a revisar los conceptos cristalográficos de ordenamiento atómico y estructura cristalina. Una consecuencia de esa revisión del paradigma cristalográfico fue la redefinición de cristal. En 1991, la International Union of Crystallography estableció que un cristal es todo aquel sólido que tiene un diagrama de difracción esencialmente discreto (1). Como puede verse, en esta definición se ha excluido toda referencia al orden periódico y la naturaleza cristalina (o cuasicristalina) de un material queda evidenciada por la difracción que produce, independientemente del tipo de orden que muestran sus  átomos (ver figura 3).

Figura 3. Diagramas de difracción producidos por un cristal y un cuasicristal. A) Diagrama de difracción de rayos X con simetría cuaternaria correspondiente a un cristal cúbico de sulfuro de zinc (blenda) [4]. B) Diagrama de difracción de electrones de un cuasicristal icosaédrico de la aleación HoMgZn (2). Nótese la simetría de orden diez de la distribución de puntos de difracción.

Los cuasicristales poseen algunas propiedades específicas relacionadas con la aperiodicidad de los enlaces atómicos dentro de sus estructuras: son relativamente frágiles, malos conductores de la electricidad y del calor, y muestran bajos coeficientes de fricción. Aprovechando estas propiedades, algunos materiales cuasicristalinos se están empezando a utilizar como aislantes térmicos, como componentes de algunos LEDs, en sistemas que convierten calor en electricidad, e incluso se han fabricado sartenes antiadherentes con ellos.

Aunque la gran mayoría de los cuasicristales que se conocen en la actualidad han sido sintetizados en el laboratorio, recientemente se han descubierto los primeros cuasicristales naturales. El hallazgo se produjo al estudiar un meteorito encontrado en 1979 en la región de Khatyrka en la Península de Kamchatka (Rusia) y que había sido adquirido en 1990 por el Museo de Historia Natural de Florencia (Italia).

El equipo del profesor Luca Bindi ha logrado identificar mediante difracción de electrones dos cuasicristales diferentes dentro de ese meteorito: uno con simetría icosaédrica y denominado icosaedrita por la International Mineralogical Asociation y otro, con simetría decagonal, llamado decagonita [5,6]. Según recientes experimentos de síntesis llevados a cabo empleando elevadísimas presiones, la formación de cuasicristales como los descubiertos en el meteorito de Khatyrka se debería a la colisión de asteroides dentro de nuestro sistema solar [7]. Sin embargo, es posible que los cuasicristales puedan formarse también bajo otras condiciones y no está completamente descartado que se encuentren en el futuro minerales cuasicristalinos de origen terrestre.

Cuando Isaac Asimov publicó su libro “Cien preguntas básicas sobre la Ciencia” faltaba casi una década para que se descubrieran los cuasicristales y algunos años más para que la comunidad científica aceptara que eran materiales con una ordenación atómica diferente de la que presentan los cristales. Teniendo en cuenta lo que sabemos actualmente sobre los cuasicristales, y lo que nos queda aún por saber, seguramente Asimov no se resistiría hoy a incluir un capítulo sobre ellos en una edición revisada de su libro.

 

Notas:
(1) http://reference.iucr.org/dictionary/Crystal
(2) https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10094837

Bibliografía:
[1] Interferenz-Erscheinungen bei Röntgenstrahlen (1912) W. Friedrich, P. Knipping & M. Laue, München : Verl. der Königlich Bayer. Akad. der Wiss., S. 303 – 322, 363 – 373.
[2] Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry (1984) D.S. Shechtman, I. Blech, D. Gratia. J.W.Cahn. Physical Review Letters 53 (20): 1951. 2.
[3] The role of Aesthetics in Pure and Applied Mathematical Research (1974) R. Penrose. Bulletin of the Institute of Mathematics and its Applications. 10: 266Interferenzerscheinungen bei Röntgenstrahlen (1913) W. Friedrich, P. Knipping, M. Laue, M. Annalen der Physik 346 (10): 971.
[4] Interferenzerscheinungen bei Röntgenstrahlen (1913) W. Friedrich, P. Knipping, M. Laue, M. Annalen der Physik 346 (10): 971.
[5] Icosahedrite, Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃, the first natural quasicrystal (2011) L. Bindi, P.J. Steinhardt, N. Yao, P.J. Lu. American Mineralogist 96 (5-6): 928.
[6] Natural quasicrystal with decagonal Symmetry (2015) L. Bindi, N. Yao, Ch. Lin, L.S. Hollister, Ch.L Andronicos, V.V. Distler, M.P. Eddy, A. Kostin, V. Kryachko, G.J. MacPherson, W.M. Steinhardt, M. Yudovskaya P.J. Steinhardt. Scientific Reports 5:9111, PMID 25765857.
[7] Shock synthesis of quasicrystals with implications for their origin in asteroid collisions. (2016)  P. D. Asimow, Ch. Lin, L. Bindi, Ch. Maa, O. Tschaunere, L. S. Hollisterg,  P. J. Steinhardt Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 113(26):7077



Carlos M. Pina
Doctor en Ciencias Geológicas
Profesor Titular, Universidad Complutense de Madrid

¿Por qué se extinguieron los Dinosaurios? - Pedro Pereda Gómez

¿Por qué se extinguieron los Dinosaurios?

(Por Pedro Pereda Gómez)

Capítulo 80 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Los dinosaurios aparecieron hace unos 230 millones de años, durante el periodo Triásico, y dominaron la tierra, el aire y los mares de nuestro planeta durante más de 150 millones de años. Durante este periodo evolucionaron algunas de las criaturas más impresionantes de la naturaleza: dinosaurios carnívoros de 6 metros de altura, dinosaurios herbívoros de 26 metros de longitud y pterosaurios con la envergadura de 12 metros.

Sin embargo, hace 65 millones de años se extinguió el último dinosaurio no aviario. Igual que los gigantescos mosasaurios y plesiosaurios que en su día dominaron los mares, y los pterosaurios en los cielos. Pero no solo los dinosaurios, también el plancton, la base de la cadena alimenticia del océano, se vio muy afectado. Además, muchas familias de braquiópodos y esponjas de mar desaparecieron, igual que los restantes ammonites de concha dura. También se redujo la gran diversidad de tiburones y se marchitó la mayor parte de la vegetación. En resumen, se eliminó más de la mitad de las especies mundiales.

¿Qué causó esta masiva extinción que marca el final del Cretácico y el comienzo del Paleógeno?

Los científicos han coincidido en dos hipótesis para explicar la extinción del Cretácico: un impacto extraterrestre, por ejemplo un asteroide o un cometa, o un período de gran actividad volcánica. Cualquiera de los dos escenarios habría ahogado los cielos con restos que privaron a la Tierra de la energía del sol, impidiendo la fotosíntesis y extendiendo la destrucción arriba y abajo de la cadena alimenticia. Una vez que se asentó el polvo, los gases de efecto invernadero bloqueados en la atmósfera habrían provocado que se disparara la temperatura, un repentino cambio climático acabó con mucha de la vida que logró sobrevivir a la prolongada oscuridad.

La teoría del impacto extraterrestre se basa en el descubrimiento de un estrato o capa de arcilla de color oscuro en los sedimentos que datan de la época de la extinción. Este estrato tiene, entre otras características, un alto nivel de Iridio, elemento químico raro en la corteza terrestre que, sin embargo, se encuentra en los meteoritos con la misma concentración que en este estrato. Puesto que este estrato se encuentra en todo el planeta, en la tierra y en los océanos, esto condujo a los científicos a afirmar que el Iridio se esparció por el planeta cuando un cometa, o un asteroide, cayó en algún lugar de la Tierra y a continuación se evaporó. Este estrato también presentaba abundancia de hollín, el cual debió producirse por el gran incendio que siguió a la caída del meteorito.

Los defensores de la teoría de la gran actividad volcánica nos indican que el núcleo de la Tierra también es rico en Iridio, y el núcleo es el origen del magma que vomitó la Tierra en la Meseta del Decán (India), una de las mayores formaciones volcánicas de la Tierra, donde se apiló material volcánico sobre más de 1.500.000 kilómetros cuadrados de superficie y 2000 metros de espesor. Este período de actividad volcánica también se ha calculado que ocurrió entre 60 y 68 millones de años, al final del Cretácico, y habría extendido el Iridio por todo el planeta, junto con el polvo que ocultaba la luz solar y los gases de efecto invernadero.

Sin embargo, la teoría del impacto extraterrestre se vio reforzada por otra característica de este estrato, que es la gran acumulación de esférulas de vidrio, que se producen cuando se solidifica rápidamente roca vaporizada, y de un tipo especial de cristales de cuarzo llamado “cuarzo de impacto” que solo se encuentra en las proximidades de los cráteres producidos por la caída de objetos del espacio.

Pero si era cierto que hace 65 millones de años un meteorito de gran tamaño, capaz de ser el responsable de la extinción masiva descrita, había caído en la Tierra, era necesario localizar el lugar del impacto.

Puesto que no se conocía en la superficie continental ningún cráter que se adaptara a las características de este meteorito, se partió de la posibilidad de que el impacto hubiera ocurrido en el océano. Partiendo de esta hipótesis, los científicos buscaron las huellas que hubiera dejado un tsunami posterior al impacto. Estas huellas, denominadas tsunamitas, son unos depósitos caracterizados por una sedimentación caótica y se encontraron en Texas (Estados Unidos), México y en diversas localidades del Caribe. Finalmente, en el año 1991 se descubrió el cráter de impacto en Chicxulub, en la península de Yucatán (México).

El cráter de Chicxulub, cuya antigüedad se ha fijado en 65 millones de años, mide más de 180 kilómetros de diámetro y forma una de las zonas de impacto más grandes del mundo. Se estima que el “bólido” que lo formó medía al menos 10 kilómetros de diámetro. Este cráter se encuentra bajo más de un kilómetro de sedimentos carbonatados, lo que ha desfigurado su aspecto topográfico y ha hecho difícil su localización, pero los estudios en profundidad realizados permitieron descubrir el contorno del cráter.

Se estima que el impacto del “bólido” fue dos millones de veces más potente que el dispositivo explosivo más potente creado por el hombre, jamás detonado, con una potencia de 50 megatones. Incluso la mayor erupción volcánica explosiva que se conoce en la historia reciente, la que creó la Caldera de la Garita en Colorado (Estados Unidos) hace entre 40 y 25 millones de años, fue significativamente menos potente que el impacto de Chicxulub.

El impacto habría causado algunos de los megatsunamis más grandes de la historia de la Tierra. Una nube de polvo, cenizas y vapor habrían extendido el diámetro y área del cráter, cuando el meteorito se hundía en la corteza terrestre en menos de un segundo. El material excavado, junto con trozos del asteroide, habrían sido eyectados a la atmósfera por la explosión, se habrían calentado hasta convertirse en cuerpos incandescentes y habrían reentrado a la propia atmósfera terrestre, quemándola y posiblemente provocando incendios globales. Mientras tanto, enormes ondas de choque habrían causado terremotos y erupciones volcánicas globales. La emisión de polvo y partículas podrían haber cubierto la superficie entera de la Tierra durante varios años, posiblemente una década, creando un medio de vida difícil para los seres vivos. La producción de dióxido de carbono provocada por el choque y por la destrucción de rocas carbonatadas habría causado un dramático efecto invernadero. Otra consecuencia del impacto es que las partículas de polvo de la atmósfera habrían impedido que la luz solar llegara a la superficie de la Tierra, disminuyendo la temperatura drásticamente. La fotosíntesis de las plantas habría quedado interrumpida, afectando a la totalidad de la red trófica.

El descubrimiento de otros cráteres, como el cráter de Shiva en el Océano Indico, el cráter Silverpit en el Mar del Norte frente a las costas del Reino Unido y el cráter Boltysh en Ucrania, probablemente causados por grandes objetos extraterrestres que impactaron contra la Tierra, condujo a la teoría del impacto múltiple por la cual Chicxulub solo fue uno de varios impactos que habrían ocurrido aproximadamente al mismo tiempo. La colisión del cometa Shoemaker-Levy 9 con Júpiter en 1994, en la cual el asteroide se fragmentó en varias partes antes de la colisión, demostró que las interacciones gravitacionales pueden afectar a un cometa creando la posibilidad de múltiples impactos en un período de días. Algo similar pudo ocurrir en la Tierra hace 65 millones de años.

En cualquier caso, ya sea por el impacto de uno o de varios meteoritos, la teoría del impacto extraterrestre goza actualmente de una aceptación amplia, aunque algunos científicos todavía la critican por considerar que de ser cierto un impacto de estas características, ¿por qué sobrevivieron mamíferos, tortugas, cocodrilos, salamandras y ranas? Las aves también se libraron, al igual que las serpientes, bivalvos y los erizos y estrellas de mar. Incluso a las plantas resistentes capaces de soportar climas extremos les fue bien.

Ambas teorías, la del impacto extraterrestre y la del vulcanismo masivo, son meritorias. Sin embargo, en Marzo de 2010, expertos de Europa, Estados Unidos, México, Canadá y Japón confirmaron que la extinción masiva fue originada por el impacto de un meteorito, quedando desvirtuadas otras hipótesis como la del vulcanismo masivo.

Independientemente de lo que provocó la extinción, ésta marcó el fin del reino de terror de los grandes carnívoros bípedos del Triásico, como el Tyrannosaurio rex, y permitió que los mamíferos se diversificaran rápidamente y evolucionaran a nichos recién abiertos.

Pero, ¿realmente han desaparecido todos los dinosaurios? La respuesta es no. Al principio hemos hablado de la extinción de los “dinosaurios no aviarios”, porque los científicos consideran que las aves actuales son los supervivientes de un grupo de dinosaurios terópodos que surgieron durante la era Mesozoica y que lograron superar la catástrofe y evolucionar. Recordemos que también eran dinosaurios terópodos los grandes carnívoros bípedos del Triásico, aunque estos tuvieron peor fortuna.

Las aves comparten muchas características únicas, esqueléticas y de comportamiento, con los dinosaurios. Por otra parte, muchos fósiles de dinosaurios se han recogido con plumas preservadas, e incluso algunos tienen largas plumas en brazos y patas formando alas.

Por tanto podemos concluir que las aves de hoy en día son los seres más parecidos a los dinosaurios que habitaron la Tierra en el pasado. Solo necesitamos levantar la vista y mirar al cielo para ver los dinosaurios de hoy.

 

 

 

Pedro Pereda Gómez

Licenciado en Biología

Director de Hemasoft

 

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¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»? - José Ramón Martínez Saavedra

¿A qué se llama «radiación del cuerpo negro»?

(Por José Ramón Martínez Saavedra)

Capítulo 62 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

(Noviembre 2016)

Escribo estas líneas un caluroso día de junio en Madrid; todo aquel que haya pasado al menos un día de verano en esta ciudad sabe la tortura que supone salir a la calle pasadas las dos de la tarde: un asfalto tan caliente que se podrían incluso freír huevos en él, un aire tan irrespirable y pesado que se puede hasta cortar con un cuchillo y, además, un sol de justicia bajo el cual te achicharras vivo.

Y es que, digan lo que digan, no hay nada mejor que un día de verano en Madrid para acordarse de todos los procesos de transmisión de calor. El lector interesado puede observar, por ejemplo, la conducción de calor entre el asfalto y el aire que está en contacto con él; también puede estudiar la convección de este aire caliente, subiendo desde el asfalto, impactándole (sin piedad alguna) en la cara, haciéndole sudar. En ambos casos, el calor se transmite en un medio material: bien mediante el contacto entre los dos medios, bien mediante la aparición de corrientes dentro del material en sí.

Por último, no podemos olvidarnos del Sol, y de cómo esta inmensa bola de fuego es la responsable última de este calor (si se apagase, aunque fuese por un rato, a la hora de la siesta…). Sin embargo –a diferencia de los otros dos casos–, el calor del Sol no necesita de ningún tipo de medio material para transmitirse (y hacer reventar el termómetro), sino que calienta los objetos que tiene a su alrededor irradiándolos.

“Muy bien”, podrá decir el lector, “pero esta radiación, ¿de dónde sale? ¿Y qué tiene que ver con las transferencias de calor?”. Para ello, me temo que es necesario hacer un pequeño viaje al mundo subatómico, para tratar de explicar qué está ocurriendo ahí cuando hablamos de “transmisión de calor”: sin más dilación, reduzcamos nuestra escala en un factor de mil millones, a ver qué nos encontramos.

Una vez reducidos a esta escala, podemos fijarnos en los átomos del material: pequeñas bolas que… ¡se mueven! No demasiado, probablemente, pero parece que vibren alrededor de su posición de equilibrio: es esta energía asociada a la vibración de los átomos la que generalmente asociamos a escala macroscópica con la “temperatura” de un cuerpo. Con este modelo, que un cuerpo esté “más caliente” que otro quiere decir que sus átomos vibran más en comparación.

Esta imagen explica bastante bien los procesos de transmisión de calor por conducción: imaginad que ponemos en contacto dos cuerpos, uno muy caliente (átomos vibrando) y otro muy frío (átomos casi quietos). Al ponerlos en contacto, los átomos en la superficie empezarán a “colisionar” entre sí, intercambiando energía en el proceso: los átomos que antes estaban quietos empezarán a moverse (se pondrán calientes), mientras que los átomos que antes se agitaban furiosamente probablemente se agiten bastante menos ahora (en otras palabras, se enfriarán): este proceso ocurrirá hasta que ambos materiales se agiten con la misma intensidad (es decir, que tengan la misma temperatura).

Para procesos de convección el mecanismo es bastante similar: la principal diferencia en este caso proviene del hecho de que estos procesos ocurren principalmente en fluidos, sustancias en las que los átomos tienen una mayor libertad de movimiento. En el caso de fluidos, los cambios en la temperatura suelen venir acompañados de cambios en la densidad, lo cual hace que se produzcan corrientes para redistribuir el fluido en orden de densidades. Estas corrientes mezclan regiones calientes (con átomos vibrantes) con regiones frías (con átomos casi estáticos), las cuales se equilibran entre sí posteriormente mediante procesos de conducción.

Por último, el modelo también es útil para explicar los procesos de emisión de radiación: cuando un átomo vibra no lo hace con velocidad constante, sino que sufre aceleraciones y deceleraciones constantemente: estas aceleraciones afectan a todas las partículas que conforman el átomo, las cuales tienen generalmente carga eléctrica (como el electrón y el protón). La teoría electromagnética predice –sin entrar en mucho detalle– que una partícula cargada que experimenta un movimiento acelerado emitirá radiación electromagnética; los parámetros de dicha radiación (su intensidad y su frecuencia) dependen del movimiento en sí: si la partícula vibra más, tanto la intensidad de la radiación (es decir, cuánto calor emite) como su frecuencia (es decir, en qué tipo de radiación electromagnética lo va a emitir) pueden cambiar.

La radiación de las partículas cargadas, además, se extiende por el espacio. Otra predicción —esta más intuitiva— de la teoría electromagnética es que las partículas cargadas pueden interactuar con los campos electromagnéticos que las rodean, intercambiando energía con ellos. Esto, aplicado a nuestro caso, quiere decir que la energía liberada por una partícula cargada (en forma de un campo electromagnético propagándose en el espacio) puede ser reabsorbida por otras, las cuales no tienen por qué estar en su entorno más cercano.

Por supuesto, también hay muchos otros procesos por los que un material puede emitir y absorber radiación, la mayoría de ellos asociados a transiciones electrónicas. Sin embargo, podemos intentar imaginarnos un sistema en el que eliminamos cualquier otra fuente de radiación. En este caso, la única fuente de radiación posible es la que hemos comentado anteriormente: la proveniente del hecho de que las partículas cargadas se agitan en el interior del material. Es a dicha radiación a la que nos referimos como “radiación de cuerpo negro”.

Sin embargo, el origen del nombre “cuerpo negro” no proviene precisamente de considerar un emisor térmico, sino de otra definición que, a primera vista, no tiene nada que ver; como escribía Kirchoff en 1860 [1]:

La prueba que estoy a punto de ofrecer de la ley anterior asume que se puedan imaginar cuerpos tales que (para espesores despreciables) absorban completamente todos los rayos incidentes, y no reflejen ni transmitan ninguno de ellos. A dichos cuerpos los denominaré como “perfectamente negros” o, más brevemente, “cuerpos negros”.

Esta definición, aunque en apariencia antagónica, resulta equivalente a la imagen que dimos anteriormente: un cuerpo que absorba toda la energía de la radiación, sin reflejar ni transmitir nada, implica que no hay procesos de radiación al margen de los térmicos. La energía de la radiación se convierte, en última instancia, en energía cinética de los constituyentes del cuerpo (si el material no sufre cambios en su estructura interna, por supuesto). El incremento en la energía cinética produce una agitación más intensa de las partículas, provocando una mayor cantidad de radiación térmica liberada al entorno. Dicha radiación tiene dos propiedades características: su dependencia exclusiva de la temperatura y su isotropía. La primera se refiere a que la radiación solo depende de la temperatura a la que esté el cuerpo negro; parámetros como su composición, su geometría, cualquier variable microscópica… son irrelevantes: si conocemos la temperatura del cuerpo negro, conocemos su patrón de emisión de radiación. Por otro lado, con “isotropía” nos referimos a que el tipo de radiación que emite el cuerpo es idéntica en todas las direcciones: da igual por dónde miremos, siempre encontraremos el mismo patrón de emisión tanto en intensidad como en la distribución en frecuencias de la luz.

Ambas propiedades se explican relativamente bien con nuestro modelo: si un material tiene la misma temperatura en todos lados, la energía cinética asociada a la agitación de las partículas tiene que ser la misma en prácticamente todos lados. Como dijimos anteriormente, cada temperatura tiene asociada una “energía cinética promedio” con la que se agitan los cuerpos: como el patrón de radiación depende únicamente de la cantidad de energía disponible de cara a que los componentes del material se agiten, el patrón de radiación debe depender de la temperatura única y exclusivamente. Por otra parte, este movimiento de agitación es aleatorio, y no tiene una dirección privilegiada; por tanto, en promedio se emitirá radiación en todas las direcciones posibles por igual, dando lugar al patrón isótropo de radiación que comentábamos anteriormente.

Otra propiedad extraordinariamente interesante de la radiación de cuerpo negro es su color: aunque parece de perogrullo preguntarse “¿de qué color es un cuerpo negro?”, lo cierto es que el color de un cuerpo negro depende de la temperatura a la que esté: si aumentamos su temperatura, empezaremos a ver que el material pasa de negro a rojo, de rojo a amarillo, de amarillo a blanco y de blanco a… ¿azul? ¿Cómo que azul? La respuesta a esto, en el siguiente capítulo.

 

 

Notas:

[1] «The proof I am about to give of the law above stated, rests on the supposition that bodies can be imagined which, for infinitely small thicknesses, completely absorbs all incident rays, and neither reflect nor transmit any. I shall call such bodies perfectly black, or, more briefly, black bodies». Extraído de “On the relation between the radiating and absorbing powers of different bodies for light and heat. The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science (Taylor & Francis) 20 (130)”

 

 

 

José Ramón Martínez Saavedra

Magíster en Fotónica

Doctorando — ICFO-Institut de Ciències Fotòniques

 

Nacido en Madrid en 1990. Estudiante de doctorado en el grupo de Nanofotónica Teórica del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona. Máster en Fotónica por la Universidad Politécnica de Cataluña, y Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid.

Actualmente compagina sus estudios en respuesta óptica de nanoestructuras y metamateriales con una labor ocasional de divulgación científica, así como con incursiones en el mundo culinario (estas últimas sin demasiado éxito).

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Viajando por el Espacio-Tiempo

Curiosamente en una parte de esa entrevista Isabel Cordero y Antonio Rivera

charlan con Miguel sobre un disco de Mike Oldfield

Corte Alcubierre-Oldfield

Y la casualidad es que paralelamente yo andaba estos días recomendando el maravilloso disco de Oldfield

The Songs of Distant Earth

Let There Be Ligth

Una historia de Ignorancia.

(Mi anécdota con relación a este disco)

Corría el año 1996 y viajé a Londres a visitar a mi novia, hoy mi mujer, y este disco

lo había escuchado por la radio (a Ramón Trecet en Diálogos 3 de Radio 3-RNE) y no lo encontraba en Madrid.

Me empeñe en que lo tenía que buscar y comprar aprovechando que estaba en Londres.

Una mañana, estando solo, me animé a ir a una tienda y dado que no lo encontraba me atreví a

pedírselo a un dependiente (inglés claro está) en español, le dije que era un disco que llevaba un CD-ROM. 

A mi me parecía que se lo estaba explicando perfectamente, no comprendía por qué el dependiente

no entendía mi repetida frase "Ce De Rom". Tras varias repeticiones lo dejé por imposible.

En la tarde del día siguiente volví con mi novia, no recuerdo si coincidimos con el mismo dependiente, y

a la primera me consiguió el disco.

La segunda parte de la "Ignorancia" era que el CD-ROM contenía un pista que era un juego interactivo

con imágenes inspiradas en el libro de Arthur C. Clarke y sorpresa la mía, ya en Madrid,

que no funcionaba. Entonces me enteré que era para Mac!!! y yo tenía Microsoft.

Muchos años más tarde he consguido verlo con la misma ilusión que entonces, pero he de reconocer

que ya con la visión moderna de "calidad de imágenes", al igual que si ves el "COSMOS" original,

el encanto sólo lo encontramos algunos nostálgicos.