APLICACIONES APLICACIONES CIENTIFICAS Y TECNOLOGICAS TECNOLOGICAS DE LA FÍSICA INTRODUCCION La Física no es sólo una apasionante aventura intelectual que trata de cuestiones profundas sobre la naturaleza del Universo, sino que también desempeña un papel básico en el desarrollo de la sociedad, generando el conocimiento fundamental necesario para los avances tecnológicos que son el motor de la economía mundial. La Física se ocupa de los temas más importantes de carácter práctico, ambiental y tecnológico de nuestro tiempo, contribuyendo a la mejora de nuestra calidad de vida. Es impresionante el número de aplicaciones de la física en nuestra vida cotidiana, cosas tan simples de un momento a otro se vuelven complejas gracias al extenso campo práctico y teórico que se encuentra dentro del mismo contexto. Como se menciona anteriormente la función que desempeñan estas aplicaciones es el contribuir a la mejora de nuestra calidad de vida, de alguna forma u otra facilitándonos servicios que posteriormente son de utilidad, desde instalaciones eléctricas, medicamentos, la invención del “grafeno”, nanotecnología enfocada a la medicina, “física cerebral”, e incluso su intervención dentro del mundo del medio
ambiente.
Biofísica y Medicina El reto actual de la Biofísica se puede concretar en el estudio de los seres vivos, más allá de lo que supone un puro sistema de reacciones químicas. Y en base a ello, poder corregir problemas relacionados con la Salud y la Medicina, por ejemplo. Incluso poder diseñar estructuras de ingeniería biológica. Esto abre expectativas tan grandes que es muy difícil prever el futuro Estamos viviendo una autentica explosión en la demanda desde los laboratorios de Biología para incorporar físicos a sus propios grupos de investigación, con unas motivaciones muy variadas, desde el desarrollo y utilización de nuevas técnicas más cuantitativas de análisis y manipulación de moléculas (distintos tipos de microscopías, pinzas ópticas), hasta el uso masivo de simulaciones de ordenador para estudiar macromoléculas biológicas (proteínas, ácidos nucleicos) o modelos matemáticos de procesos biológicos complejos, como el desarrollo embrionario o la actividad neuronal. Desde el otro lado existe un interés fundamental de muchos físicos en acercarse a problemas biológicos. Históricamente, el recorrido de la Física hacia la Biología ha sido, además de frecuente, muy fructífero. Desde Mendel, un monje con formación en Física, capaz de desarrollar unas leyes genéticas adelantadas en casi cincuenta años a su época, hasta Watson y Crick, los descubridores de la hélice de ADN, un biólogo y un físico que supieron aunar sus esfuerzos, se constata que
grandes descubrimientos en Biología han partido de una síntesis entre ambas disciplinas. La Biología supone un reto, el más apasionante dentro de lo que se denomina Sistemas Complejos: es decir, tratar de entender cómo un sistema es capaz de organizarse a sí mismo, cada vez a niveles más complicados, auto-organización es el término que nos gusta utilizar, y es precisamente en la Biología donde encontramos los niveles más fascinantes de esta capacidad de auto-organización. La auto-organización se refiere a lo que hace una célula, que crece, se subdivide y cambia de acuerdo a un código interno hasta configurar un ser vivo completo. com pleto. El reto actual de la Biofísica se puede concretar en el estudio de los seres vivos, más allá de lo que supone un puro sistema de reacciones químicas. Durante las 4/5 últimas décadas ha habido un gran avance en la Bioquímica. Hoy sabemos que las reacciones químicas en el interior de la célula exceden para su comprensión los fundamentos de la Química. No podemos entender una célula como un tubo de ensayo en el que suceden un montón de reacciones a la vez. Lo interesante, es constatar que en los seres vivos existe también una capacidad para construir estructuras dentro de las cuales vienen a sucederse esas reacciones químicas. La célula es toda una “nano -fabrica”, con depósitos de almacenaje, reactores químicos, tuberías, compuertas, etc, que además es capaz de auto-organizarse. Y este es el gran reto: explicar cuándo, cómo y porqué se forman esas estructuras, lo que vendría a representar el paso siguiente a lo que explica la Bioquímica. También supone un gran reto entender el funcionamiento de procesos de un alto grado de complejidad y poder asociarlo con el funcionamiento de cada una de sus partes. En el caso del funcionamiento del cerebro, por ejemplo, sería estupendo entender las bases morfológicas y fisiológicas del funcionamiento del cerebro. ¿Hacia dónde va esto?....A uno le seduce la idea de que si eres capaz de entender esos mecanismos también eres capaz de modificarlos... y así poder corregir problemas relacionados con la Salud y la Medicina, por ejemplo. Pero capacidad de modificar significa también poder diseñar específicamente estructuras de ingeniería biológica. Esto abre expectativas tan grandes que es muy difícil prever el futuro. Hay una tendencia muy fuerte en Física de estudiar lo que se llama nanoingeniería: el diseño y funcionamiento de sistemas formados por unos pocos átomos. Y esto enlaza con el comportamiento de los seres vivos entendidos como nanofábricas. En la actualidad, ya se habla abiertamente de nanobiofísica. ¿Por que no vamos a aprovechar la enorme riqueza de diseño que muestran los seres
grandes descubrimientos en Biología han partido de una síntesis entre ambas disciplinas. La Biología supone un reto, el más apasionante dentro de lo que se denomina Sistemas Complejos: es decir, tratar de entender cómo un sistema es capaz de organizarse a sí mismo, cada vez a niveles más complicados, auto-organización es el término que nos gusta utilizar, y es precisamente en la Biología donde encontramos los niveles más fascinantes de esta capacidad de auto-organización. La auto-organización se refiere a lo que hace una célula, que crece, se subdivide y cambia de acuerdo a un código interno hasta configurar un ser vivo completo. com pleto. El reto actual de la Biofísica se puede concretar en el estudio de los seres vivos, más allá de lo que supone un puro sistema de reacciones químicas. Durante las 4/5 últimas décadas ha habido un gran avance en la Bioquímica. Hoy sabemos que las reacciones químicas en el interior de la célula exceden para su comprensión los fundamentos de la Química. No podemos entender una célula como un tubo de ensayo en el que suceden un montón de reacciones a la vez. Lo interesante, es constatar que en los seres vivos existe también una capacidad para construir estructuras dentro de las cuales vienen a sucederse esas reacciones químicas. La célula es toda una “nano -fabrica”, con depósitos de almacenaje, reactores químicos, tuberías, compuertas, etc, que además es capaz de auto-organizarse. Y este es el gran reto: explicar cuándo, cómo y porqué se forman esas estructuras, lo que vendría a representar el paso siguiente a lo que explica la Bioquímica. También supone un gran reto entender el funcionamiento de procesos de un alto grado de complejidad y poder asociarlo con el funcionamiento de cada una de sus partes. En el caso del funcionamiento del cerebro, por ejemplo, sería estupendo entender las bases morfológicas y fisiológicas del funcionamiento del cerebro. ¿Hacia dónde va esto?....A uno le seduce la idea de que si eres capaz de entender esos mecanismos también eres capaz de modificarlos... y así poder corregir problemas relacionados con la Salud y la Medicina, por ejemplo. Pero capacidad de modificar significa también poder diseñar específicamente estructuras de ingeniería biológica. Esto abre expectativas tan grandes que es muy difícil prever el futuro. Hay una tendencia muy fuerte en Física de estudiar lo que se llama nanoingeniería: el diseño y funcionamiento de sistemas formados por unos pocos átomos. Y esto enlaza con el comportamiento de los seres vivos entendidos como nanofábricas. En la actualidad, ya se habla abiertamente de nanobiofísica. ¿Por que no vamos a aprovechar la enorme riqueza de diseño que muestran los seres
vivos? Sin duda alguna contiene mecanismos de auto-organización absolutamente maravillosos, que superan muchísimo a lo que hoy por hoy podamos ni siquiera soñar en ingeniería mecánica o electrónica, y ya son “nano”. No es como diseñar
ruedas y engranajes para luego intentar fabricarlos y que funcionen a la escala de nano-metros. Las proteínas y las membranas celulares ya tienen esa escala. Física y Energía El sistema energético existente, dominado por el uso de los combustibles fósiles, necesita un cambio porque tiene muchos problemas: escasez, dependencia y daños medioambientales. Por eso un esquema energético sostenible tiene que basarse en el futuro, en otro tipo de energías. Se requieren desarrollos importantes en estas otras energías que, en la mayoría de los casos, tienen que ver directamente con la Física: tanto la energía solar, en su vertiente fotovoltaica como termoeléctrica, o la eólica o nuclear en sus dos vertientes. Por eso aquí, además de ingenieros o biólogos, trabajan muchos físicos." Una parte de la relación entre la Física y a tecnología es indirecta. Es decir, que para avanzar en el propio campo de la Física hacen falta desarrollos tecnológicos muy importantes porque se requieren precisiones muy grandes o condiciones límite. Pero hay otra relación más directa, que son los propios trabajos cuyo contenido es predominantemente de “física”, orientados a generar algún tipo de tecnología
nueva o mejorar las existentes. En el área de la energía, lo más importante es darse cuenta de que actualmente el suministro energético que necesita la Humanidad es enorme y está dominado por el uso de los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón). Al lado de estas energías, con una contribución mucho menor, están la energía nuclear y las renovables. Ahora bien, los combustibles fósiles tienen muchos problemas: escasez, presencia en pocos países, lo cual genera una fuerte dependencia en el suministro, y los efectos contaminantes co ntaminantes (efecto (efec to invernadero invernade ro y otros). Por eso un esquema energético sostenible tiene que basarse, en el futuro, en otro tipo de energías, que son las antes mencionadas: energía nuclear de fisión, que es la que se usa en los reactores actuales; la energía nuclear de fusión, una de las energías del futuro, todavía hoy no suficientemente controlada y, finalmente, las renovables. Un planteamiento, muy sencillo aunque difícil de resolver. Por lo tanto se requieren desarrollos importantes en estas otras energías que, en la mayoría de d e los
casos, tienen que ver directamente con la Física: tanto la energía solar, en su vertiente fotovoltaica como termoeléctrica, o la eólica o nuclear en sus dos vertientes. Por eso aquí, además de ingenieros o biólogos, trabajan muchos físicos. Hay un desarrollo enorme de las energías renovables, que son más caras que las convencionales, con un apoyo público importante que, además, en el caso de la fotovoltaica, ha generado unas obligaciones que ahora se discuten, en cuanto a la cuantía de ese apoyo. Las renovables están siendo explotadas y se están beneficiando económicamente, por un lado, por las compañías energéticas tradicionales, como Iberdrola, para la cual la energía eólica es una importantísima línea de negocio –es la empresa que gestiona más parques eólicos en el Mundo-, y otras empresas, nuevas, que no vienen del sector energético tradicional, y que están explotando con bastante éxito las energías renovables. Cuenta entre estas algunas que venían de otros sectores como la construcción o los equipamientos, eléctricos o mecánicos. El desarrollo de las renovables está comprometido por otro tipo de problemas. Está comprometido por dos cosas: en primer lugar, son energías caras. Más que las convencionales. De modo que si se quieren mantener los precios actuales de la electricidad es necesario un apoyo público. El otro problema es que son intermitentes: dependemos del Sol, que no hay por la noche o muy poco en caso de nubes, para la energía solar, y del viento para la eólica. Esto nos lleva al problema del almacenamiento. El almacenamiento masivo de energía eléctrica, destinado a amortiguar los altibajos en la producción eléctrica, se conoce desde hace mucho tiempo y es el bombeo de agua: a través de centrales hidroeléctricas de doble embalse: el paso del agua desde el embalse superior produce electricidad y, cuando hay exceso de electricidad en la red, unas bombas envían el agua desde un embalse inferior, al superior. Los grandes parque eólicos lo que hacen es entregar la electricidad a la Red, de manera que si hubiera suficientes centrales de bombeo, en caso de exceso de producción, como cuando se juntan la noche y mucho viento, no habría problema. Otra cosa es cuando esos aerogeneradores no están conectados a la Red. En este caso, de nuevo, debemos hablar de baterías, aunque se está trabajando en otro elemento de almacenamiento que es el Hidrógeno.
Si hay energía excedente, parte de ella se puede emplear en generar hidrógeno que, en el caso de un coche, puede funcionar utilizando ese hidrógeno en pilas de combustible. Grafeno "Geim y Novoselov, utilizando un sistema que, cuando lo lees, parece que podrías reproducirlo en la cocina de tu casa, fueron capaces de aislar el grafeno. El método consiste en pegar entre dos trozos de cinta adhesiva un pedazo de un cristal de grafito. Tras separar las cintas adhesivas se quedan pegados trozos más finos de grafito en cada una de ellas y si este proceso se repite varías veces al final en alguna de las cintas se quedan pegados trozos de grafito de unas pocas capas atómicas de espesor." El grafeno consiste en una sola capa de átomos de carbono enlazados formando una red hexagonal y ha supuesto una auténtica revolución en la física. Es el primer material estrictamente bidimensional que se aísla y sus electrones se comportan como si careciesen de masa. El grafeno es una red hexagonal en forma de panal de abeja donde los átomos de carbono presentan una hibridación sp2. Tres de los orbitales resultantes están en el plano de los átomos y participan en el enlace covalente entre cada átomo de carbono y tres vecinos. El cuarto electrón se encuentra distribuido por encima y por debajo del plano del grafeno.Estos últimos electrones son los responsables de la peculiar estructura electrónica del grafeno. En general los electrones en un sólido cristalino se compartan como si su masa fuese distinta a la masa en reposo. Esto es debido a la interacción de los electrones con la periodicidad atómica del cristal. En el caso del grafeno los electrones alrededor del nivel de Fermi su masa efectiva es cero y esto hace al grafeno distinto a cualquier otro material estudiado en la física de estado sólido. El grafeno es un material estrictamente bidimensional y en los años 30 del siglo pasado dos físicos Pierls y Landau llegaron a la conclusión de que no podía existir un material cristalino bidimensional macroscópico porque a temperatura ambiente todos los átomos están vibrando y están vibraciones introducen desorden en el cristal y hacen que el material tienda a plegarse y arrugarse. Geim y Novoselov, utilizando un sistema con el que fueron capaces de aislar el grafeno. El método consiste en pegar entre dos trozos de cinta adhesiva un pedazo de un cristal de grafito. Tras separar las cintas adhesivas se quedan pegados trozos más finos de grafito en cada una de ellas y si este proceso se repite varías veces al final en alguna de las cintas se quedan pegados trozos de
grafito de unas pocas capas atómicas de espesor. Posteriormente frotaron este trozo de cinta adhesiva sobre una superficie de óxido de silicio y fueron capaces de encontrar trozos de una sola capa atómica de espesor. De manera que consiguieron, primero, aislar un material cristalino bidimensional en contra de las predicciones teóricas y, en segundo lugar, lograron conectar estos trozos de grafeno eléctricamente y demostrar que podían cambiar el tipo de cargas eléctricas a voluntad, midieron que los electrones tenían una movilidad altísima, la existencia del efecto Hall cuántico semientero, etc. En definitiva, han abierto un nuevo campo de estudio. Los electrones en el grafeno se comportan como si tuviesen masa efectiva cero. Esto quiere decir que la ecuación que describe el comportamiento de los electrones en el grafeno es la ecuación de Dirac y no la ecuación de Schrödinger. Esto hace que en el grafeno se puedan hacer experimentos que tienen que ver con predicciones de la electrodinámica cuántica. Desde el punto de vista de las aplicaciones el grafeno, casi desde el principio, se mostró como un material que podía tener su utilidad. Por un lado la alta movilidad de los electrones, la posibilidad de cambiar el tipo de carga eléctrica (electrones o huecos) de forma continua y controlada, el hecho de que es un material de una sola capa de espesor hicieron de él un buen candidato para las aplicaciones. De ahí que se piense en el grafeno como sustituto del silicio, aunque aquí hay que hacer una distinción. Hay dos tipos de dispositivos básicos, unos que son los circuitos de transmisión y tratamiento de señales de radiofrecuencia, como los que llevan todos los móviles. En este campo es donde se cree que puede tener un impacto más inmediato. El otro tipo de dispositivos son los circuitos lógicos digitales. En este caso la utilización del grafeno es más difícil. El problema es que en la electrónica actual se utiliza el silicio que es un semiconductor. Esto quiere decir que es un material que tiene una zona de energía en la cual no están permitidos los electrones. Esto permite la fabricación de diodos y transistores que son la base de la microelectrónica y que son dispositivos que sólo conducen la corriente eléctrica en una determinada configuración de voltaje. Lo que permite distinguir entre los 1 y los 0 de los circuitos lógicos. El grafeno no tiene esta característica. Es un semimetal, lo que quiere decir que conduce la corriente eléctrica de forma bastante efectiva. Lo que se está haciendo ahora es buscar la manera de provocar, en el grafeno, una zona prohibida que permita la creación de esas puertas lógicas. Si se logra y unimos esto a las propiedades electrónicas que he mencionado dispondríamos de un dispositivo realmente fabuloso para la fabricación de dispositivos electrónicos. En la actualidad ya se fabrican transistores de grafeno que han demostrado tener unas
características bastante interesantes. Hay que recordar que la microelectrónica basada en el silicio tiene unos 40 años, mientras que el grafeno fue aislado por primera vez en 2004. Por lo tanto hay un amplio campo de mejora. De la Micro a la NanoElectrónica El primer circuito integrado, Kilby 1959, provocó una auténtica revolución tecnológica. Ese mismo año, Feynman pronunció su famosa conferencia “There‟s Plenty of Room at the Bottom”. Las ideas allí vertidas, los fenómenos cuánticos en dispositivos nanoelectrónicos… Nanotecnologia, Nanoelectrónica,... ¿Una nueva
revolución tecnológica?. Hay una parte de historia que es fácil de ir introduciendo: la década de los 60 y principios de los 70, la revolución microelectrónica, la historia de los chips… Lo
que uno hacía con componentes discretos, en los que uno podía ver las conexiones eléctricas, ahora están en un plano y, antes de encapsularlos, ha de acceder a ellos con una estación de puntas y a través de un microscopio. Tiene que haber investigación y, en paralelo, enseñanza de tal manera que las herramientas que se van desarrollando en investigación se puedan transferir en un plazo razonable a la enseñanza. Si no se tienen grupos de investigación en este área es muy difícil. Y es general, en cualquier área. Hace 20 ó 30 años hubo un Plan Nacional de Microelectrónica vía el cual se crearon una serie de centros, laboratorios, a los cuales se les dotó para hacer diseños. Gracias a aquel Plan Nacional de Microlectrónica diversos centros de investigación en universidades y el CSIC adquirieron el know-how y experiencia en diseño microelectrónico. Hay muchos centros donde los estudiantes de la Universidad saben hoy día hacer diseño microelectrónico. Finalmente ese diseño se ha transferido ya a la industria y, puede decirse que cualquier empresa electrónica en nuestro país, por pequeña que sea, tiene capacidad para hacer sus propios diseños. Todo esto es importante, no por afán de competir en el mercado internacional, sino por lo que se suele llamar mercado cautivo. La Microelectrónica ahora mismo se está enfrentando con una pared que con las herramientas y los conceptos habituales es insalvable. Igual que la electrónica cuando terminada la Guerra Mundial se enfrentó con una barrera insalvable y de ahí nació la Microelectrónica, ahora mismo hay unos límites fundamentales para seguir haciendo cosas más rápidas y más eficientes.
La Nanotecnología está afectando a todo, y si uno quiere ir más allá en aplicaciones más eficientes tiene que ir pensando en las posibilidades que ofrecen los nuevos desarrollos que ya se están haciendo a nivel nanoelectrónico. Dispositivos muy, muy pequeños que son capaces de funcionar con menor consumo de energía y con menos errores. No creo equivocarme, estamos asistiendo al nacimiento de una nueva revolución tecnológica. Las consignas en Microelectrónica, siempre ha sido “más rápido, menos consumo y más seguro”. A plicaciones para la electrónica de gran consumo como paneles
táctiles en los que puedan integrarse funciones de detección, visualización y la propia gestión electrónica de todas ellas ha dado lugar a algo denominado como “electrónica invisible” o “electrónica transparente”. Transistores de película
delgada (TFT) realizados a partir de óxidos u oxinitruros metálicos son una apuesta de gran actualidad. En otro sentido la aplicación de nanodispositivos para la realización de funciones electrónicas más complejas y eficientes es uno de los retos actuales en este campo. Por ejemplo, nanotubos de carbono, nanohilos de distintos tipos de semiconductores, silicio, compuestos III-V, óxidos metálicos, son excelentes opciones para la fabricación de transistores órdenes de magnitud más rápidos y de menor consumo. Pero no sólo para aplicaciones puramente electrónicas, sino nanohilos como electrodos para baterías más eficientes con vistas a vehículos híbridos, nanobiosensores para identificación de proteínas, arrays de nanodetectores en forma nanoconos y nanobastones para mimetizar la retina,…por citar sólo algunas de las posibles aplicaciones que más interés han
despertado recientemente. Partículas Elementales El estudio de la Física de Partículas Elementales y sus Interacciones Fundamentales, tanto desde un enfoque teórico como experimental, puede dar respuestas a enigmas como, ¿Cual es el origen de la masa?, ¿Existe relación entre el mundo microscópico y la evolución del universo? A un nivel muy simple, la Física de Partículas o Física de Altas Energías es importante porque si conociéramos los componentes más básicos de la materia, lo que denominamos partículas elementales (son elementales porque, supuestamente, no se pueden dividir a un nivel más pequeño), y sus interacciones esto implicaría conocer el comportamiento de toda la materia, su forma de interactuar y, consecuentemente, entenderíamos mejor el mundo que nos rodea, porqué los cuerpos se atraen o no, porqué la materia se transforma, porqué vemos las imágenes en un televisor, porqué escuchamos nuestras voces en un teléfono fijo, y en uno móvil.
El mundo de la Física de Partículas se mueve en el marco de la Física Cuántica, concretamente en el mundo “sub -sub-atómico”, lo que en términos de medida sería lo que vemos a distancias tan pequeñas como 1/1000000000000000000 metros es decir un mundo muy, muy pequeñito. La naturaleza nos ha sorprendido varias veces a lo largo de la historia mostrándonos nuevas estructuras que no nos esperábamos. Quizás en el futuro encontremos nuevas estructuras, pero de momento aceptamos que toda la materia conocida esta hecha de dos tipos de partículas elementales: quarks y leptones. De arriba abajo en estructura, si partimos de las moléculas y bajamos un nivel, nos encontramos con los átomos, en los átomos está el núcleo y, orbitando sobre éste, los electrones. Dentro del núcleo, los protones y neutrones y dentro de estos, los quarks. Los electrones pertenecen a un grupo de partículas que se llaman leptones (que en griego significa “ligeros”, es decir de masa muy pequeña), al que pertenecen también otras partículas, muy parecidas a los electrones (réplicas o clones de los electrones), y los llamados neutrinos (el nombre viene de que son neutros, es decir sin carga eléctrica, y de que son muy ligeros). En total hay seis quarks diferentes y seis leptones diferentes que se agrupan en tres familias o también llamadas generaciones. La propia palabra quark no significa nada concreto, simplemente fue el capricho del físico (Gell-Mann) que planteó su existencia, y la extrajo de una obra („Finnegans Wake‟) de James Joyce. En Física Cuántica hay un concepto básico que consiste en que si quieres observar o penetrar la materia a un nivel muy profundo necesitas mucha energía. Es decir, para observar pequeñas distancias, o longitudes de onda cortas, necesitamos energías grandes, y viceversa: para explorar distancias grandes necesitamos energías pequeñas. De manera que un físico experimental, para acceder a distancias muy pequeñas, necesita de dispositivos de gran energía, como son los aceleradores que se basan en la generación de una determinada energía, la cinética, a base de acelerar a una grandísima velocidad (¡muy cercana a la velocidad de la luz!) ciertas partículas. Pero otro principio elemental es que la energía ni se crea ni se destruye sino que se transforma. Así que esa energía cinética acumulada se puede transformar en otra forma de energía quizás más interesante y ahí está la gracia de los aceleradores. Por ejemplo, si ponemos un electrón en uno de estos anillos de colisión (los aceleradores), lo aceleramos más y más hasta que adquiera mucha energía cinética, y finalmente lo hacemos colisionar frontalmente contra otro electrón que circula en sentido contrario, habremos conseguido que se acumule una gran cantidad de energía, pero ¿a dónde va a parar tal cantidad de energía? Pues bien,
como existe otro concepto capital en la Física de partículas, que es que la materia, la masa, es también una forma de energía (de ahí la fórmula de Einstein , E=mc2), la energía liberada en la colisión se transforma en la creación de nuevas partículas que pueden ser mucho mas masivas que las de partida. Todas estas partículas resultantes de la colisión son las que los físicos miden y estudian, mediante detectores especiales, en los experimentos que se desarrollan en los aceleradores de partículas. El acelerador de partículas más popular de la historia es la propia televisión (televisión de la gama antigua claro, pues las actuales de pantalla plana tienen una tecnología diferente). Esta es, básicamente, un tubo de rayos catódicos, incandescente, que desprende electrones y que, a su vez, son acelerados mediante un campo electromagnético para que impacten en una pantalla. Cada impacto de electrón produce un punto en la pantalla y el conjunto de impactos configura la imagen que vemos. La diferencia con un acelerador de partículas, por ejemplo el llamado LEP (Large Electron-Positron Collider), que estaba ubicado en las instalaciones del CERN (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire), es que la energía inducida a ese electrón es cien millones de veces mayor que la del electrón de la televisión. Lo que se reproduce en un laboratorio de física son las condiciones que teóricamente existían instantes después del nacimiento del Universo, es decir, un Universo a mayor temperatura que el que conocemos... De nuevo la gran energía producida en un laboratorio se traduce en otro tipo de energía, en este caso calor. Evolucionando desde ahora hacia atrás en el tiempo, y utilizando como sistema una teoría de gases general (pensemos en las ruedas de los coches que ganan presión cuando se ponen en marcha, como consecuencia de la energía cinética; ese mismo aire, liberado, se expande y se enfría), debemos presuponer que ese viaje implica un aumento progresivo de temperatura. En el origen, estaría el famoso Big-Bang: a partir de aquella explosión, el Universo se va expandiendo y, en consecuencia, enfriando. Desde un punto de vista tangible o terrestre, el primer paradigma a resolver es la confirmación o descarte de la partícula denominada bosón de Higgs (nombre en honor al físico que la propuso), cuya existencia es muy importante. Esta partícula aparece como una predicción matemática dentro del marco del Modelo Estándar antes mencionado, pero no existe de momento ninguna evidencia experimental de su existencia. La importancia de esta partícula es que resulta ser la responsable de que el resto de partículas constituyentes de la materia tengan masa... Si se lograra esa evidencia, es decir, si se detectara el bosón de Higgs sería un gran triunfo que ayudaría a explicar aspectos esenciales de la materia. Si por el contrario no se encontrara, tendríamos que cambiar profundamente nuestra
Por eso, hay mucho esfuerzo, dinero e ilusión puestos en el nuevo acelerador europeo de partículas en el CERN, llamado LHC (Large Hadron Collider), en el que se espera encontrar dicha partícula. concepción del origen de la masa…
Otro paradigma, éste un poco más abstracto. Durante décadas, se ha intentado incorporar a ese esquema que hemos llamado Modelo Estándar, el otro tipo de interacciones, aparentemente menos relevantes, las interacciones gravitatorias. Se trata, en definitiva, de construir un nuevo marco teórico, que incorpore todas las interacciones entre las partículas, es decir, las gravitatorias, las electromagnéticas, las fuertes y las débiles, y que podría conducirnos a nuevos paradigmas cuánticos. ¿Y porqué es importante esto? Pues por que si uno pretende entender el Universo desde sus orígenes, no solo debe entender las fuerzas gravitatorias de acuerdo con la Física Newtoniana o clásica, sino también la gravitación a escala cuántica. Si aceptamos lo que propone la comunidad científica sobre el origen del Universo, que estaba comprimido en una pequeñísima región referida a unas coordenadas de espacio-tiempo (la teoría del Big-Bang), necesitamos explicarlo partiendo de la gravitación cuántica, que es la que funciona en esas pequeñísimas distancias, muy inferiores a la escala subatómica. Hoy, muchos físicos teóricos trabajan en las denominadas Teorías de Supercuerdas que podrían conducir a una unificación de las interacciones. Si las Partículas Elementales se estudiaban desde una aproximación puntual, es decir, desde una focalización sobre un punto en un momento determinado, hoy se trabaja sobre una extensión, o sea, sobre una cuerda... El prefijo Super- hace mención no al tamaño de las cuerdas como uno podría pensar, sino a una nueva simetría de las cuerdas llamada Supersimetría. Estas teorías necesitan, por coherencia, desarrollarse en un espacio-tiempo de más de cuatro dimensiones, es decir, habría otras dimensiones, además de las tres coordenadas espaciales y el tiempo, que son las que conocemos. Estamos hablando, por tanto, de otros mundos absolutamente desconocidos que podrían conducir a fenómenos insospechados. Refiriéndose a posibles manifestaciones contrastables en un laboratorio, lo que es bastante fascinante. Es cierto que se han abierto otros campos, de naturaleza interdisciplinar, como la bio-física o la nano-tecnología, que atraen la atención científica en la actualidad por sus aplicaciones a la vida cotidiana, pero la Física Teórica tiene todavía mucho que decir. De hecho, se ah llevado tiempo preparando un experimento del que se esperan grandes resultados y que hace muy poco ha empezado a funcionar. Se trata, del LHC, el Gran Colisionador de Hadrones, estrechamente ligado al ya desaparecido LEP, ubicado en las instalaciones del CERN, en la frontera entre Francia y Suiza. Se aprovecha el túnel subterráneo en el que estaba LEP para
acomodar allí mismo el nuevo acelerador LHC. En dos tubos separados se aceleran en sentido contrario dos haces de protones a muy altas energías, uno por cada tubo que luego se cruzan haciendo posible la colisión frontal de los haces. En esos cruces se han edificado nuevos laboratorios con enormes detectores que estudian los resultados de las colisiones. El LHC comenzó su andadura en Noviembre de 2009 con una energía inicial que ya superó a la de su rival americano, el acelerador TeVatron del Laboratorio Fermilab, ubicado cerca de Chicago, alcanzando en esa primera etapa el record mundial con energías superiores a los dos billones de electrón-voltios (dos mil millones de veces más energéticos que los electrones de la televisión que comentábamos antes). Desde entonces el LHC ha proporcionado numerosos éxitos y la energía de sus haces se ha aumentado progresivamente hasta superar el triple de la primera etapa. Los planes para el futuro son muy alentadores, pues se espera subir la energía hasta la máxima planificada de 14 billones de electrón voltios. Sin duda el LHC, ha abierto una ventana al estudio de nuevos fenómenos en Física de Partículas muy interesante. Quizás se produzcan en el LHC nuevas partículas completamente desconocidas por nosotros, o encontremos manifestaciones inesperadas de las supuestas nuevas dimensiones. También en el mismo túnel del LHC se están analizando los choques entre iones muy pesados (mucho más que los del hidrógeno) con los que se espera crear una especie de plasma de quarks que simule los primeros instantes de la evolución del Universo. Probablemente nos falte material de estudio en el futuro. Biofísica y Cerebro ¿Cómo se explica el comportamiento de un ser vivo a partir de los circuitos cerebrales? ¿Cómo se organiza una población de neuronas para determinar la acción que tomará un organismo? Estas cuestiones son estudiadas por la Neurociencia utilizando una gran variedad de técnicas. La Física está contribuyendo en modo fundamental a encontrar las respuestas. "Durante los últimos treinta años un número creciente de físicos se ha volcado a la investigación de cómo el cerebro procesa la información y genera una respuesta. Gracias a esta cooperación entre neurobiólogos, físicos y científicos de otras disciplinas actualmente se comienza a comprender cómo se genera en el cerebro la toma de una decisión, o cómo reconocemos e interpretamos el contenido de una imagen y cómo mantenemos en memoria la información que nos permite realizar una tarea. Actualmente todos los laboratorios de Neurociencia de máximo nivel tienen grupos de Neurociencia Teórica dedicados a la modelización e interpretación de los resultados experimentales."
Lo que ocurre es que la Física lleva una ventaja considerable en su desarrollo, y por ello cuenta con un bagaje de métodos y técnicas de investigación tanto experimentales como teóricas muy poderosas. Esto se manifiesta, por ejemplo, en el éxito obtenido por esta disciplina en la explicación de una amplia variedad de fenómenos, desde aquéllos referidos al mundo sub-atómico hasta el universo. ¿Significa ésto que los conocimientos adquiridos a través de la Física pueden aplicarse sin más a otras disciplinas? Podría creerse que si una técnica ha servido para resolver muy bien algún problema de la Física esa misma técnica podría aplicarse en modo inmediato a problemas de otras disciplinas, siempre que exista alguna semejanza formal entre ellos. Este es un enfoque muy simplista sobre cómo utilizar en otros campos la experiencia obtenida en la Física. Hay un cierto camino que es necesario recorrer para que el traspaso de información entre diferentes campos resulte útil. Ante todo es necesario conocer con cierta profundidad la otra disciplina, sus problemas, motivaciones y técnicas, y también sus posibilidades y sus limitaciones en la actualidad. Sólo entonces podremos saber si aquéllo que hemos aprendido los físicos puede usarse positivamente para agregar conocimiento a la otra disciplina. ¿Cómo se llega a esta meta?. Se trata en realidad de la formación de nuevos campos de investigación, de nuevas disciplinas que hoy llamamos pluridisciplinares porque requieren de la colaboración de varias disciplinas tradicionales. El modo como los físicos con formación "clásica" intentan acercarse a las otras ciencias es interactuando con sus investigadores. Sin embargo, el resultado de este acercamiento es sólo el inicio del proceso de fusión de los diferentes campos. Para que la nueva disciplina se desarrolle es necesaria la formación de nuevos científicos, proporcionándoles los conocimientos adecuados de los diferentes campos. De este modo, por ejemplo, podemos hablar de un neurocientífico que conoce tanto la biología y las funciones de los diferentes elementos del cerebro como técnicas computacionales, ya sean matemáticas o numéricas, que permitan modelizar a este sistema biológico. Desde esta perspectiva, lo que tal vez distingue actualmente la formación que se puede adquirir como físico de aquélla que se obtiene con otras disciplinas científicas es la capacidad para comprender y resolver problemas, uniendo la comprensión del fenómeno bajo estudio con la abstracción necesaria para llegar a una modelización y explicación del mismo. En el caso concreto de volcar la experiencia de la Física en el estudio de la Neurociencia, no se trata entonces de aplicar tal o cual modelo de uso común en
la Física sino de, una vez definidos los problemas a resolver para lograr una comprensión del funcionamiento del cerebro, ser capaces de diseñar los métodos y técnicas adecuados para afrontar su solución. interesa estudiar como se procesa en el cerebro la toma de decisiones que tiene lugar cuando el cerebro recibe una estimulación sensorial. Una de las tareas mas simples de toma de decisiones que se puede estudiar consiste en aplicar un estímulo de una cierta amplitud y registrar si el individuo es capaz de detectar la presencia de ese estimulo. En una serie de interesantes experimentos de electrofisiologia en monos se ha estimulado un dedo de un mono aplicando sobre él una vibración. La experiencia se repite una y otra vez con un breve intervalo entre dos experiencias consecutivas, pero la amplitud de la vibración no es siempre la misma y en la mitad de ellas no se aplica el estimulo. Cada vez el animal debe indicar si se le ha aplicado esta estimulación. La tarea es sencilla si la amplitud de la vibración es grande pero es difícil cuando es muy pequeña. Una parte importante de este estudio (y otros semejantes) es que el animal a veces se equivoca. Por ejemplo puede indicar que ha percibido una vibración cuando en realidad no la hubo, lo que se llama una falsa alarma. Esto es interesante porque si el dedo no fue estimulado la actividad cerebral durante la toma de la decisión es de origen puramente interno. ¿En que difiere la actividad de la red cortical durante una falsa alarma de la actividad que ocurre cuando el animal acierta sobre la presencia del estimulo?, ¿la toma de la decisión se produce porque grupos de neuronas coordinan sus actividades a medida que transcurre el tiempo de la tarea de detección? Estas y otras preguntas se pueden estudiar analizando datos experimentales, proponiendo modelos que reproduzcan las observaciones y resolviéndolos ya sea usando técnicas matemáticas o simulaciones numéricas. Esta es la manera como se trabaja en el laboratorio. Una parte relevante del trabajo es la colaboración con grupos experimentales. Un problema que ha interesado anteriormente se refiere a comprender qué relación existe entre las vías sensoriales (por ejemplo la visión) y los estímulos (por ejemplo las escenas visuales que nos llegan a través de la retina, y que podemos representar en una fotografía). Las neuronas que realizan el procesamiento de los estímulos visuales tienen propiedades fascinantes. En la corteza cerebral hay células que se activan cuando "ven" el borde de un objeto, pero lo perciben sólo si está ubicado en un sitio preciso de la imagen y si tiene una orientación dada. ¿Cómo han adquirido esta propiedad?. Ante todo hay que darse cuenta de que el mundo visual tiene una cierta estructura: está formado por objetos, cuyos límites están en general bien definidos. Una vez notado esto, podemos formular la hipótesis de trabajo según la cual el sistema visual, al ser estimulado por imágenes durante el largo proceso de la evolución, ha
aprendido la estructura propia del mundo visual. Este aprendizaje se refleja en que las neuronas que forman el sistema visual han adquirido propiedades y, conectándose entre sí, han formado circuitos que contienen todo lo aprendido sobre cómo está organizado el mundo externo. Formulada la hipótesis, debemos verificarla. El trabajo necesario para ello presenta varias facetas. Ante todo debemos estudiar las propiedades de los estímulos: ¿En qué consiste la estructura que poseen las imágenes? ¿Cómo se la describe? ¿qué es lo relevante en ellas?. Una vez entendido esto, debemos comprender qué reglas sigue el sistema visual para aprender esa estructura y reorganizarse de acuerdo con ella. Una vez comprendidas las dos cuestiones anteriores, debemos aplicarlas para obtener predicciones sobre el sistema visual a partir de imágenes. Por último, se deben contrastar las predicciones con lo que ha sido observado experimentalmente sobre el sistema visual. El cerebro nos presenta una cantidad enorme de problemas aún por comprender. La memoria es uno de ellos. En varios sitios del cerebro se observa que las neuronas se mantienen activas aún cuando el estímulo ha sido retirado. Esta actividad podría representar información que el estímulo ha extraído y que está siendo mantenida para ser utilizada inmediatamente. Si giramos la cabeza posiblemente necesitemos recordar qué o quién ha quedado detrás para poder continuar con nuestra tarea; ese recuerdo se mantiene en la actividad neuronal. Esto plantea un problema: ¿Cómo es posible que exista actividad representando un estímulo en ausencia de éste?. Una explicación posible es que este tipo de memoria es el resultado de la cooperación entre un número grande de neuronas. Cada neurona activa se mantiene así porque hay otras que también lo están. Como resultado de la interacción entre las células ha "emergido" una propiedad de la población de neuronas que cada una de ellas por sí misma no podría tenerla. Es posible que ésta sea la explicación correcta. Del punto de vista de la modelización del fenómeno hay varias cuestiones a resolver. Por ejemplo, ¿con qué grado de complejidad es necesario describir a las neuronas y a sus conexiones?. ¿Cómo afecta cada una de sus propiedades a la actividad de la red? ¿Qué otras áreas "leen" la información que está siendo mantenida activa y con qué propósito? Este es un campo de investigación de gran interés en la actualidad La Física contribuye a la Neurociencia de muchísimas maneras, desde sus ramas más básicas (la electricidad, el magnetismo, la óptica y la física molecular) hasta las técnicas matemáticas y numéricas más abstractas. Se usa mucho la rama de la Física Estadística, que se ocupa de describir sistemas en los que hay muchos cuerpos, tantos que es posible tratarlos estadísticamente. También, dado que el cerebro coge información de un sitio (por ejemplo, de los estímulos sensoriales), y
la procesa y transmite hacia otros sitios (por ejemplo, hacia los músculos), una disciplina llamadaTeoría de la Información resulta muy útil para estudiar el funcionamiento del cerebro. Hay varios problemas en los que hemos podido utilizar herramientas propias de la Física Estadística en la Neurociencia Teórica. Uno de ellos es que a un cierto nivel la corteza cerebral presenta un cierto "desorden", en particular las conexiones entre las neuronas no parecen seguir un patrón muy regular, y también la eficiencia con la que una neurona afecta a otra varía de una célula a otra en un modo aleatorio. Hace ya algunos años que muchos físicos se han preguntado qué propiedades de una red de neuronas se pueden derivar de que éstas están conectadas de un modo aleatorio, y la experiencia que poseían sobre estudios de sistemas desordenados (por ejemplo ciertos materiales magnéticos) ha permitido responder a preguntas tales como cuánta información es posible almacenar en estas redes de neuronas. Los físico no "inventaron" las redes neuronales con desorden, pero antes de sus trabajos sólo se disponía de técnicas numéricas un tanto rudimentarias, con las que es difícil interpretar los resultados. Actualmente hay un enorme interés en comprender las correlaciones que existen entre la actividad de diferentes neuronas, por ejemplo cómo un cambio en la actividad de una célula afecta a la actividad de otra. Se quiere entender cómo se originan estas relaciones, cómo se ven afectadas por la estimulación sensorial, qué mecanismos generados por el cerebro las pueden alterar o más generalmente cómo varían a medida que el animal realiza alguna tarea o cambia su comportamiento. La Física puede contribuir a estudiar estos problemas aportando técnicas. Hay una cuestión muy básica de la Neurociencia: la neurona tiene una membrana que es un aislante pero que presenta en muchos sitios canales por los que pueden pasar cargas eléctricas. Si se estimula a la neurona se produce un intercambio de cargas entre el interior de la neurona y el medio extracelular y el potencial de la membrana comienza a variar. Esto ocurre todo el rato. De pronto, ocurre que se produce un aumento grande y localizado del potencial que comienza a viajar por el axón de la neurona hacia los sitios en que ésta se comunica con otras células. De esa manera comienza la transmisión de información sobre el estímulo de una neurona a otra. Aquí surgen preguntas fundamentales: ¿el tiempo preciso en que ocurre este fenómeno nos dice algo sobre el estímulo?, ¿cuántos de estos eventos se producen por unidad de tiempo?, ¿cómo codifica este número al estímulo? La respuesta dependerá de cómo ha sido el estímulo, de las propiedades de los canales por los que pasan las cargas eléctricas y de cómo se produce el contacto entre las neuronas. La Física Estadística nos provee de técnicas poderosas con las que estudiar estas cuestiones.
Lo que interesa, es comprender cómo ha influido el mundo sensorial, a lo largo de la evolución, en la formación de las correspondientes vías sensoriales en el cerebro. Por ejemplo, nos hemos preguntado qué relación hay entre imágenes naturales y el sistema visual. Para intentar responder a esta pregunta hemos encontrado útiles ciertos modelos matemáticos que explican propiedades de los fluidos turbulentos. Esto puede parecer sorprendente ya que ciertamente las imágenes y los fluidos son, físicamente, objetos muy distintos. Nosotros hemos encontrado una analogía formal: si se inyecta energía en un fluido ésta se disipa en el fluido en torbellinos de muchos tamaños. Del mismo modo, al observar una fotografía se ven en ella variaciones en la cantidad de luz, debidas a que los objetos que muestra la foto están iluminados de manera diversa. Estos cambios de luz se verán también, y con más detalle, si se mira la imágen con una lente. Ha sido fascinante notar que el modo cómo se relacionan la imágenes observadas con lentes de diferentes aumentos es semejante al modo como se disipa la energía en torbellinos de diferentes tamaños. Puede decirse que el campo está en sus comienzos, en comparación con otras ciencias, tanto en el estudio experimental como en el teórico. Sin embargo desde hace poco más de dos décadas está experimentando un avance considerable. Cuestiones que no hace mucho tiempo parecían inabordables están siendo actualmente objeto de estudio. Un reto inmediato, por su relevancia en toda la neurociencia, es llegar a comprender cómo representa el cerebro la información y cómo la procesa. Seguramente utiliza más de una estrategia para ello, y descubrirlas se hace más difícil a medida que nos movemos desde los sitios donde se produce la recepción de los estímulos hacia el procesamiento que realiza la corteza cerebral. Pero aún lo que ocurre en las primeras etapas del procesamiento sensorial está lejos de ser comprendido, tanto al nivel de los mecanismos celulares como al nivel más alto de los circuitos corticales. Consideremos por ejemplo la situación "sencilla" en la que un estímulo externo (una imagen, un sonido, la superficie de un objeto...) activa nuestros receptores. Se produce inmediatamente una cadena de actividad en las neuronas que procesan esa estimulación. Si pudiésemos introducirnos en el cerebro y ver qué ocurre notaríamos que sólo una pequeña parte de las células se activan, que cuando lo hacen su respuesta cambia con el tiempo, y que algunas de éstas neuronas a veces parecen coordinarse y responder juntas. Por supuesto que no somos conscientes de este proceso, todo lo que notamos es que casi inmediatamente reconocemos al estímulo: podemos describir la imagen, o reconocemos el sonido o la textura del objeto. ¿Cómo hacer para comprender lo que está ocurriendo? Nos gustaría ante todo poder descifrar el significado de la actividad neuronal, saber qué está haciendo el sistema y comprender por qué lo
hace de ese modo. Esto por sí mismo constituye un campo de investigación enorme. También nos gustaría entender cómo se llega a la etapa final de este proceso: el reconocimiento del estímulo. Y también cómo están relacionados estos dos aspectos del problema. El reconocimiento de una imagen es muy rápido, requiere del orden de 100 milisegundos: ¿cómo hacemos para reconocer que en una imagen aparece la figura de un animal, por ejemplo, en tan breve tiempo?. La respuesta a esta pregunta no se conoce, pero existen propuestas que hacen uso de nociones tomadas de la Estadística: tan pronto se produce la estimulación, el cerebro no sólo se preocupa de representar al estímulo internamente usando la actividad neuronal, sino que también efectúa una hipótesis sobre los objetos que aparecen en la imagen. Luego es necesario comprobar si esta hipótesis es correcta, para lo que el mismo cerebro debe comparar su hipótesis con la representación interna que ha construido. Cuando la hipótesis se verifique se habrá reconocido al objeto. ¿Es esto correcto o este procesamiento es demasiado lento? Posiblemente aún se requiere mucho trabajo antes de tener una respuesta a esta cuestión. La observación directa de la actividad neuronal en el cerebro humano sólo puede hacerse con técnicas no invasivas, tales como fMRI. Pero estos métodos no permiten aún observar el cerebro con suficiente detalle. También existen otras maneras de aprender cosas sobre el cerebro, por ejemplo por medio de experimentos de psicofísica, en los que el individuo realiza alguna tarea simple mientras el investigador observa cómo la hace, registrando las observaciones del individuo o midiendo el tiempo que se demora en hacerla. Hay ejemplos sorprendentes de lo que es posible hacer de esta manera: los colores que observamos son el resultado de tres tipos de pigmentos que están en la retina; en 1802, mucho antes de saberse de su existencia, Thomas Young propuso la teoría del tricromatismo, que explicaba nuestra visión del color en términos de tres variables. Las ilusiones visuales, en las que nuestro cerebro "nos engaña" sobre cómo es realmente la escena visual haciéndonos interpretarla de un modo incorrecto, también nos ayudan a conocer cómo funciona el cerebro. La Neurociencia ha tenido un avance enorme en relación con su desarrollo anterior a la década de los ochenta. Esto ha ocurrido tanto en el terreno experimental como en el teórico. Hasta fines de esa década en los laboratorios sólo se registraba la actividad de una única neurona por experimento. Esto se debía tanto a limitaciones técnicas como conceptuales. Sin embargo, los sistemas neuronales seguramente se sirven de la actividad coordinada de un gran número de neuronas para procesar información. En un llamativo estudio reciente, en un laboratorio registraron la actividad simultánea de un grupo de células de una rata mientras el animal exploraba un laberinto. Las neuronas observadas tienen la
facultad de activarse cuando la rata pasa por un sitio bastante preciso de la trayectoria, de modo que en el registro se vió la secuencia en la cual las células se activan a medida que el animal se mueve. Sorprendentemente, cuando registraron la actividad de esas células mientras la rata dormía vieron que repetían la misma secuencia: el animal soñaba que visitaba el mismo laberinto que antes había recorrido despierto. La posibilidad de registrar la actividad de varias neuronas (por ejemplo una centena) simultáneamente tiene una relevancia enorme en aplicaciones a la medicina y la robótica. Cuando un mono extiende su brazo para coger alimento, hay neuronas en su cerebro que dan a los músculos la orden de moverse para realizar este movimiento. En un laboratorio se ha conseguido que, al mismo tiempo que el animal ejecuta esta acción, la actividad de unas 100 neuronas es registrada con micro-electrodos implantados cerca de ellas y es transmitida a un ordenador el que a su vez hace mover el brazo de un robot. Todo ocurre de tal modo que el robot reproduce el movimiento del brazo en tiempo real. Hay otras técnicas que están ayudando a comprender mejor el cerebro y su funcionamiento, y en las que los conocimientos propios de la Física juegan un papel importante. Por ejemplo el uso del magnetismo para observar la actividad cerebral. La técnica de Imagen de Resonancia Magnética funcional (fMRI) permite observar la actividad de las neuronas a través de una señal de origen magnético que produce el oxígeno de la sangre al ser metabolizado por la neurona activa. A diferencia del micro-electrodo, ésta técnica no daña los tejidos y puede utilizarse en el hombre. Las técnicas experimentales están teniendo una rápida evolución. En estudios de las bases neuronales del comportamiento, es usual enseñar al animal a realizar una cierta tarea, y para ello se lo recompensa cuando la hace bien. En el caso de la rata que explora el laberinto, se dejan pequeños trozos de alimento a lo largo del camino, lo que incentiva al animal. Pero muy recientemente se ha hecho un experimento en el cual tanto las instrucciones como el premio son "virtuales".Normalmente la rata reconoce el camino por medio de sus bigotes, y cuando uno de estos bigotes toca la superficie se activa una neurona en cierto sitio de la corteza cerebral. Lo que han hecho en este laboratorio es implantar micro-electrodos directamente en esas neuronas y así con pequeños pulsos eléctricos dados por control remoto instruyen al animal a realizar giros a la derecha o a la izquierda. Cuando lo hace bien se lo premia, pero en este experimento la recompensa también se da al animal a través de un implante en la región del cerebro adecuada. No es difícil especular sobre aplicaciones de estos resultados en las que se guía al animal de modo que éste llegue a sitios de otro
modo inaccesibles o, más ampliamente, en el desarrollo de "robots" que combinen las habilidades del animal con implantes semejantes a los de este experimento.
Física y Medioambiente Nuestro planeta es un enorme laboratorio. La Física estudia los terremotos, los huracanes, y trata de predecirlos con antelación. La misma Física que usa la luz (los fotones), como herramienta para medir la contaminación atmosférica, explica algunos efectos de la naturaleza tan espectaculares como la luz del atardecer o el color de los corales "Desde que en 1827 el matemático francés Fourier observó (se supone que tijeras de podar en mano) que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el "calor atmosférico" dentro de los invernaderos o más tarde, el Premio Nobel de 1903, el físico sueco Arrhenius, construye la teoría general del efecto invernadero y del calentamiento planetario, la Física y el Medioambiente iniciaron, como pareja de hecho, una fructífera colaboración que dura hasta nuestros días." Es muy evidente que las leyes Físicas están presentes y rigen muchos aspectosdel comportamiento del medioambiente considerado que esta formado por la Atmosfera y la Tierra, ambos bajo la influencia de la Radiación solar. Así si consideramos la Atmósfera, nos adentramos en la Física de Fluidos. ¿Porqué?, pues por que si hablamos de la contaminación atmosférica, esta vive y se desplaza según la Dinámica de la propia Atmósfera. Un ejemplo lo tenemos en la catástrofe de Chernóbil, que sucedió en Rusia pero que a los pocos días se detectó en Escocia, como consecuencia de un movimiento de masas de aire. De modo que conocer la Dinámica de la baja atmósfera, aquella que va desde el suelo hasta los 10.000 m de altura, es fundamental para entender y predecir accidentes en nuestro medioambiente. Pero es que además, la contaminación atmosférica está “globalizada”: puede
existir un crecimiento del agujero de Ozono localizado en el centro de Europa (en el Hemisferio Sur es donde este fenómeno se manifiesta de manera más contundente) que, en pocas semanas, se desplace hasta el hemisferio Sur. Y para conocer la Mecánica de Fluidos tienes que conocer, a su vez, las bases fundamentales de la Física: las leyes de la Mecánica; de la Conservación de la Cantidad de movimiento, Momento angular, de la Energía así como otros procesos físicos como la propagación de Ondas sonoras y electromagnéticas, etc., etc.
Otro ejemplo: caso Prestige. Para conocer los desplazamientos de las corrientes marinas, que determinan el desplazamiento a su vez de las manchas de petróleo, se emplean métodos físicos. La contaminación en el mar o en la atmósfera pertenece a la Física Troposférica. Pero si miramos la Estratosfera, nos encontramos con la capa de Ozono que, como sabes, es un absorbente de la radiación ultravioleta. En este caso estamos hablando de radiaciones electromagnéticas, del conocimiento de las ondas electromagnéticas, que representan el movimiento de los campos eléctricos y magnéticos. De manera que, para conocer el daño que se esta produciendo en la Capa de Ozono, usamos una gran variedad de procesos físicos: absorción, intensidad de la radiación, espectro electromagnético, etc. De nuevo, Física.
Un problema más global: el calentamiento de la Tierra y por tanto el cambio climático. Ahí la Física está tan implicada que vale la pena hacer un poco de historia sobre las personas que, en su momento, señalaron el camino: En 1827, el matemático francés Fourier, observa, por primera vez, que ciertos gases, en particular el dióxido de carbono, retienen el “calor atmosférico”. Este
fenómeno es similar al que él mismo observo en los invernaderos y por ello creó el termino "effet de serre". Desde entonces, el "efecto invernadero" ha sido el nombre utilizado para designar este fenómeno. Tyndall, físico irlandés de finales del XIX, destacado por sus investigaciones sobre la dispersión de la luz a través de las suspensiones coloidales y de sus estudios sobre el deshielo, profundiza en el estudio del clima y observa que gases como el CO2 presentes en la atmósfera absorben la radiación infrarroja que emite la Tierra, y por tanto pueden afectar al equilibrio térmico de nuestro Planeta. Y el tercero, el que realmente organiza toda la teoría del efecto invernadero y del calentamiento planetario, es el Premio Nobel de 1903, el sueco Arrhenius. Para hacer todo ese cálculo uno se apoya en la emisión del “cuerpo negro”, ya sea del Sol o de la Tierra, como “cuerpo negro” imperfecto como consecuencia de la
presencia de los gases de efecto invernadero Un “cuerpo negro” es un cuerpo que emite toda la radiación igual que absorbe
toda la radiación que le llega. La potencia P radiada por un cuerpo negro perfecto viene dada por la ley de Stefan: P = σT4 en donde T es la temperatura en grados kelvin y σ la constante de Stefen-Boltzmann. La radiación electromagnética que emite tiene su máxima intensidad a una longitud de onda (expresada en micrómetros µ ) dada por la ley de Wien: I ~ 3000/T . Así como la superficie del
Sol se encuentra a una temperatura de ~ 6000 K su máxima intensidad se emite para una longitud de onda de 0.5 µ que corresponde al verde. Por otro lado, la superficie de la Tierra se encuentra a una temperatura media de ~290 K y por lo que emite una radiación cuyo máximo esta centrado alrededor de 10 µ. Por tanto, si existen gases en la atmósfera que absorben esta radiación la energía emitida por la tierra se mantiene dentro de ella produciendo un sobrecalentamiento. Este fenómeno es el denominado Efecto Invernadero. Hay, dentro del medioambiente, otros tipos de contaminación que también conciernen a la Física. El ruido es uno de ellos, una onda sonora, cuya intensidad se mide en decibelios (dB). Una contaminación muy peligrosa, por cierto y cuyo principal causante en las ciudades es el tráfico (tenemos un vehículo por cada tres habitantes, trece veces más que hace sólo 35 años). Una iglesia o sala de conciertos (sin público ni músicos, claro), puede tener un nivel sonoro de 20-30 dB. Que son valores muy bajos. Pero si recibes un ruido en tu oído, que no viene de fuera pues su origen esta en el oído interno, que se llama tinítus y que padece mucha gente, de solo 10 decibelios, menos ruido que el que hace una hoja al caer, te puedes volver loco si tu sistema de defensa no lo puede rechazar. El estar sometido a niveles de ruido altos durante periodos de tiempo elevados llega a producir estos diablos internos llamados tinitus, de consecuencias a veces terribles. Finalmente está la contaminación radioactiva, que entra también de lleno en el campo de la Física. Por una parte, estamos sometidos a los rayos cósmicos y, por otra, utilizamos la radioactividad para aplicaciones médicas y producir energía, hoy de fisión y, probablemente en el futuro, de fusión. No obstante, este campo está muy solapado con el área de la Química. La Física tiene una importancia enorme en las técnicas de detección de contaminantes atmosféricos. La mayoría de las técnicas que hoy en día se están utilizando para medir, in situ, los contaminantes atmosféricos son técnicas físicas. Si empezamos por el Ozono, observamos como el aumento en la precisión de las técnicas actuales ha influido mucho en la percepción de los problemas. Hasta hace poco se pensaba que 120 microgramos de metros cúbicos de Ozono no eran peligrosos. Hoy sabemos, precisamente mediante técnicas de absorción ópticas, que variaciones de 10 microgramos son importantes en el nivel de contaminación para considerarlas nocivas. Para medir la concentración de los óxidos de Nitrógeno se utilizan métodos por quimiluminiscencia; el SO2, por fotoluminiscencia, también una técnica física y
para medir la concentración de partículas se utiliza técnicas de absorción beta o técnicas de dispersión de luz. No obstante, en los últimos años adquiere mucha importancia la detección remota que permite medir los contaminantes a gran distancia. La utilización de la emisión Láser es muy utilizada en las técnicas remotas: un pulso de luz Láser, muy potente, puede viajar muchos kilómetros. Pues bien, ese rayo de luz, al “devolverlo” la atmósfera, trae consigo información de lo que ha encontrado por el
camino. Hoy día estos láseres se empiezan a montar en satélites que posibilitan la medición de la contaminación en diferentes áreas del Mundo, incluido el mar. O en aviones, desde donde se puede medir si en una determinada área de un país está contaminada su flora, por ejemplo. A través de la excitación con radiación ultravioleta, las plantas emiten una luz de longitud de onda distinta si están sanas o contaminadas (si están sanas y tienen clorofila emiten en el rojo; si están dañadas, que se denomina estrés de las plantas, emiten en el azul). Para la medición del ruido se utilizan materiales basados en los PZT, materiales cuyo fundamento está dentro de la Física. No hablemos ya de la radioactividad o de la fusión, es decir, la fabricación de plasma por confinamiento. Algo parecido a lo que se produce en el Sol, formación de plasma por millones de grados, y que nosotros tratamos de lograr por confinamiento magnético. Métodos físicos todos ellos. Fotónica "La electrónica funciona con corrientes de electrones. Con electricidad, para entendernos. Pero la fotónica, funciona con corrientes de fotones....Con luz, en otras palabras. Aquella, forma parte de nuestra civilización de una manera tan profunda que solo cuando nos falta percibimos su valor. Las corrientes de partículas luminosas, los fotones, empiezan a hacerse hueco entre nosotros y algunas de sus aplicaciones ya son imprescindibles: los lectores de código de barras, las aplicaciones del láser en la medicina, la televisión digital.... " En Fotónica aprovechamos la interacción entre la luz y la materia. Estudiamos e innovamos en aplicaciones relacionadas con el láser, las comunicaciones ópticas, las imágenes, la producción de energía, los dispositivos biomédicos La electrónica funciona con corrientes de electrones, y estamos muy acostumbrados a usar aparatos electrónicos como la radio, la televisión, el teléfono, el ordenador, etc. Por el contrario, la fotónica funciona con corrientes de partículas luminosas, los fotones. No estamos aún muy acostumbrados a usar en la vida diaria aparatos fotónicos, aunque cada vez las aplicaciones fotónicas están más presentes a nuestro alrededor. Así tenemos algunos aparatos clásicos como
las cámaras fotográficas, telescopios y microscopios, y otros más recientes como los lectores de códigos de barras, los punteros láser, los láseres de las discotecas, etc. Casi todos estos aparatos combinan una parte electrónica y otra fotónica, como los televisores LCD y las pantallas de los ordenadores, los proyectores de video, las cámaras fotográficas digitales, y muchos otros. La luz láser posee unas propiedades muy especiales, que la hacen enormemente útil, y además cada vez se inventan nuevos láseres de colores distintos, de mayor potencia y con tamaños cada vez más reducidos. La luz láser se dirige de forma muy precisa comparada con la luz de una bombilla, además es de color muy puro, y muy brillante. Estas son cualidades esenciales para multitud de aplicaciones (cirugía, industria, investigación). Cada día se encuentran nuevas aplicaciones para este tipo de luz. Cada día se requiere más movimiento de información. Internet, la televisión digital por cable … Se hace necesario un sistema de alta capacidad de transmisión. Los conductores eléctricos quedan saturados. Por las fibras ópticas podemos enviar la información en forma de luz láser a la velocidad de la luz. Además, la más moderna tecnología permite enviar muchas comunicaciones a la vez por la misma fibra, una enorme ventaja respecto a los cables eléctricos, simplemente usando luces de varios colores distintos. Cada color lleva una comunicación, y no se mezclan en la fibra. En una fotografía normal la imagen está impresa en el papel. Es la imagen de intensidad de luz de un objeto 3D que tomó la cámara con su objetivo sobre el sensor plano (2D). Por el contrario, con el holograma conseguimos fabricar una copia de las ondas luminosas que venían desde el objeto. Es como si tuviésemos delante el mismo objeto (sólo ópticamente, ya que el objeto ahora no está). En su lugar está el holograma, que nos envía información de la intensidad de luz y del relieve del objeto, así que lo veremos en 3D. Para producir imágenes 3D en movimiento debemos realizar numerosos “fotogramas holográficos”. Cada fotograma holográfico constará de al menos 100
Megabytes, y por cada segundo de imágenes debemos formar 25 fotogramas. Esta es una cantidad de datos altísima, incluso para las comunicaciones ópticas actuales. Parece que aún estamos algo lejos de esta aplicación fotónica, aunque la tecnología se desarrolla muy rápidamente en este campo. Aún se tardará unos años en que sea realidad la TV holográfica. Uno de los retos importantes de la fotónica es la computación óptica. Los ordenadores personales actuales no pasan mucho más allá de los 3.000.000.000
de sencillas operaciones por segundo, y aún así a veces nos parecen lentos, pero estamos cerca del límite de velocidad con corrientes de electrones. Una ventaja importante de la luz es que se transmite sin necesidad de cables, y que al contrario de las corrientes eléctricas se pueden cruzar en el espacio sin alterar su trayectoria. Con luz se podrá realizar un procesado de información en paralelo. Usando la luz podríamos aún aumentar mucho la velocidad de cálculo, tal vez hacerlos un millón de veces más rápidos. La luz interacciona con la materia, y por tanto es un instrumento eficaz para el estudio de los materiales, también se genera en la materia, de ahí su relación con la física atómica y molecular y con la física de sólidos. La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica. Algunas de estas propiedades aún no han sido aplicadas, aunque parece que pueden tener mucho interés en campos como el de la computación óptica. La luz también está relacionada con la relatividad y con la astrofísica. La información que recibimos de los objetos espaciales es principalmente en forma de radiación luminosa. Los efectos relativistas observados en la luz que nos llega de las estrellas permiten obtener datos sobre el origen del universo. Como se puede apreciar, existe una gran relación con otros campos de la física, y en muchas ocasiones no está clara la frontera entre estos campos. Mundo Cuántico "La Mecánica Cuántica nos dice que sólo podemos conocer a priori la probabilidad de que ocurra un suceso y no podemos saber con absoluta certeza lo que ocurrirá en una medida particular. En otras palabras, la MC rompe con el determinismo, que es un ingrediente fundamental de toda la física clásica. Por ejemplo, las leyes de Newton son un ejemplo de teoría determinista que nos permite predecir con exactitud dónde estará la luna mañana, sabiendo su posición actual. " La mecánica cuántica es la teoría más completa que posee el ser humano para describir la estructura de la materia, desde el mundo subatómico al mundo macroscópico de los sólidos y los líquidos. ¿Dónde empieza el mundo cuántico o dónde termina el mundo de la Física clásica, el mundo de lo macro?, la frontera es un poco difusa. Normalmente lo que se dice es que la Mecánica Cuántica describe el mundo microscópico, el mundo de los constituyentes últimos de la Materia. Sin embargo, algunos efectos cuánticos sobreviven a escala macroscópica. De hecho, sin la Mecánica Cuántica
no podríamos explicar el color de esta mesa, por qué no conduce la electricidad o por qué el cristal de una ventana es transparente. En otras palabras, la Mecánica Cuántica es necesaria para explicar todas las propiedades de la materia, incluso a escala macroscópica. De todos modos, los efectos cuánticos más genuinos, es decir, más alejados del mundo clásico, tienen lugar en la escala de átomos y moléculas individuales y por debajo: núcleos atómicos y partículas elementales. Así que, de forma no muy precisa, uno podría decir que la frontera está en el mundo de los átomos y las moléculas. Cuando uno empieza a combinar estos objetos, por ejemplo para formar un sólido, gran parte de los fenómenos cuánticos desaparecen para dejar paso al mundo clásico. Cuando comparamos los mundos puramente clásico y cuántico existen grandes diferencias. Casi todas ellas tienen que ver con el hecho que se descubrió a comienzos del siglo XX de que las partículas materiales también pueden comportarse como una onda, algo que nos resulta muy extraño ya que estamos acostumbrados a pensar en las partículas como si fueran bolas de billar. En las dos primeras décadas de dicho siglo, el análisis y comprensión de fenómenos como la radiación térmica o el efecto fotoeléctrico ayudaron a establecer el carácter corpuscular (o de partícula), aparte del ondulatorio, de la radiación electromagnética y, en particular, de la luz. En otras palabras, en esa época se estableció que la luz está formada por partículas que hoy conocemos con el nombre de fotones. Todo esto condujo de manera natural, y por cuestiones de simetría, a postular que la materia también debería exhibir esa dualidad ondapartícula, lo que fue confirmado experimentalmente a finales de los años 1920. El otro gran problema que guía el desarrollo de la Mecánica Cuántica es el de la estructura del átomo y, en general, el de la estructura de la Materia, que fue uno de los grandes retos de la física del siglo XX. En pocas palabras, esto tiene que ver con el comportamiento de los electrones en el interior de un sólido. En el caso de un metal, los electrones se pueden mover casi libremente por todo el sólido, lo que hace que puedan absorber fácilmente radiación de diversas longitudes de onda, incluida la luz visible (lo que hace que un metal sea opaco). En cambio, en el vidrio los electrones están fuertemente localizados alrededor de los átomos, lo que hace que no puedan absorber radiación como la luz visible, lo que en la práctica les convierte en transparentes. Volviendo a los fenómenos cuánticos a escala macroscópica, existen algunos que sobreviven a esta escala y que no tienen un análogo clásico. Un buen ejemplo es un material superconductor, como el aluminio o el plomo a muy bajas
temperaturas. Estos materiales son capaces de transportar la corriente eléctrica sin disipar ninguna energía (sin resistencia). Lo que ocurre en estos materiales es que los electrones forman lo que se llama un condensado de Bose-Einstein, en el que todos ellos se mueven de forma coherente en un mismo estado cuántico, es decir, el conjunto de electrones viene descrito por una única onda de materia de tamaño macroscópico. Este conjunto de electrones forman entonces un “superfluido” que es capaz de moverse por el material sin resistencia alguna. Hoy en día, tratamos de fabricar otros sistemas macroscópicos que exhiban un comportamiento puramente cuántico para desarrollar nuevas aplicaciones tecnológicas. Eso es por ejemplo lo que se está haciendo en campos de investigación como la computación cuántica o la información cuántica, donde el objetivo es fabricar sistemas cuánticos con aplicaciones en computación, encriptación, telecomunicaciones, etc. Uno se acostumbra a las ideas de la MC. En realidad así es como crecemos. Uno se acostumbra y termina por asimilar las ideas… El papel especial que juega el observador en la MC tiene que ver con el carácter ondulatorio de la materia. Este carácter permite que los objetos materiales estén en una combinación o superposición de estados, lo que no es posible en el mundo clásico. En el mundo clásico las cosas están en un estado bien definido, blanco o negro, vivo o muerto … En cambio, la MC nos dice que un objeto puede estar simultáneam ente en varios estados y sólo cuando medimos u observamos dicho objeto, se selecciona uno de esos estados. Quizá se pueda explicar esto en más detalle con el famoso experimento mental del gato de Schrödinger. Brevemente, supongamos que tenemos en el interior de una caja cerrada un gato y una pistola cargada apuntándolo. Supongamos que la pistola puede ser disparada mediante un dispositivo que se activa por el paso de una partícula alfa, resultado de la desintegración de un átomo radiactivo, que es un fenómeno estocástico descrito por la MC. Supongamos, además, que el átomo tiene una probabilidad del 50% de desintegrarse en una hora. Evidentemente, al cabo de una hora habrá tenido lugar uno de los dos sucesos posibles: el átomo se habrá desintegrado y como consecuencia el gato habrá muerto, o el átomo no se habrá desintegrado y el gato seguirá vivo. La MC nos dice que en esta situación el gato puede estar en una combinación de “gato vivo” y “gato muerto”, es decir, puede estar a la vez vivo y muerto, y la única forma de averiguar lo que ha sucedido es realizar una medida: abrir la caja y mirar dentro. En ese instante el observador interactúa con el sistema, rompe la
superposición de estados y se selecciona uno de ellos (gato vivo o gato muerto) con una probabilidad del 50%. Esto suena muy extraño y nuestro sentido común nos dice que el gato no puede estar vivo y muerto a la vez. Sin embargo, la MC nos dice que antes de la observación ambos estados son posibles simultáneamente. Este ejemplo además ilustra otro hecho fundamental. La MC nos dice que sólo podemos conocer a priori la probabilidad de que ocurra un suceso y no podemos saber con absoluta certeza lo que ocurrirá en una medida particular. En otras palabras, la MC rompe con el determinismo, que es un ingrediente fundamental de toda la física clásica. Por ejemplo, las leyes de Newton son un ejemplo de teoría determinista que nos permite, por ejemplo, predecir con exactitud dónde estará la luna mañana, sabiendo su posición actual. La MC aspira a dar una descripción unificada de todos los fenómenos físicos, incluidos los del mundo macroscópico. Afortunadamente, desde el desarrollo de la MC hasta nuestros días hemos aprendido mucho de la conexión entre esos dos mundos. Esa conexión tiene mucho que ver con lo que se conoce con el nombre de decoherencia. La decoherencia es precisamente esta pérdida de la regularidad o de la coherencia de la onda por interacción con otros agentes. Lo mismo ocurre con las partículas cuando interactúan con otras, como los electrones en el interior de un sólido. Aisladamente tienen la capacidad de dar lugar a fenómenos de interferencia puramente cuánticos, debido a su carácter ondulatorio. Sin embargo, cuando empiezan a interactuar con otras partículas, esas propiedades cuánticas se empiezan a “deteriorar” y las partículas comienzan a comportarse de una forma más clásica. Esto hace que los agregados de partículas que forman los objetos macroscópicos se comporten al final de una forma que puede ser descrita por leyes clásicas, aunque como se ha dicho antes, algunas propiedades cuánticas pueden sobrevivir a escala macroscópica. Nanotecnología Nanotecnología: la revolución de los materiales del siglo XXI. Una nueva disciplina que va a renovar los métodos industriales, la medicina, las comunicaciones e incluso abre la puerta a la integración del ser humano con las máquinas. "Para conocer qué es la Nanotecnología, empecemos por aclarar el significado del prefijo "nano": este hace referencia a la milmillonésima parte de un metro. Un átomo es la quinta parte de esa medida, es decir, cinco átomos puestos en línea suman un nanometro. Bien, pues todos los materiales, dispositivos, instrumental,
etc., que entren en esa escala, desde 5 a 50 ó 100 átomos es lo que se conoce con el nombre de Nanotecnología." En una conferencia impartida en1959 por uno de los grandes físicos del siglo pasado, el maravilloso teórico y divulgador Richard Feynman, ya predijo que había un montón de espacio al fondo (el título original de la conferencia fue “There‟s plenty of room at the bottom”) y auguraba una gran cantidad de nuevos descubrimientos si se pudiera fabricar materiales de dimensiones atómicas o moleculares. Hubo que esperar varios años para que el avance en las técnicas experimentales, culminado en los años 80 con la aparición de laMicroscopía Túnel de Barrido (STM) o de Fuerza Atómica (AFM), hiciera posible primero observar los materiales a escala atómica y, después, manipular átomos individuales.. Ahora, con respecto a qué es la Nanotecnología, empecemos por aclarar el significado del prefijo “nano”: este hace referencia a la milmillonésima parte de un metro. Para hacernos idea de a qué escala nos referimos, piensa que un átomo es la quinta parte de esa medida, es decir, cinco átomos puestos en línea suman un nanometro. Bien, pues todos los materiales, dispositivos, instrumental, etc., que entren en esa escala, desde 5 a 50 ó 100 átomos es lo que llamamos Nanotecnología. A esa escala las propiedades de los materiales cambian. Desde el color, que viene determinado por unas longitudes de onda demasiado grandes para estos tamaños, hasta propiedades como la conductividad, magnetismo, etc. que, a esa escala, pueden comportarse de modo muy diferente al que estamos acostumbrados a observar en el mundo macroscópico. Esto, en cierto modo, podría parecer un problema: imagina que partes de un material, con unas propiedades conocidas que, sin embargo, cambian completamente a escala nanométrica. Por un lado, parece un problema, es como tener que empezar de nuevo, pero por otro lado resulta apasionante: nos abre un mundo nuevo de posibilidades que ahora mismo sólo podemos entrever. Un material cualquiera, a escala óptica, tiene, pongamos cuatrillones de átomos que, juntos, interaccionan y dan como resultado unas determinadas cualidades del material. Cuando esa cifra la reducimos a unos pocos cientos, el salto afecta a la esencia misma del material. En definitiva, las propiedades dependen del tamaño. Algo fundamental es que esta tecnología abre la posibilidad de creación de materiales a medida, a través de la manipulación de sus átomos.
Por ejemplo, ya se están comercializando pantallas planas basadas en nanotubos de carbono, o cosméticos que contienen nanopartículas para bloquear los rayos ultravioleta o administrar productos suavizantes a la piel. También hay una investigación muy activa para utilizar nanopartículas magnéticas en el tratamiento selectivo del cáncer. El campo de la informática también está intentando desarrollar materiales basados en nanopartículas magnéticas para el almacenamiento de datos a altísima densidad... En fin, la lista sería interminable. Pero el ejemplo más significativo está increíblemente extendido ya hoy en día: las cabezas lectoras de los discos duros actuales, que tienen un elemento censor de un espesor nanométrico (de unas pocas capas atómicas). Esta tecnología ha permitido incrementar enormemente la densidad de almacenamiento de datos. En nuestro departamento, por ejemplo, trabajamos precisamente en esta línea, entre otras: aumentar la capacidad de los discos duros, ordenadores y otros dispositivos en un factor entre 100 y 1000 veces. Depende de cada caso. Obviamente, todas las aplicaciones de tipo médico tienen que pasar por periodos de prueba y ensayos clínicos muy exigentes, para asegurarse de que los nuevos materiales no tengan efectos secundarios perjudiciales. En otros casos, la principal limitación es de tipo económico; hace falta desarrollar la tecnología hasta el punto en que asegure la rentabilidad para las industrias que las vayan a aplicar. Pero esto es una cuestión de tiempo y de escala. Tan pronto como el mercado sea suficientemente amplio y se establezca la demanda, las aplicaciones irán apareciendo sin duda. Se ha dicho, que esta puede ser la Tercera Revolución Industrial. Astrofísica, Astropartículas y Cosmología El origen del Universo, la materia oscura, la energía oscura, la formación de las galaxias, de todo ello se ocupan ciencias tan importantes como la Astrofísica y la Cosmología y la Física de Astro partículas. "La Astrofísica y la Física del Espacio han sido algunos de los campos más activos en los últimos años gracias, en gran parte, a la gran carga de datos observacionales que ha aportado el telescopio espacial HUBBLE. Cada vez nos encontramos más cerca de responder preguntas que todos nos hemos planteado alguna vez: ¿Tuvo el universo un origen? ¿Es finito? ¿Cómo evolucionará en el futuro?..." La importancia del HUBBLE comienza porque es el único telescopio capaz de observar en el rango óptico que hay en el espacio. Existen, no obstante, otros telescopios, de menor tamaño, que detectan la luz en otras frecuencias, como son
los telescopios de rayos X, infrarrojos, radiotelescopios (telescopios que detectan ondas de radio)), etc. El HUBBLE ha representado un desarrollo enorme para la Astrofísica porque ha permitido la observación del “espacio profundo”, de objetos cuya señal es muy
débil y que, por lo tanto, están muy alejados en el tiempo, lo que ha hecho posible conocer mucho de la Hª del Universo. La ventaja de situar un telescopio en el espacio es que allí no existen las turbulencias de la atmósfera por lo que de partida se logra una mayor resolución que el mismo telescopio instalado en tierra. Por otra parte, el HUBBLE no es muy grande, mide 2m., cuando en tierra ya existen telescopios de 10 m de diámetro, como el que tenemos instalado en la isla de la Palma, y hoy se planea construir futuros telescopios de 30 m y más. Ya sabéis que la historia del HUBBLE ha sido bastante accidentada: no se hicieron las pruebas suficientes y nació “miope”. Hubo que ponerle unas “gafas”. Luego, en sucesivas intervenciones se ha ido mejorando: cambiando giróscopos (básicos para la orientación), instalando detectores mucho más sensibles, etc.,. Sin embargo, desde la explosión del Columbia, las futuras misiones de mantenimiento se han suprimido por lo que su jubilación forzosa está muy próxima y la NASA se dedicará a otras cosas. Proyectos no parece que le falten. Por ejemplo, se está trabajando ya en el sustituto del Hubble, el nuevo telescopio espacial llamado James Webb Space Telescope (JWST)que tendrá un espejo de más de 6,5 metros de diámetro (el tamaño de una cancha de tenis) y que se espera que sea lanzado en 2014. Comparado con el HUBBLE, el JWST será más de 10 veces más potente y podrá resolver objetos mucho más débiles, y por tanto, mucho más lejanos. Una vez en órbita supondrá una nueva revolución en la Astrofísica, igual que ocurrió con el HUBBLE. Bien, el desarrollo de los telescopios en tierra también ha sido muy importante en los últimos años. En la actualidad de lo que se trata es de combinar varios al mismo tiempo (algo parecido a cuando utilizamos ordenadores “en paralelo”) unidos, en este caso, por fibra óptica. El objetivo es aumentar la capacidad colectora (el nº de fotones por unidad de superficie, que depende del tamaño del espejo). En teoría, cuanto más grande es el espejo del telescopio, mejor. No obstante, es casi imposible lograr un espejo de una sola pieza de más de 8 m debido a las deformaciones que provoca en la lente la fuerza de la gravedad (al orientar el
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