Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

octubre 27, 2007

Del telescopio al conjunto de un kilómetro cuadrado

Hasta el siglo XVII no pudimos ver el universo más que con nuestros limitados ojos. Hoy, podemos escudriñar incluso los límites del universo con nuestros telescopios.

Contra lo que se cree, Galileo inventó el telescopio, aunque ciertamente, basado en lo que escuchó en Venecia en 1609 sobre un telescopio creado por algún belga, construyó varios telescopios sucesivamente mejores en un esfuerzo sin paralelo que, para el año siguiente, le permitieron ver los primeros satélites de Júpiter, las manchas del sol, las fases de Venus y las montañas y valles de la Luna, alterando para siempre la percepción humana sobre el cosmos y el lugar de nuestro planeta en el orden mayor de las cosas, demostrando que la concepción de Copérnico era una descripción más acertada que la de Ptolomeo y ocasionando la furia de la iglesia.

El "belga" del que oyó hablar Galileo fue quizá uno de los tres holandeses que pueden haber inventado el telescopio: Hans Lippershey y Zacharias Janssen de Middelburg o Jacob Metius (también llamado Adriaanszoon) de Alkmaar. Una vez que las lentes de vidrio se popularizaron en Europa hacia el siglo XIV, el concepto de telescopio no estaba muy lejos, sólo era necesario combinar una lente cóncava y una convexa para hacer la magia de que las cosas lejanas se vieran cercanas. Si se conocían los telescopios antes de principios del siglo XVII, resulta irrelevante: Galileo fue el primero en usarlos para ver el universo. Al telescopio de lentes de Galileo siguió otro sugerido por Kepler, con mayor ángulo de visión y que permitió a Christiaan Huygens descubrir Titán, el satélite de Saturno.

Estos telescopios tenían dos lentes que refractaban la luz para obtener la visión aumentada de su nombre (del griego tele, lejos y skopein, mirar o ver), es decir, son telescopios refractantes. Pronto apareció otro telescopio que empleaba espejos para ver, perfeccionada teóricamente por Sir Isaac Newton, por lo su tipo se conoce como "telescopio newtoniano". Unos y otros amplificaban la luz visible, aunque en cuanto hubo materiales fotográficos adecuados, también se pudieron utilizar para estudiar las frecuencias infrarrojas y ultravioletas, lo que permitió profundizar más en el aspecto y composición de los cuerpos celestes. Los telescopios ópticos sufren, todos, de una serie de aberraciones e imprecisiones debidas a la composición de la luz y a su comportamiento al difractarse o reflejarse, y gran parte de los esfuerzos tecnológicos han estado orientados a reducir estos defectos para tener observaciones más fiables.

Los telescopios ópticos científicos, como el Gran Telescopio de Canarias, el William Herschel o el Isaac Newton, pertenecientes al Observatorio Roque de los Muchachos, o el IAC-80 del observatorio del Teide y los telescopios de 0,9 m y de 1,5 m del Observ atorio de Sierra Nevada, suelen ser reflejantes, que son más precisos y eficientes, y técnicamente más fáciles de fabricar y manipular, y los mayores tienen espejos primarios de entre 6 y 11 metros de diámetro. Las observaciones no son realizadas con el ojo humano, sino que se registran ya sea en placas fotográficas sensibles a diversas partes del espectro electromagnético, espectrógrafos y detectores electrónicos como los CCD, cuyos principios son utilizados igualmente en los sensores electrónicos de las cámaras digitales fotográficas y de vídeo. Desafortunadamentem la atmósfera terrestre altera, difracta y distorsiona en alguna medida todos los rayos de luz que pasan por ella, ocasionando un grave problema para los observatorios, que deben utilizar distintos sistemas para tratar de eliminar los efectos de la atmósfera.

Además de los telescopios ópticos, el ser humano escudriña el cosmos con los llamados radiotelescopios desde 1930, cuando accidentalmente se descubrió una fuente de señales de radio procedentes de la constelación de Sagitario que interferían con la radio de onda corta en transmisiones transatlánticas. Los radiotelescopios no son sino antenas de radio direccionales que se utilizan para "escuchar" distintas frecuencias del espectro electromagnético. Los más conocidos de esta variedad son los grandes telescopios parabólicos cuyo receptor se ubica en el foco de la parábola. Los radiotelescopios nos permiten conocer otra visión del universo, detectando grandes fuentes de energía como los pulsares o cuásares y, en cierta forma, mirando al interior de las galaxias para informarnos de su composición.

Como ejemplos de radiotelescopios tenemos, en España, el radiotelescopio de 30 metros que se encuentra en el Pico Veleta de la Sierra Nevada, el imponente radiotelescopio de 40 metros recientemente inaugurado en el Centro Astronómico de Yebes. El más conocido radiotelescopio del mundo es, probablemente, el de Arecibo, en Puerto Rico, que aprovechó un cráter natural para tender una enorme antena de 305 metros, y que ha aparecido en al menos dos películas, una de 007 y la otra Contacto, basada en la novela del astrónomo Carl Sagan.

Una de las ventajas de los radiotelescopios es que se pueden formar en grandes grupos o matrices para detectar señales de radio de una amplitud mayor que la del plato del radiotelescopio, del mismo modo en que podemos usar muchos espejos pequeños para formar la imagen de un objeto muy grande. A principios de octubre se informó de planes para crear un conjunto de radiotelescopios que cubrirá un kilómetro cuadrado, el Square Kilometer Array o SKA, que será capaz de estudiar el componente gaseoso de nuestro universo cuando era joven y detectar las ondas de radio que quedan de esas primeras etapas, permitiéndonos aprender más sobre el origen y evolución de nuestro universo. Un radiotelescopio más grnde es más sensible, lo que le permite percibir señales más débiles emitidas por objetos más lejanos o más tenues. Está aún por decidirse qué tipo de radiotelescopios individuales conformarán el SKA, e incluso aún no se sabe si se situará finalmente en Australia o en Sudáfrica. Con una fecha de inicio de la construcción prevista para 2012, el proyecto de 1.500 millones de euros incorpora actualmente a astrónomos e ingenieros de 17 países que esperan que el SKA empiece a realizar observaciones en el año 2020.

Hubble: el ojo en órbita

Los telescopios ópticos son muy sensibles a las fuentes de luz situadas en sus cercanías, de modo que un telescopio ubicado muy cerca de una gran ciudad sufrirá una importante disminución en sus capacidades debido a la contaminación lumínica provocada por el resplandor de las luces de la ciudad en el cielo. El más famoso telescopio óptico de los últimos años, el Hubble, consigue evitar estos dos problemas al encontrarse en órbita, y gracias a ello nos ha permitido una vista espectacular del universo gracias a su espejo de sólo 2,4 metros de diámetro.

octubre 20, 2007

Plástico y nanotecnología: materiales para el futuro

El desarrollo de los plásticos cambió todo lo que el ser humano puede hacer. Y pese a sus problemas, estos materiales siguen ofreciéndonos sorpresas al unirse a la tecnología punta.



Era 1855 cuando el británico Alexander Parkes desarrolló el primer material que puede considerarse un plástico: la parkesina, un celuloide de origen natural que presentó en público en la Exposición Internacional de Londres en 1862. No deja de ser ligeramente irónico que el plástico se considere la encarnación de la artificialidad cuando sus orígenes fueron tales, pero los plásticos artificiales son los que efectivamente revolucionaron la vida humana. En 1907, Leo Hendrik Baekeland, químico belga trasplantado a los Estados Unidos, desarrolló el primer plástico artificial al que bautizó con su nombre: bakelita, resultado de la mezcla de fenol y formaldehído. La bakelita pronto se popularizó en muchas aplicaciones diversas gracias a su maleabilidad, su plasticidad, especialmente en la forma de ese aislante marrón oscuro que se usó en los adminículos eléctricos hasta la década de 1960 y sus parientes químicos, otras resinas fenólicas, incluso han ido al espacio recientemente.

Los plásticos son polímeros, es decir, sus moléculas están formadas por largas cadenas repetitivas de unidades estructural llamadas monómeros y conectadas entre sí por enlaces químicos covalentes. Entre los polímeros naturales tenemos la goma obtenida del árbol del hule, el caucho, y el propio ADN de nuestro material genético. Los plásticos, como el celuloide inventado en 1870 que se volvió la materia prima fundamental del cine y la fotografía hasta la llegada del acetato en 1952 y ahora del poliéster, hasta el nylon de las medias femeninas, desde envases hasta piezas de recambio para el cuerpo humano, desde componentes de automóviles hasta partes de robots lanzados al espacio para explorar otros planetas, el mundo de hoy sería totalmente imposible sin los plásticos y su desarrollo incesante en la industria. Pero aunque la ciencia de los polímeros y la industria de los plásticos nos han dado numerosos materiales con capacidades asombrosas, es natural siempre esperar más, o soñar con materiales de asombrosas capacidades.

Mientras más sabemos sobre los plásticos, más posibilidades ofrecen y se hace claro que hay más por saber de lo que imaginábamos. Una de las áreas donde se ha esperado que nuestros conocimientos sobre polímeros resulten muy útiles es la nanotecnología, la rama que se ocupa de la comprensión de las cosas a nivel atómico y molecular ("nano" significa una milmillonésima de metro) y la fabricación de materiales o dispositivos manipulando estos elementos. Se han creado así pequeños elementos constructivos: nanoalambres, nanohojas, nanotubos y diversas nanopartículas que tienen propiedades mecánicas singulares e impresionantes a esas escalas diminutas, pero los científicos se han debido enfrentar al obstáculo que representa el conseguir que tales características se mantengan al crear objetos macroscópicos con tales elementos. Por ejemplo, según el sitio en línea Nanowerk, si se consigue transferir al mundo práctico las extraordinarias propiedades mecánicas de ciertos nanocomponentes como la resistencia a la fractura, podríamos crear materiales mucho más resistentes, ligeros y flexibles, lo que puede revolucionar todos los aspectos de nuestra vida. En palabras del doctor Nicholas A. Kotov, investigador de la Universidad de Michigan, Estados Unidos, "los elementos constructivos a nanoescala son excepcionalmente fuertes en lo individual porque están cerca de ser los materiales ideales libres de defectos".

Lo que ha hecho el doctor Kotov junto con los grupos de investigación de Ellern Arruda y Toni Waas en la misma universidad ha sido conseguir un nuevo plástico fuerte como el acero y a la vez transparente. Lo que han conseguido es transferir "casi de modo ideal", dice Kotov, la tensión entre nanohojas y una matriz de polímeros. Para ello, los investigadores crearon primero una máquina que desarrollaron desde cero y que "construye" materiales colocando una capa a nanoescala tras otra. La inspiración para su idea fue la madreperla, esa cubierta iridiscente de las conchas de muchos moluscos, y el material de que están hechas las perlas, que se forma capa a capa con las secreciones de la ostra o el mejillón, y que es uno de los materiales naturales más resistentes basados en minerales.

La máquina de los investigadores de Michigan es un brazo robótico que se mueve sobre una rueda de recipientes sosteniendo una pieza de cristal más o menos del tamaño de un portaobjetos de microscopio. El brazo introduce el vidrio en una solución de polímeros con propiedades adhesivas, alcohol polivinílico,y después en un líquido con una dispersión de nanohojas de cerámica. Una vez secas esas dos capas, el proceso se repite permitiendo que las capas de nanoadhesivo y nanohojas formaran capas unidas mediante enlaces de hidrógeno de gran resistencia, lo que los científicos han llamado "el efecto velcro". Al cabo de unas 300 veces, la capa es apenas tan espesa como la película plástica en la que se envasan los alimentos.Sin embargo, es extremadamente resistenet debido tanto al efecto velcro como al hecho de que las nanohojas se disponen en capas apiladas, en un patrón alterno que los científicos dicen es como el de los ladrillos y el cemento, donde cada hilera sirve para volver irrelevante cualquier imperfección de la anterior.

El plástico resultante podría ser utilizado por igual en dispositivos microelectromecánicos, sensores biomédicos, válvulas de recambio para trasplantes, aviones robóticos y protección antibalas para policías y soldados. Un supermaterial fuerte, como el acero pero más ligero y transparente que promete ser el primero de una larga serie de nuevos materiales.

La indeseable permanencia

Una notable característica de muchos plásticos es su durabilidad y estabilidad al paso del tiempo y ante diversas sustancias, que los hace ideales, por ejemplo, para sustituir huesos de la pierna sin temor a que se degraden. Pero eso se convierte en un grave problema cuando enviamos los plásticos a los vertederos. La lenta descomposición de los plásticos ha sido objeto de afirmaciones no debidamente demostradas, y así se afirma que las bolsas de plástico tardan desde 20 hasta 1.000 años en degradarse, cifra que varía sin motivo aparente. Al paso del tiempo, las soluciones han ido desde la creación de bacterias capaces de digerir el plástico hasta el diseño de nuevos plásticos que se descomponen ante elementos como la luz solar, ideales para tirar la basura. Lo que difícilmente ocurrirá es que dejemos de hacer y usar los plásticos, una gran oportunidad para quien descubra qué hacer con ellos cuando van a la basura.

octubre 06, 2007

El "big bang" de la vida en la Tierra

La historia de la evolución de la vida está todavía escribiéndose, pero uno de sus capítulos sigue siendo especialmente apasionante: el del surgimiento súbito de la vida como la conocemos hoy.

Los tiempos geológicos son difíciles de comprender para seres como nosotros, que vivimos, salvo excepciones, menos de cien años. Una persona de 79 años habrá vivido unos dos mil quinientos millones de segundos, mientras que la Tierra, nuestro planeta, tiene una edad de unos 5 mil millones de años. Cada año de nuestro planeta equivale a medio segundo de la vida de una persona de 79 años.

La vida aparece en nuestro planeta hace aproximadamente 3.800 millones de años, y los primeros microfósiles de bacterias que datan de 300 millones de años después. A partir de allí, la vida siguió un lento proceso y las bacterias dominaron durante más de mil millones de años, hasta que aparecieron formas más complejas. Pero hace entre 543 y 490 millones de años, en un tiempo relativamente breve, el período cámbrico, la vida experimenta una serie de saltos asombrosos. En menos de 50 millones de años, equivalentes a nueve meses y medio de la vida de una persona de 79 años, y especialmente en un período de sólo 10 millones de años, apareció en el planeta una enorme diversidad de seres vivos de complejidad sin precedentes, comparados con los que durante tanto tiempo habían ocupado al joven planeta Tierra. El cambio más notable fue la aparición de seres ya no formados por una única célula o por colonias de células que seguían siendo individuos, sino seres formados por muchas células. Los fósiles de estos primeros seres multicelulares invitan a dejar volar la imaginación: frondas con aspecto de plumas, bolsas y discos que no tienen aún ni cabeza, ni sistemas nerviosos, o aparatos circulatorios o digestivos. Como si la vida estuviera lentamente aprendiendo a organizarse, probando nuevas formas de sobrevivir con éxito y competir en un medio que cambiaba rápidamente, también. Esta aparente intencionalidad de la vida es una de las características sin duda más llamativas de la evolución, aunque en realidad se trata de una serie de cambios no intencionales, donde las variaciones aleatorias son seleccionadas por el medio.

No hay modo de saber qué elementos dispararon la llamada "explosión cámbrica", la súbita (en términos geológicos) aparición de gran variedad de formas de vida animal. Toda la tierra se concentraba en el megacontinente Gondwana, que se empezaba a separar en continentes más pequeños, y la vida se desarrollaba en un gigantesco océano en el cual empezaba a haber oxígeno en cantidades importantes, aspecto que los científicos consideran al menos uno de los disparadores de la multiplicación de las formas de vida en este tiempo, cuando surgieron prácticamente todos los fila (plural de filum) modernos de animales multicelulares con caparazones o partes duras y simetría bilateral, es decir, un lado izquierdo que es, al menos exteriormente, una imagen en espejo del derecho. El ejemplo más conocido de estos animales fueron, los trilobites, esos artrópodos marinos que aparecen en todas las representaciones de la vida primitiva en nuestro mundo y de los que hubo decenas de familias por todo el planeta y que sobrevivieron mucho más allá del cámbrico.

Los animales vertebrados somos un solo filum que incluye peces, reptiles, aves y mamíferos, diseñados sobre el mismo patrón: una columna vertebral como base de un esqueleto con músculos, una cabeza en un extremo y cuatro extremidades o apéndices principales. Todos los demás 37 fila animales (como los artrópodos, moluscos, gusanos planos, redondos y segmentados, etc.) con los que convivimos, salvo uno, aparecieron en el período cámbrico. Pero si bien ésos sobrevivieron, fue a partir de docenas y docenas de fila que aparecieron en lo que los biólogos evolutivos llaman una radiación, es decir, que las nuevas formas cambiaban en distintos sentidos, apartándose rápidamente de sus antecesores. La diversidad cámbrica fue mucho mayor que la que vemos hoy en día en nuestro planeta. Hubo criaturas con cinco ojos, con bocas circulares, etc. La vida experimentó con simetrías distintas a la bilateral, como la radial (de la cual sobreviven seres como las estrellas y los erizos de mar), con números pares o impares de extremidades, o sin ellas, animales con aspectos tan singulares que llevan nombres como "anomalocaris" (que hace referencia a su anormalidad) o "hallucigenia", el alucinante animal que camina sobre más de una docena de tentáculos, así como el pez más viejo conocido, el "millokunmingia" y las primeras "expediciones" de la vida animal a tierra firme.

Pero si la vida parecía explorar sus posibles avenidas de desarrollo, también en el período cámbrico ocurrieron al menos cuatro extinciones masivas, si se permite la metáfora, como si se borrara la pizarra para empezar de nuevo con otro grupo de ideas o experimentos para la vida, haciendo desaparecer grupos completos de animales. Entre las explicaciones que pueden darse a esta desaparición están la glaciación que siguió al cámbrico y la disminución del oxígeno en las aguas marinas. En la más importante de las extinciones cámbricas desapareció la mitad de todas las familias animales que existían, quedando sólo los elementos esenciales con los que la evolución habría de construir la vida en los millones de años siguientes.

La enorme diversidad de la vida en la explosión cámbrica nos permite imaginar que la vida podría ser radicalmente distinta en la Tierra si hubiera variado alguno de los elementos fortuitos que decidieron qué tipos de animales sobrevivirían y cuáles no. Ciertamente, la selección natural es la herramienta principal que impulsa la evolución, pero hay también un elemento azaroso, aleatorio, que nos recuerda que somos, ante todo, un accidente afortunado.

¿La extinción es necesaria?

Aunque ciertos grupos de personas preocupadas por el medio ambiente parecen creer que hubo alguna época pasada en la que no se extinguían especies y el equilibrio ecológico era total, esto no es así. El equilibrio ecológico es dinámico, adaptable y flexible, si no lo fuera, cualquier perturbación implicaría su derrumbamiento total. En realidad, y sin que esto sea un argumento para defender el abuso de nuestro medio ambiente, el 99,9% de todas las especies que han existido se han extinguido, muchas veces en extinciones masivas y aterradoras, como la pérmica, hace 230 millones de años, que acabó con el 95% de todas las especies marinas y la mitad de las familias animales, o la de los dinosaurios. Y en realidad aún no sabemos si tales fenómenos son, o deben considerarse, parte normal del desarrollo de la vida en nuestro mundo, los puntos críticos de un ciclo que aún es un misterio.