La falta de educación científica de Miguel Delibes y sus colegas

Lo siento, hoy estoy enfadado. Uno de los etólogos españoles que más admiro, Miguel Delibes de Castro, [parece que] ha metido la pata hasta el fondo. Si lo que leo en las páginas de Ciencia del periódico El Mundo es cierto, siempre pongo por delante la presunción de inocencia, máxime cuando no comparto los sesgos de este medio, repito, si es cierto, estamos ante un nuevo ejemplo de la ciencia de mierda que algunos hacen en España. Y lo digo con todas las letras “de mierda” porque lo más obvio, lo más básico, lo más sencillo, lo que todo el mundo sabe, no puede ser ignorado por un investigador de la Estación Biológica de Doñana, del mismísimo CSIC, por uno de los etólogos españoles que más admiro.

No me puedo creer lo que leo. Prefiero imaginar que ha dejado este asunto en manos del último becario que acaba de entrar en su grupo, un muchachito barbilampiño con un gran expediente académico al que nadie ha querido enseñar lo más mínimo que hay que enseñar a los jóvenes sobre ética científica; porque en la España de la “Educación para la Ciudadania” lo que más falta hace es “Educación Científica”; quiero creer que han descuidado la educación en metodología científica de esta joven promesa (algo que en España parece que nos preocupa a muy pocos); quiero creerlo… pues no doy crédito a lo que Rosa M. Tristán me cuenta en “La Fundación Oso Pardo acusa a Delibes de Castro de plagio,” Ciencia, El Mundo, 28 de enero de 2012.

Muchos me diréis, quizás con razón, por qué te alarmas, es solo otra muestra más del sensacionalismo periodístico de nuestro país. Pero lo siento, me duele y me duele mucho. Hoy estoy en plan Fernando Fernán Gómez, pero lo que es una mierda es una mierda y punto. Ya me lo decía un amigo, pero no quise creerle, él único científico de la Estación Biológica de Doñana es Jordi Bascompte. El único. No quise creerle. No quiero creerle.

Quizás tengo que relatar los hechos como aparecen en el artículo de El Mundo. No sé si lo que voy a escribir es verdad o solo el prisma de El Mundo. Aún así, me ha dolido lo que he leído y necesito gritarlo en este blog [debo relajarme hasta que se me pase el enfado; volveré a escribir dentro de un par de horas cuando esté más tranquilo; ahora estoy más calmado].

Miguel y sus colegas enviaron un artículo a la revista de Elsevier Animal Behaviour titulado “Evidence of sexually selected infanticide in an endangered brown bear population” [enlace y DOI] que incluía una cita a un libro escrito en español [según la retracción es Palomero et al. (2007) "Osas, El comportamiento de las osas y sus crías en la Cordillera Cantábrica," Fundación Oso Pardo. Fundación Oso Pardo (FOP) and Fundación Biodiversidad]. Dicen Delibes y sus coautores que “los editores [les] recomendaron quitar la cita a [este libro de] la Fundación.” Como es obvio a cualquier investigador que haya estudiado un curso de metodología de la investigación, si los editores lo hicieron, lo hicieron bien, porque un documento escrito en español no debe ser citado [sin aclarar en detalle qué contiene y por qué es citado, ya que la mayoría de los lectores de un artículo en inglés no podrán leerlo aunque quisieran]; sé que a muchos no les gustará pero así es, un documento ilegible (que no puede ser entendido por los lectores de la revista) no debe ser citado [sin más detalles, como se puede citar un artículo escrito en inglés].

Pero ¿por qué no debe ser citado [según el editor]? Porque [si el artículo se cita sin dar más detalles] los editores asumen, si el artículo no dice de forma explícita lo contrario, que los autores de dicho documento son los mismos que los del artículo [o al menos parte de ellos] y que los resultados novedosos que se publican en el nuevo artículo fueron publicados con anterioridad en el libro en español (por los mismos autores) y que ahora se les quiere dar difusión internacional; los editores asumen que no ha habido plagio. El editor ha hecho lo que tenía que hacer, asumir de buena fe que no había plagio. Además, en las conclusiones se mencionan los nombres de las 8 personas que realizaron los avistamientos (“Jorge Martí, Jesús Sánchez, Fernando Somoano, Antonio González, Miguel F. Otero (del Principado de Asturias), Luis Fernández (Fundación Oso Pardo/Junta de Castilla y León), Juanjo Rodríguez, and Manuel Pérez”) y solo uno de ellos es de la Fundación Oso Pardo [que ha publicado el libro]. Qué puede pensar un editor o un revisor al leer esto.

No es lo mismo publicar un artículo con un nuevo avistamiento que se añade a una lista de siete ya publicada (aunque en español), que escribir un artículo dando a entender que se cita la fuente española de un avistamiento y que se reportan siete nuevos avistamientos. Hay plagio si esto no queda claro en el artículo. Me apena, pero no queda claro en el artículo. Lo he leído y no queda claro en el artículo. Si quieres comprobarlo por tí mismo, puedes leerlo aquí (páginas 3 a 9). Hay plagio fuera de toda duda.

Estoy seguro, aunque no soy experto en etología y no he leído el libro de la Fundación, que el análisis científico (etológico) del artículo de Delibes y sus colegas es mucho más técnico y riguroso que el presentado en el libro, pero esto no les exime de responsabilidad. Si su artículo presenta el análisis técnico de siete avistamientos ya publicados, junto con un nuevo avistamiento que confirma dicho análisis, debe dejar muy claro lo que presenta. Nadie debe tener ninguna duda. Plagiar es dar a entender que el nuevo artículo añade siete nuevos avistamientos que confirman posibles interpretaciones o análisis realizados gracias a un solo avistamiento y publicados en español. Plagiar es mentir. Plagiar es algo muy grave. El artículo tiene que ser retractado y los editores han hecho muy bien retractándolo. No hay otra opción, aunque me pese. Otro mito que se me cae. Miguel, por qué nos hace esto a los españoles. No lo merecemos.

¿Cuándo aprenderán los grandes científicos españoles la diferencia entre plagiar y no plagiar? ¿Cuándo aprenderán los grandes profesores españoles que hay que enseñar esta diferencia a los jóvenes?

Me apena la situación de la ciencia en España por muchas cosas, pero sobre todo por el desprecio a la ciencia que muestran los grandes científicos españoles. No hay mayor desprecio que no hacer aprecio.

Carnaval de Matemáticas 2.X: El “baile” de un fluido viscoso newtoniano que cae sobre una cinta transportadora

A este vídeo de youtube solo le falta una banda musical similar al Bolero de Ravel para que tengamos la sensación de que el fluido viscoso de color dorado está bailando al son de la música; me gusta que los autores hayan elegido una iluminación que logre un color tan dorado, pues yo recuerdo el color de este aceite de silicona como un amarillo mucho más pálido y menos sugerente. César (@EDocet) tuiteó este vídeo de youtube (enlace al vídeo original) como “#AA Fluido newtoniano y comportamiento no lineal en acción. ¡Matemáticos echad un ojo!” El enlace apuntaba a David Bradley, “Viscous fluid on a moving belt,” Sciencebase, Jan. 21, 2012, quien nos dice sin rubor que el líquido es sirope muy viscoso (“a stream of very viscous syrup”) y que es un ejemplo de un fluido no newtoniano (“a wonderfully visual example of a non-Newtonian fluid”). Como bien dice César, Bradley se equivoca, el fluido del vídeo es newtoniano (un aceite de silicona Dow Corning (R) 200). Al leer a Bradley tras ver el vídeo por primera vez me pregunté: ¿también se habrá equivocado César? Visité Twitter para corregirle, pero no, no se equivocaba, su tuit afirmaba con rotundidad que era un fluido newtoniano. ¡Bravo, César! Por ello decidí escribir una entrada sobre este vídeo y anuncié en Twitter que sería para el Carnaval de Matemáticas 2.X, cuyo anfitrión esta semana es el blog Resistencia Numantina del físico soriano Francisco J. Hernández (@fjhheras). He de confesar que nunca he estado en Soria, España, aunque quizás no importa, ya que él trabaja ahora en el grupo de neurobiología del Departamento de Zoología de la Universidad de Cambridge. Mi entrada no tendrá nada que ver con la biomatemática (también he hecho mis pinitos), ni con la neurociencia, la gran pasión de César, lo siento. Bueno, al grano.

El comportamiento del fluido newtoniano que se ve en el vídeo se puede entender como una transición entre dos situaciones extremas. Por un lado, cuando la cinta está parada, la silicona cae y se curva al contactar con la cinta, apareciendo una fuerza tangencial que hace rotar el chorro, que se pone a rotar formando una bobina de fluido de forma cilíndrica (como una cuerda que cae). Por otro lado, cuando la cinta tiene una velocidad alta, la silicona cae formando una catenaria y dejando una traza recta en la cinta transportadora. Conforme la velocidad de la cinta baja, se produce un cambio en el comportamiento del fluido (una bifurcación) que provoca que empiece a oscilar y formar los bucles que se observan en el vídeo. Al bajar más aún la velocidad estos bucles forman figuras con bucles más amplios hasta que, finalmente, cuando la cinta se para de forma definitiva se observa el bobinado del fluido. Permíteme una incursión algo más detallada en estos comportamientos.

Para entender un fenómeno físico conviene tener claro el dispositivo experimental utilizado, que se muestra en esta figura (extraída del reciente artículo de Robert L. Welch, Billy Szeto, Stephen W. Morris, “Frequency structure of the nonlinear instability of a dragged viscous thread,” Submitted to Physical Review E, 9 Jan. 2012, ArXiv, aunque el vídeo youtube es parte de un artículo anterior, también de Stephen W. Morris, Jonathan H. P. Dawes, Neil M. Ribe, John R. Lister, “The meandering instability of a viscous thread,” Physical Review E 77: 066218, 2008, ArXiv). Un chorro de aceite de silicona cae desde una altura variable sobre una cinta transportadora que se mueve a cierta velocidad ajustable. El chorro sale con un diámetro d = 8,00±0,02 mm y cae desde una altura H regulable entre 2,0 y 6,0 cm. La velocidad U de la cinta se controla mediante un motor de alta precisión, que permite bajar dicha velocidad desde 9 cm/s hasta cero. El aceite de silicona utilizado es un líquido newtoniano, su viscosidad es constante; te recuerdo que en los fluidos no newtonianos la viscosidad varía con la temperatura y no es constante. Por cierto, este aceite de silicona Dow Corning 200 es muy utilizado en este tipo de experimentos porque es muy estable ante variaciones pequeñas de la temperatura, es decir, su densidad y tensión superficial son prácticamente constantes en el rango de temperaturas considerado en el experimento (su densidad cambia menos del 0,08% por grado centígrado). La cámara de vídeo utilizada filma el reflejo de la cinta y el líquido en un espejo colocado a 45º de la dirección del movimiento de la cinta transportadora con objeto de poder reconstruir a partir de los fotogramas la posición (x, y) exacta del chorro líquido. Como indica la figura, el eje x mide los movimientos del fluido transversales a la cinta; el eje y es más curioso y mucho más difícil de reconstruir a partir de los fotogramas; el eje y mide lo que se adelanta o retrasa el punto de incidencia del chorro en la cinta (vuelve a ver el vídeo que abre esta entrada para comprobar que al principio este movimiento es muy ligero y que se vuelve mucho más importante cuando aparecen los primeros meandros, las oscilaciones del chorro en la cinta).

Cuando la cinta transportadora está en reposo (no se ve al final del vídeo), lo que se observaría en el vídeo es similar a un fenómeno muy familiar a todas las personas que han degustado miel. La miel también es un fluido viscoso newtoniano como el aceite de silicona (o como la leche condensada o la pintura de brocha gorda o muchos otros líquidos). Cuando un chorro de miel  cae se estrecha debido a la ley de la conservación de la masa (en física de fluidos se la llama ecuación de continuidad): el producto de la velocidad de una segmento del chorro por el área de su sección transversal se conserva (tiene un valor constante); por tanto, la aceleración de la gravedad estrecha el chorro al caer. Cuando la miel toma contacto con una tostada, o con la mesa, o la miel de su propio recipiente, se enrolla como si se tratara de una cuerda que se deja caer verticalmente al suelo, formando una especie de espiral cilíndrica. El siguiente vídeo de youtube lo ilustra muy bien; te recomiendo verlo (al menos el principio, pues de repite lo mismo en varias ocasiones).

La viscosidad del líquido hace que no se derrame (se extienda horizontalmente) al incidir sobre la superficie de la miel; también impide que se rompa en gotas. Por ello, el chorro de miel se enrolla como una cuerda formando bucles circulares (que en el vídeo, cuando alcanzan cierta altura, se desmoronan por su propio peso). Este fenómeno se llama “bobinado líquido,” aunque entre mis colegas es más conocido por su nombre en inglés efecto “rope-coiling.” ¿Qué tiene que ver este efecto con lo que observas en el primer vídeo de youtube? Los bucles y los “ochos” que forma el líquido en la cinta transportadora son debidos a este efecto, pero se alargan porque la cinta transportadora no está en reposo. Lo mismo ocurriría si sobre la cinta cayera una cuerda (elástica), como nos confirman Mehdi Habibi, Javad Najafi, Neil M. Ribe, “Pattern formation in a thread falling onto a moving belt: An “elastic sewing machine”,” Physical Review E 84: 016219, 2011, de donde extraigo las siguientes dos figuras.

La cuerda se desenrolla y cae sobre una cinta transportadora. Me gusta esta figura porque ilustra muy bien lo que es el movimiento en la coordenada y para el chorro del líquido viscoso. Cuando la cinta se mueve a alta velocidad, la cuerda forma una catenaria (a), pero conforme la velocidad se reduce se pone casi vertical con un codo circular (b) que se desplaza hacia atrás, como se ilustra en las figuras (c) y (d). En esta última configuración es en la que se observa que la cuerda (como el chorro líquido) realiza meandros y movimientos en forma de bucle.

Las configuraciones de la cuerda elástica que cae son más variadas (y complicadas) que las observadas en el chorro de líquido viscoso. El parámetro que controla el tipo de patrón observado es el cociente entre la velocidad lineal de desenrollado de la cuerda (V) y la velocidad de la cinta transportadora (U); en el chorro viscoso el primer parámetro (V) viene determinado por la altura desde la que cae el líquido (y la aceleración de la gravedad). En estas figuras V = 8 cm/s, excepto en (i) y (j) donde V = 30 cm/s. Para U>V, es decir, cuando la cinta es más rápida que la cuerda, se observa una catenaria estacionaria (en la figura (a) se muestra el caso límite U=V=8 cm/s). Para velocidades U más pequeños aparecen curvas biperiódicas, como en (e) y (f), patrones en forma de W, 8, &, y W8 en las figuras (g), (h), (i) y (j), resp., así como patrones de bobinado, en las figuras (k) a (n).

En el caso del fluido viscoso solo se observan algunos de los patrones observados en la cuerda elástica. Esta figura muestra el diagrama de estados en función de la velocidad de la cinta (U) y de la altura del chorro líquido (H), obtenido tras analizar miles de experimentos. Como ocurre en muchos sistemas no lineales, las transiciones entre los diferentes patrones conforme se baja la velocidad de la cinta se producen gracias a bifurcaciones (para un valor de H, los cambios de color en vertical). Un modelo matemático-físico de este sistema permite entender el origen de cada una de estas bifurcaciones (basta un análisis linealizado de las ecuaciones de las ecuaciones de Navier-Stokes para este fluido), aunque para el análisis por separado de cada una de ellas es suficiente un modelo fenomenológico de Landau, mucho más sencillo, pero con parámetros libres que han de ser ajustados por medio de los experimentos. No entraré en detalles matemáticos, que si bien no son complicados, se pueden encontrar en los artículos citados más arriba (y en otros artículos más teóricos de los mismos autores).

Solo como ilustración de los resultados del análisis matemático, te muestro los resultados experimentales y la curva teórica predicha mediante un análisis lineal para la primera bifurcación que se observa en el vídeo que abre esta entrada. En concreto, para la transición entre el estado estacionario en el que el fluido forma una catenaria y la formación de meandros; se trata de una bifurcación de tipo Hopf (la aparición de un comportamiento oscilatorio a partir de un movimiento no oscilatorio). Para cada altura H fija (5,3 cm en la figura), hay una velocidad crítica para la cinta, Uc (igual a 4,01 cm/s para la figura), tal que con UUc el oscilatorio con una frecuencia ωc=2 Uc √µ (donde µ = 4,62 /cm² en la figura). La amplitud de las oscilaciones transversales dependen de la velocidad de la cinta y el modelo teórico predice que |A|=√((Uc-U)/(µ Uc)), que corresponde a la curva verde. El ajuste entre el resultado teórico y el experimento es muy bueno, aún así el modelo teórico predice un comportamiento de tipo histéresis que no se observa en los resultados experimentales (como se muestra en la figura de abajo).

Como es habitual en los sistemas dinámicos no lineales modelados por ecuaciones en derivadas parciales, se observa una sucesión de bifurcaciones que va dando lugar a la aparición de los diferentes patrones del fluido en la cinta (como la formación de figuras de tipo 8 y W). Todas estas bifurcaciones son consecuencia de la primera bifurcación de Hopf y conducen a una composición de movimientos oscilatorios en x e y cuyas frecuencias son múltiplos (armónicos) de la frecuencia de Hopf ωc. Supongo que conocerás las figuras de Lissajous, que se obtienen por la suma de dos movimientos oscilatorios. Los patrones que se observan tienen el mismo origen. Para analizar las frecuencias de estos movimientos oscilatorios se puede utilizar un análisis de Fourier, como muestra la siguiente figura.

En estas figuras se muestran cuatro patrones: meandros (a), figuras en W o bucles por un solo lado (b), figuras en 8 o bucles por los dos lados (c) y bobinados alargados (d). En azul tenéis el espectro de las oscilaciones en x y en verde discontinuo el de las de y. En un recuadro aparece el plano de fases para estos dos movimientos. Los meandros aparecen cuando la componente en x oscila a cierta frecuencia ω y la componente y casi no oscila a dicha frecuencia (aunque oscila un poco a la frecuencia doble, 2ω). Cuando se produce una bifurcación de Hopf, se excitan oscilaciones fuertes en la componente y con una frecuencia ω, que al estar acopladas con la componente x provocan la aparición de dos frecuencias ω y 2ω; este fenómeno es claramente no lineal (ya que en el caso lineal, figuras de Lissajous, no se excitaría ningún armónico). Conforme se reduce la velocidad de la cinta transportadora van apareciendo nuevas bifurcaciones en alguna de las dos componentes, pero no en la otra, lo que provoca un desfase entre ambas componentes. Finalmente, cuando la velocidad es muy lenta, ambas componentes se vuelven a poner en fase y domina la oscilación con frecuencia ω. No sé si me he explicado bien, pero las figuras son bastante claras.

Un análisis matemático riguroso de estas bifurcaciones requiere desarrollar un modelo matemático simplificado del chorro líquido; este modelo no lineal es difícil de estudiar, pero asumiendo que existen velocidades críticas en las que se producen cada una de las bifurcaciones se pueden linealizar dichas ecuaciones alrededor de estos puntos y obtener una buena estimación de sus parámetros. Resulta que se son bifurcaciones de Hopf y que el análisis lineal conduce un valor para la frecuencia de Hopf en muy buen acuerdo con los resultados experimentales. Por ello, este experimento es un arquetipo para estudiar cascadas de bifurcaciones en física de fluidos.

Para acabar, no quiero entrar en muchos detalles matemáticos, que nos llevarían demasiado lejos, me gustaría ilustrar una curiosa aplicación de estas bifurcaciones: el arte abstracto. Las inestabilidades de los chorros líquidos viscosos han sido utilizados por muchos pintores abstractos para obtener efectos muy curiosos en los trazos de pintura sobre el lienzo; destaca el pintor americano Jackson Pollock (abajo un ejemplo con un zoom); no entraré en más detalles, salvo recomendarte la consulta del artículo de Adrzej Herczynski et al., “Painting with drops, jets, and sheets,” Physics Today, June 2011, pp. 31-36 (copia gratis en pdf).

Para qué se necesita un superordenador que alcance el exaflop

1ª Jornada de Supercomputación (2008) ETSI Aeronáuticos, Universidad Politécnica de Madrid

El ordenador más poderoso del mundo está en Japón, se llama “K Computer,” utiliza tecnología de Fujitsu y alcanza la friolera de 11,3 petaflops (más de once mil billones de operaciones en coma flotantes por segundo), pero los científicos no están contentos y ansían la llegada de la próxima generación de superordenadores que alcanzará el exaflop (un millón de billones de flops). ¿Será posible algún día fabricar máquinas tan poderosas? Para los ingenieros los retos son enormes, pero países como EE.UU., China, Japón, Rusia, India y, por supuesto, la Unión Europea están dispuestos a alcanzar el exaflop. Por ejemplo, el Congreso de EE.UU. ha aprobado un presupuesto de más de mil millones de dólares para que el DOE financie su programa de supercomputación avanzada (de los cuales 126 millones de dólares se dedicarán a alcanzar el exaflop). ¿Para qué quiere un científico un exaflop? Para estudiar modelos de la turbulencia más precisos, para simular el clima global incluyendo efectos como la cobertura nubosa, para el diseño de nuevos motores de alta eficiencia adaptados a quemar biocombustibles, para estudiar en detalle las explosiones de supernovas, e incluso para simular armas nucleares (entre otras muchas aplicaciones). Nos lo cuenta Robert F. Service, “What It’ll Take to Go Exascale,” Science 335: 394-396, 27 January 2012. El vídeo que abre esta entrada es la charla inaugural del genial Javier Jiménez sobre supercomputación en mecánica de fluidos y turbulencia. Una gran charla que te recomiendo (si te interesa la supercomputación); presenta las primeras simulaciones que se hicieron en MareNostrum (el superordenador más grande de la Red Española de Supercomputación que se encuentra en el Barcelona Supercomputer Center o BSC). El vídeo de abajo es de Mateo Valero, director del BSC, sobre la supercomputación en España, su pasado, presente y futuro (os recomiendo en especial los comentarios de Mateo en la última media hora de la charla). Ambos vídeos son de la 1ª Jornada de Supercomputación (2008) ETSI Aeronáuticos, Universidad Politécnica de Madrid.

Los superordenadores fueron mejorando a base de incrementar la velocidad de su reloj (los famosos GHz) hasta que la tecnología llegó a un límite y hubo que buscar una alternativa, los procesadores multinúcleo o multicore (por ejemplo, el “K Computer” tiene 705.000 núcleos). El mayor problema de la tecnología es el consumo de energía. Los superordenadores más grandes consumen unos 10 MW (megawatios), lo mismo que unas 10.000 viviendas. Extrapolando este consumo, un superordenador de 1 exaflop necesitaría unos 200 MW, es decir, una central nuclear propia dedicada a abastecerle energía. La electricidad necesaria para que un ordenador de 1 exaflop funcionara durante un año costaría unos 200 millones de dólares. ¿Cómo se puede bajar el consumo de energía? Una posibilidad es usar GPU (unidades de procesamiento gráfico) en combinación con las tecnologías multinúcleo. Intel, AMD y otros fabricantes de chips ya han anunciado sus planes para desarrollar estos procesadores híbridos.

Aplicaciones de la supercomputación en el IFCA (Instituto de Física de Cantabria)

Hay muchos otros escollos para el avance de la supercomputación hacia el exaflop, como la memoria, las comunicaciones, la tasa de errores y el desarrollo del software. La memoria RAM actualmente es muy cara y se estima que no va a bajar de precio lo suficiente; MareNostrum solo tiene 20 terabytes de RAM; un ordenador capaz de alcanzar 1 exaflop necesita al menos 1 exabyte de RAM (al precio actual es imposible pagarlo). Las redes de datos que comunican unos procesadores con otros también tienen que tener un ancho de banda suficientemente alto (el 70% de ejecución de un algoritmo se consume en transferir datos de un procesador a otro). Todo falla y la tasa de error por procesador (del orden de un error al año) multiplicada por un enorme número de procesadores (pongamos un millón) conduce a un número de errores al día que impide trabajar en la escala del exaflop (la única solución es rediseñar los algoritmos para que sean robustos ante estos errores, algo innecesario en la actualidad). Y por supuesto, el gran problema será escribir un software eficiente con un speedup razonable en un millón de procesadores (algunos expertos opinan que las metodologías de programación no están cambiando lo suficientemente rápido para adaptarse al número creciente de procesadores). ¿Son rentables los supercomputadores? Según Robert F. Service, el  57% del tiempo de cálculo de todas las máquinas en la lista TOP500 ejecutan códigos para empresas privadas. Muchas de estas empresas pagan a instituciones públicas el uso de estas máquinas.

Los siguientes vídeos os muestran múltiples aplicaciones de la supercomputación en España.

“El mal del cerebro” ya está en youtube (disfrútalo)

Gran documental en dos partes sobre la investigación en España en neuromedicina. Puedes verlo en mejor resolución en su propia página web http://especiales.lainformacion.com/ciencia/el-mal-del-cerebro.

Guión y dirección: Antonio Martínez Ron

Imágenes y edición: Miguel Fernández Flores, David Tesouro, Adriano Morán

Diseño y desarrollo: Quique Herrero, Alejandro Navarro

Música: ’Sonate neurobiotique’ (Jérôme Collard-Proulx), ‘I’m coming’ (Samantha de Siena)

El primer transistor completamente óptico basado en polaritones

Las comunicaciones ópticas son una realidad desde hace 30 años, pero la computación completamente óptica (que eliminaría del todo la optoelectrónica) es una utopía que no acaba de encontrar su presente. Llevo 20 años oyendo hablar de ella como si estuviera a punto de salir al mercado, pero aún falta algo. Quizás lo que falta es un transistor completamente óptico que sea compatible con la tecnología actual de semiconductores. Una vía prometedora se aprovechar la interacción entre polaritones y excitones, y los llamados polaritón-excitones. Me ha gustado leer en ArXiv la primera propuesta firme de un transistor completamente óptico basado en polaritón-excitones. El gran problema de los dispositivos que usan efectos ópticos no lineales es que requieren mucha potencia (o energía), pero la nueva propuesta parece resolver este asunto, aunque de forma parcial, ya que la energía de activación del nuevo transistor es de solo unos nanojulios. Además, el uso de excitones facilita la integración con tecnología semiconductora convencional en chips mixtos optoelectrónicos. ¿Qué futuro tiene esta nueva propuesta? Sobre el papel todo huele muy bien, pero con los años ya no me creo nada. Las conclusiones del artículo lo venden como la octava maravilla, pero yo, no sé, no acabo de creérmelo. Espero equivocarme. Dario Ballarini et al., “All-optical polariton transistor,” ArXiv, Subm. 19 Jan 2012.

¿Qué son los polaritones y los excitones? En física cuántica una cuasipartícula es algo que se comporta como una partícula pero no es una partícula. En un sólido, un electrón es una partícula, pero la ausencia de un electrón, un hueco, se comporta igual que un electrón pero con carga opuesta. La vibración elemental de la estructura cristalina de un sólido también se comporta como una cuasipartícula, un fonón. La excitación elemental del campo de espines de los electrones de un sólido se comporta como un magnón. Un par de Cooper en un superconductor es una cuasipartícula formada por el acoplamiento mutuo entre dos electrones de tal forma que su función de onda común se comporta como la de una partícula. De igual forma, un excitón es el resultado del acoplamiento electrostático entre un electrón y un hueco. Y un polaritón es el resultado del acoplamiento entre un campo electromagnético y un dipolo eléctrico o magnético; un polaritón-excitón es el polaritón en el que un excitón actúa como dipolo eléctrico; un polaritón-magnón es el polaritón en el que un magnón actúa como dipolo magnético. La física cuántica permite que un objeto cuántico se comporte como lo haría una partícula de tal forma que a ciertas escalas es imposible saber que no es una partícula, aunque a escalas más pequeñas se observe que en realidad no lo es.

La ventaja de los polaritón-excitones es que permiten acoplar de forma natural campos electromagnéticos (luz) con campos eléctricos (corrientes eléctricas). La gran desventaja es que se requiere mucha energía, comparada con la energía “natural” de un fotón de un sólido, para que se forma un polaritón. La polaritónica es para los polaritones lo que la electrónica es para los electrones (y huecos). Los dispositivos polaritónicos actúan en un régimen intermedio entre los fotónicos y los electrónicos, por lo que permite acoplar los unos con los otros. El problema es que este acoplamiento requiere que la parte electrónica trabaje a alta frecuencia (microondas o submicroondas) y que la parte óptica (fotónica) trabaje a alta potencia, por lo que sus aplicaciones se limitan a sistemas de radares y a sistemas de microondas vía satélite. Aún así, el primer transistor polaritónico supone un gran avance y tiene un futuro ciertamente prometedor (otra cosa es que no todas las promesas acaban cumpliéndose).

El grafeno es casi invisible para el agua en humectación

La manera en la que una gota de agua moja una superficie plana está dominada por las fuerzas de van der Waals entre las moléculas de la superficie y las de agua. Para sorpresa de muchos, el grafeno es invisible (o transparente) para el agua cuando ésta moja una superficie de cobre, oro o silicio, aunque no cuando es de cristal. Cuando digo invisible quiero decir que al recubrir la superficie con una capa de grafeno (una capa de carbono de un solo átomo de grosor) no cambia el ángulo de contacto; conforme el número de capas de grafeno crece, dicho ángulo tiende al del agua sobre grafito (se necesitan al menos 6 capas de grafeno, aunque con 3 ya se ve el cambio). Los investigadores lo han descubierto gracias a medidas experimentales y han descubierto el porqué gracias a simulaciones de dinámica molecular (como las mostradas en la figura que abre esta entrada). La razón es que el grafeno es más delgado que la escala típica de interacción de las fuerzas de van der Waals. Además, el grafeno incrementa entre un 30% y40% la transferencia de calor por condensación con el cobre, gracias a que su presencia suprime la oxidación de éste. Esta propiedad tendrá importantes aplicaciones industriales para el desarrollo de superficies conductoras de la electricidad que sean impermeables. El artículo técnico es Javad Rafiee et al., ”Wetting transparency of graphene,” Nature Materials, Published online 22 January 2012. Me he enterado gracias a un tuit #AA de César (@EDocet).

El grafeno es una capa de un solo átomo de grosor de átomos carbono dispuestos en una retícula hexagonal tipo panel de abeja. Sus propiedades son extraordinarias en estabilidad química, resistencia mecánica, flexibilidad, alta conductividad eléctrica y térmica, entre otras. Además es casi transparente a la luz, ya que la absorción óptica de una sola capa de grafeno es de solo ~2,3% en el espectro visible; combinado con su alta conductividad eléctrica permite desarrollar electrodos conductores transparentes. La interacción del grafeno con el agua ha sido poco estudiada, hasta ahora. En superficies como cobre, oro o silicio  las fuerzas de van der Waals controlan la humectación y una capa de grafeno resulta transparente a estas fuerzas; los autores del estudio llaman a este efecto: humectación transparente del grafeno. Los autores afirman que el grafeno es el primer material conocido con esta propiedad de transparencia humectante. Lo más importante es que el grafeno es un buen conductor de la electricidad, al contrario que la mayoría de las superficies hidrófugas y superhidrófugas, que tienen una energía superficial baja y generalmente son aislantes eléctricos. El revestimiento de una superficie con grafeno podría dar lugar a una nueva clase de superficies hidrófugas de alta conductividad eléctrica.

NIF: La puerta a la ciencia de los extremos

El National Ignition Facility, NIF, del Laboratorio Nacional de Lawrence Livermore de los EEUU, alberga el láser más grande del mundo consistente en 192 haces que depositan cerca de 2 millones de julios de luz ultravioleta en un punto en tan solo unos nanosegundos. Con 50 veces más energía que cualquier sistema láser anterior, NIF permite investigar la materia en condiciones extremas en el laboratorio:

• densidades del orden de ~ 10³ g/cm³ (unas cien veces más denso que el plomo),
• presiones mayores de 10¹¹ atm (la presión interna de la Tierra es del orden de 10⁶ atm),
• volúmenes de masa sin precedentes a temperaturas de más de 10⁸ K (la temperatura en el interior del Sol es de 1,36×10⁷ K), y
• volúmenes de masa sin precedences a temperaturas de radiación superiores a los 10⁶ K.

Únicamente en tres lugares del Universo se producen/han producido esas condiciones: durante el Big Bang, en el interior de los planetas y estrellas y  en las explosiones de armas termonucleares.

Así, NIF supone un laboratorio formidable para disciplinas como la astrofísica, la física nuclear, la física planetaria y la materia en condiciones límite y la física de haces y plasmas. En el caso de la astrofísica,  NIF puede proporcionar grandes volúmenes de materia a muy altas presiones y temperatura, simulando así condiciones de estrellas y planetas (por ejemplo, 1 MJ de energía depositada por NIF podría calentar 70 cm³ de gas a presión atmosférica a 10000 K, o 7 mm³  de hielo a un millón de grados). En el caso de la física nuclear, NIF permitirá estudiar por primera vez  experimentalmente cómo las interacciones nucleares se ven afectadas por un entorno de plasmas. En el caso de materiales, NIF puede llevar a la materia a condiciones de presión, temperatura tan extremas que la propia química de sus componentes cambia haciendo que hasta los electrones más internos de los átomos participen en los enlaces. NIF permitirá adentrarse en algunas de las cuestiones claves sobre el origen y evolución de los planetas o la producción de energía por fusión en laboratorio. En el área de plasmas NIF puede crear volúmenes nunca antes generados lo que permitirá investigar diferentes fenómenos en plasmas y haces sólo accesibles en plasmas extensos. En los siguientes párrafos veremos con más detalle algunas de las preguntas y de los experimentos que NIF puede abordar.

Laboratorio de astrofísica

Los sistemas astrofísicos suelen estar rodeados de gran cantidad de radiación intensa (rayos X y Gamma), materia ionizada y fuertes campos magnéticos. Cualitativamente, NIF puede producir esas mismas condiciones, siendo por tanto un laboratorio único para diversas investigaciones en Astrofísica.

Izquierda: Ciclo de la vida de las estrellas. Hubble Space Telescope. Crédito: NASA, Wolfgang Brandner, JPL-IPAC, Eva K. Grebel, University of Heidelberg. Derecha: Esquema del modelo de formación y procesado de granos de carbón cósmico. Fuente: Adaptado de Pascoli y Polleux, Astron. Astrophys. 359, 799 (2000); Crédito: Cesar Contreras

Simulación de Astroquímica: Orígenes y Evolución del Polvo Interestelar y las Molécula Prebióticas. El polvo es un componente importante del medio interestelar de las galaxias. En forma de grano, ese polvo es el principal constituyente de los planetas y la principal fuente de absorción de radiación en una amplia gama de entornos astrofísicos. En ambientes fríos y densos los granos de polvo proporcionan superficies catalíticas para la formación de hielos elementales ( agua, metano, metanol, amoníaco, monóxido de carbono y dióxido de carbono) que, a través de la interacción con la radiación, pueden convertirse en moléculas orgánicas complejas, como aminoácidos y azúcares. En los discos protoplanetarios estos granos de hielo se agrupan, formando cuerpos más grandes hasta llegar a cometas y planetas. La comprensión de cómo estos granos o estas capas de granos helados se forman y evolucionan bajo  entornos de radiación astrofísicos  son clave para predecir la composición de los planetas y especialmente la cantidad de material orgánico asociado con el origen de la vida. NIF ofrece oportunidades únicas para estudiar esa formación de granos desde plasmas iniciales y su evolución bajo altos flujos de radiación X (la fotoquímica de los granos y los hielos). Estos experimentos servirían para hacer predicciones de la composición química alrededor de las estrellas durante la formación de planetas, y así obtener datos sobre qué planetas son más apropiados para el desarrollo de la vida.

Explicación de la ubicuidad y propiedades de los Campos Magnéticos Cósmicos y el Origen de los Rayos Cósmicos. En el ámbito del medio interestelar e intergaláctico, NIF puede abordar mejor que ninguna otra instalación dos de los grandes misterios del Universo: la magnetización del espacio y la generación de rayos cósmicos. El Universo está bañado por campos magnéticos con fuerzas que van desde algunos femtogauss (10^-15 gauss) en los vacíos entre filamentos y acumulaciones de galaxias, pasando por varios microgauss (10^-6 gauss) en el medio intergaláctico, hasta muchos teragauss ((10^12 gauss) en las proximidades de los agujeros negros y las estrellas de neutrones ( recordad que el campo magnético terrestre es de 1 gauss). Estos campos magnéticos juegan un papel crucial en muchos fenómenos astrofísicos, como la formación y evolución de estrellas, la generación y transporte de los rayos cósmicos, la producción de chorros de materia a velocidades relativista de agujeros negros de masas estelares en los centros de las galaxias y posiblemente en la formación de otras estructuras a gran escala en el Universo.

Sobre la mesa hay diferente mecanismos propuestos para explicar el origen y fuerza de esos campos magnéticos que necesitan de experimentación para ser validados. NIF puede generar un régimen de campos magnéticos turbulentos que puedan dar respuestas a las mencionadas preguntas.

Hidrodinámica Radiativa del Nacimiento y muerte explosiva de estrellas. En cuanto a la dinámica estelar de nacimiento y muerte, uno se encuentra con sistemas hidrodinámicos en los que participan fuertes ondas de choque dónde la radiación a menudo desempeña un papel esencial. Hasta la fecha los progresos han sido más bien escasos puesto que no se podían reproducir en laboratorio ondas de choque radiativas de manera sostenida como las implicadas en la acumulación de materia que lleva a las Supernovas o la destrucción de las nubes moleculares .En segundo lugar,  tampoco se conseguían explosiones controladas en las cuales se pudiera seguir la la evolución a largo plazo de inestabilidades. Por último, la evolución de turbulencias convectivas más allá de las fases más tempranas de las explosiones tampoco ha podido ser estudiada. NIF supone un importante avance en la experimentación que permitirá estudiar la hidrodinámica de las explosiones en entornos radiativos con mucho detalle.

Física atómica de plasmas ionizados. Telescopios orbitales como Chandra o XMM-Newton han revelado importantes diferencias entre las líneas espectrales de plasmas ionizados por rayos X en comparación con plasmas ionizados por colisiones (dónde las colisiones entre electrones e iones juegan el papel fundamental en la ionización). Ejemplos de plasmas ionizados por radiación se encuentran en plasmas cercanos a agujeros negros, estrellas de neutrones y a muchas estrellas binarias. Hasta día de hoy, sólo hay modelos teóricos para interpretar su comportamiento pero NIF abre la puerta a experimentos en los que se puedan reproducir ese tipo de entornos. Además, la estructura y evolución estelar dependen esencialmente del transporte de radiación X que a su vez depende de las propiedades de absorción y emisión de la materia, en especial de los elementos de alto Z, como el hierro. Sólo NIF puede producir estados de la materia tan calientes y densos como los que hay en el interior del Sol, lo que permitiría de primera mano la medición de dichas propiedades.

Física nuclear

En las líneas actuales de investigación, el estudio de la estructura y las interacciones de los núcleos se restringe a sistemas nucleares no excitados.  Los laboratorios actuales no permiten investigar interacciones nucleares entre estados excitados porque o bien los generan en poca cantidad o bien su duración es tan corta que no permiten medición. Sin embargo,  son precisamente esos estados excitados producidos en ambientes calientes, plasmas densos, con altos flujos de electrones donde principalmente tiene lugar la nucleosíntesis. NIF ofrecerá por primera vez la oportunidad de mediciones directas en plasmas termonucleares sometidos a combustión, como ocurre en las estrellas. Así, fenómenos hidrodinámicos en estos sistemas, tales como el transporte turbulento de partículas cargadas y su efecto en los procesos nucleares podrán ser investigados en NIF. Entre otras cosas, todo este conocimiento servirá para acercarse más al objetivo de controlar las reacciones termonucleares y la obtención de energía por fusión mediante confinamiento inercial.

Nucleosíntesis estelar y del Big Bang en entornos de plasmas. NIF permitirá determinar el porcentaje de reacciones de fusión de iones ligeros que inician la nucleosíntesis y que prevalecen en las fases iniciales de la evolución de estrellas.

Formación de elementos pesados y el papel de las reacciones en los estados nucleares excitados. Los efectos en la nucleosíntesis y en la vida media de los estados nucleares excitados por interacciones con plasmas estelares también podrán ser investigados en NIF.

Materiales bajo condiciones extremas y física planetaria

A compresiones 1000 veces mayores que las normales, la química de los elementos cambia drásticamente ya que no sólo los electrones de valencia sino también los más internos participan en los enlaces. A esas presiones, las propiedades intrínsecas de los materiales como la dureza, la difusión y la evolución de defectos nos son completamente desconocidas. Experimentos de compresiones estáticas apuntan a multitud de transformaciones en las propiedades físicas como químicas de la materia como por ejemplo,  nuevas fases electrónicas, magnéticas y superconductoras.

Experimentos de compresión dinámicos a presiones de Mbar están revelando cambios fundamentales en el comportamiento de los elementos como la metalización del H, del He o de la Sílica. En estos regímenes de altas presiones, un metal como el sodio se vuelve un aislante transparente. Incluso se podría llegar a observar el derretimiento cuántico de un material predicho hace más de medio siglo.

Representación esquemática de cómo el material evoluciona bajo compresiones extremas.

De la materia cuántica a la materia de Estrellas. Las propiedades a muy altas presiones (>100 Mbar) de elementos tan básicos como el H y el He son prácticamente desconocida y todo nuestro conocimiento está basado en modelos y predicciones que necesitan ser verificados. Entre los fenómenos que se han predicho a esas presiones tenemos transiciones desde la fase líquida a la fase de plasma del H y el He, una fase superfluida y superconductora del H, … A esas presiones debería ser posible excitar reacciones nucleares mediante efecto túnel como ocurre en el Sol. Además, el estudio de mezclas de H y He a esas presiones es de vital importancia para entender la termodinámica y la hidrodinámica del interior de algunos planetas. NIF abre las puertas a toda esta investigación.

Elementos a Presiones Atómicas. El modelo tradicional de la materia a altas presiones se basa en considerar que los electrones de valencia son desplazados a una banda de conducción formando un gas casi libre rodeando a los iones. Esta perspectiva ha sido muy útil para explicar el comportamiento de materiales a presiones de millones de veces la presión atmosférica. Sin embargo, a presiones un par de ordenes mayores (>100Mbar) este modelo deja de funcionar. Hay evidencias de que para esos casos los orbitales más interiores de los átomos pasan a ocupar casi todo en volumen del sólido/líquido obligando a los electrones a estar localizados. Esta configuración redistribuye la posiciones de los átomos, haciendo desaparecer la típica periodicidad de los sólidos a corto alcance. NIF permitirá investigar estos nuevos estados.

Exploración del Interior de Planetas. Hacer converger los campos de materia condensada y física de plasmas abre todo un nuevo área a investigar en ciencia de materiales. Como ya hemos comentado,. cuerpos astrofísicos como las Supertierras, los gigantes de hielo y los gigantes gaseosos podrán ser estudiados en NIF.

Rango de presiones y temperaturas interiores de distintas clases de planetas y el correspondiente efecto de la compresión en las energías de enlace de sus componentes. (Crédito: D.J. Stevenson, 2008).

Física de haces y plasmas

A las temperaturas y presiones que NIF genera, la materia termina convirtiéndose en plasma. Por tanto, NIF es ante todo un gran laboratorio de física de plasmas, en el cual se podrán estudiar una enorme cantidad de fenómenos de transporte, radiación y aceleración de partículas como nunca antes se han podido realizar. Temas en la frontera del conocimiento en plasmas como a) la formación y aceleración de partículas en choques no-colisionales, b) el control activo del flujo de radiación y partículas en plasmas densos de alta energía, c) la generación de haces ultraintensos y transporte en plasmas densos de alta energía y d) estados complejos del plasma bajo campos láser extremos podrán ser investigados en NIF.

Conclusiones

NIF representa un amplio conjunto de oportunidades únicas en investigación que abarca cuestiones de astrofísica, física nuclear, materiales en condiciones extremas, física planetaria y física de plasmas y haces (ver resumen en tabla). Con el apoyo intelectual y económico adecuados sin duda se conseguirán grandes avances en todas estas áreas. Esperemos que la comunidad científica, y en particular la española, sepa aprovecharse de una instalación única como NIF. Un buen punto de partida es asistir al Primer Encuentro de Usuarios de NIF que tendrá lugar del 12 al 15 de febrero de 2012. ¡¡ El que pueda ir, que no se lo pierda!!

Disciplinas	Líneas de investigación
1. Laboratorio de Astrofísica	1.1 Simulación de Astroquímica: Orígenes y Evolución del Polvo Interestelar y las Molécula Prebióticas
	1.2 Explicación de la ubicuidad y propiedades de los Campos Magnéticos Cósmicos y el Origen de los Rayos Cósmicos
	1.3 Hidrodinámica Radiativa del Nacimiento de Estrellas y de la muerte explosiva de estrellas
	1.4 Física atómica de plasmas ionizados
2. Física Nuclear	2.1 Nucleosíntesis Estelar y del Big Bang en entornos de plasmas
	2.2 Formación de Elementos Pesados y el Papel de las Reacciones en los Estados Nucleares Excitados
	2.3 Física Atómica de Plasmas ionizados
3. materiales bajo Condiciones extremas y Física Planetaria	3.1 De la materia cuántica a la materia de Estrellas
	3.2 Elementos a Presiones Atómicas
	3.3 Química de Kilovóltios
	3.4 Caminos a Estados Extremos
	3.5 Exploración del Interior de Planetas
4. Física de Haces y Plasmas	4.1 Formación y aceleración de partículas en Choques no-colisionales
	4.2 Control Activo del flujo de Radiación y Partículas en Plasmas Densos de Alta Energía
	4.3 Generación de Haces Ultraintensos y Transporte en Plasmas Densos de Alta Energía
	4.4 Estados Complejos del Plasma bajo Campos Láser Extremos

Referencias

Este artículo y sus imágenes han sido sacados del Informe de la Oficina de Ciencia de la Administración de Seguridad Nuclear Nacional de los EEUU generado tras el “Workshop on Basic Research Directions on User Science at the National Ignition Facility” que tuvo lugar en Washington DC en mayo de 2011.

Para más información descargar documento en este enlace (pdf).

Este artículo es una colaboración invitada escrita por el Dr. J. Alvarez Ruiz del Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid.

Se observa la trayectoria de un cometa de Kreutz conforme penetra y se destruye en la corona solar

La corona solar puede destruir a los cometas que pasen demasiado cerca de nuestro Sol. Estos cometas son joyas para los astrónomos aficionados y para los profesionales, aunque solo se detectan en el último momento, justo cuando se evaporan y se desintegran en la corona solar, lanzando enormes cantidades de polvo fino y gas (y produciendo un fogonazo de luz en el Sol). La mayoría de estos cometas son de la familia de Kreutz, cometas en órbita cercana al Sol, entre 1 y 2 veces el radio del Sol, con periodos entre 500 y 1000 años. El origen de estos cometas de Kreutz no es conocido, pero se cree que son fragmentos de un cometa gigante (con entre 10 y 50 km de radio) que se destruyó hace miles de años al aproximarse demasiado al Sol. El 6 de julio de 2011, el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) observó la trayectoria entrada y destrucción en la corona solar del cometa C/2011 N3 (SOHO); el cometa pasó a gran velocidad (unos 650 km/s) y recorrió unos 100.000 km (aprox. 0,15 el radio del Sol) por encima de la fotosfera solar (como muestran la figura y el vídeo de youtube). La observación en cinco longitudes de onda del ultravioleta extremo permitió estudiar tanto las propiedades de la corona solar como las del propio cometa, incluyendo su posible composición. Los últimos 10 minutos de observación permiten estimar el radio de su núcleo entre 10 y 50 metros, por lo que, como este tipo de cometas tienen radios de unos 100 metros, se interpreta que el cometa se fragmentó en varios trozos conforme penetraba en la corona solar. ¿Qué pasa si un cometa se aproxima tanto al Sol que casi lo roza? El famoso cometa Lovejoy lo hizo entre el 15 y 16 de diciembre de 2011 con pocos daños, mostrando una espléndida cola tras su paso que disfrutaron todos los astrónomos aficionados. Sin embargo, C/2011 N3 (SOHO) no tuvo tanta suerte; al contrario que los astrónomos solares que han utilizado su trayectoria para conocer mejor cómo le ha afectado la corona solar. SOHO/LASCO observan un cometa de Kreutz rozando el Sol cada 3 días (unos 2000 en sus 15 años de operación), pero solo unos pocos acaban destruidos en la corona solar. Futuras observaciones permitirán comprender mucho mejor las propiedades de los cometas del grupo de Kreutz y sobre cómo les afecta la corona solar. El artículo técnico es C. J. Schrijver et al., “Destruction of Sun-Grazing Comet C/2011 N3 (SOHO) Within the Low Solar Corona,” Science 335: 324-328, 20 January 2012. La importancia de esta observación nos la describe en detalle Carey M. Lisse, “The Final Flight of a Sun-Diving Comet,” Science 335: 296-297, 20 January 2012.

Biología sintética y la bacteria E. coli como una fábrica viva para la producción de biocombustibles

Se ha publicado en Science un artículo que resuelve uno de los grandes problemas de la producción de etanol utilizando bacterias de fácil cultivo como Escherichia coli, la producción de alginato (un glúcido o hidrato de carbono) que no es digerido de forma natural por estas bacterias. Aprovechando que hay bacterias que sí son capaces de digerirlo, como las del género Vibrio, se ha incorporado un trozo (36 kilobases) del genoma de la bacteria V. splendidus en el genoma de la bacteria E. coli; esta labor de ingeniería genética ha introducido la ruta metabólica para digerir el alginato en E. coli, permitiendo su uso industrial en la producción de etanol a partir de algas marinas. El trabajo es muy prometedor y muchos medios se han hecho eco del mismo. Ya habrás leído la noticia: “bacterias transgénicas para producir biocombustible de las algas marinas” (Alicia Rivera, El País); o también “científicos del Bio Architecture Lab (EE.UU.) han modificado genéticamente la bacteria E. coli para que digiera los azúcares de las algas marrones y las convierta en etanol; así, las algas podrían ser una fuente rentable de energía” (Agencia SINC). El artículo técnico es Adam J. Wargacki et al., “An Engineered Microbial Platform for Direct Biofuel Production from Brown Macroalgae,” Science 335: 308-313, 20 January 2012.

Hay algo que se suele contar en estas noticias y que me gustaría destacar. Cuando en biología sintética se altera el genoma de una bacteria para que realice ciertas funciones (o implemente cierta ruta metabólica) con un objetivo industrial (o biomédico), normalmente, se utilizan bacterias muy primitivas porque en el metabolismo de células procariotas (como E. coli) o eucariotas (como las de levaduras) hay muchos efectos laterales y la introducción de una ruta metabólica nueva afecta a otras rutas existentes (muchas veces de maneras que los científicos no son capaces de predecir a priori). Estos efectos colaterales se tratan de eliminar, pero a veces los menos obvios son muy difíciles de descubrir y surgen cuando menos se lo espera uno. En el caso de este estudio, los investigadores no reportan ningún efecto lateral, lo que me hace sospechar, soy mal pensado por naturaleza, que o los han omitido con la intención de “no avisar a los revisores” de sus puntos flacos, o los desconocen porque no han realizado estudios específicos en suficiente profundidad. Por ello, por muy prometedor que pueda parece este avance, a mí me genera serias dudas. Espero equivocarme y que mis dudas estén infundadas, pero no le auguro un futuro muy prometedor a este interesante descubrimiento.

Un protocolo “doble ciego” de computación cuántica universal

Supón que has desarrollado el algoritmo cuántico del siglo, pero no tienes un ordenador cuántico para ejecutarlo. Una compañía privada posee un ordenador cuántico que podrías usar, pero no quieres que vean tu código fuente, tu entrada y la salida de tu algoritmo; ellos tampoco confían en tí y no quieren que piratees los secretos de su máquina. Barz et al. publican en Science un protocolo cuántico que os satisfará a ambos, ni tú ni ellos desvelaréis vuestros secretos; el único requisito es que te permitan manipular a tu antojo un solo cubit, uno solo. Este problema se denomina computación cuántica “ciega” (blind QC), pero a mí me gusta más el título de esta entrada. En estudios anteriores se demostró cómo es posible ejecutar cualquier algoritmo cuántico realizando medidas en un solo cubit que está entrelazado con los cubits de dicho ordenador cuántico. Para ocultar el algoritmo, el cliente utiliza el nuevo protocolo que realiza el cálculo gracias a un entrelazamiento cuántico aleatorio. Solo quien controle el único cubit puede conocer la entrada, el algoritmo y la salida; la compañía solo podrá observar cubits aletaorios entrelazados. Además, el funcionamiento del ordenador cuántico es confidencial pues el programador solo puede observar un único cubit. No describiré este protocolo cuántico en detalle, pero adelanto que es muy bonito, aunque algo técnico. Nos lo cuenta Vlatko Vedral, “Moving Beyond Trust in Quantum Computing,” Science 335: 294-295, 20 Jan. 2012, que se hace eco del artículo técnico de Stefanie Barz et al., “Demonstration of Blind Quantum Computing,” Science 335: 303-308, 20 Jan. 2012.

La idea del nuevo protocolo de ejecución “doble ciego” es la siguiente. Supongamos que la empresa (el servidor) tiene un ordenador cuántico donde puede crear un estado entrelazado con muchos cubits. Dicho estado entrelazado es preparado siguiendo las órdenes que suministra el programador (el cliente); estas órdenes corresponden a cubits individuales, elegidos al azar por el cliente, que se encuentran en ciertos estados cuánticos. La empresa lo único que hace es entrelazar el cubit que recibe (sin medir su estado) con los cubits de su ordenador; si la empresa trata de leer el estado que recibe, el programador podrá detectar más tarde dicho cambio y sabrá que le están espiando. La salida del algoritmo es recibida por el cliente gracias a medidas de un solo cubit (seleccionado por él de forma aleatoria); para la empresa estas salidas son completamente aleatorias. Esta forma de ejecutar un algoritmo cuántica haciendo mediciones cubit a cubit del estado entrelazado en el ordenador cuántico denomina computación cuántica basada en medidas proyectivas. La empresa no puede descifrar el algoritmo utilizado ya que se ejecuta en un estado entrelazado al azar y los resultados de las mediciones que obtiene son aleatorios en apariencia (solo el cliente sabe cuáles lo son y cuáles no, porque conoce el estado entrelazado que ha construido gracias a sus órdenes cubit a cubit). Por tanto, el algoritmo es “doblemente ciego” ya que el cliente no conoce los detalles de cómo ha sido implementado el ordenador cuántico y el servidor ignora los detalles del algoritmo que está siendo ejecutado; más aún, el cliente puede llegar a saber observando la salida que recibe del servidor si la empresa realmente atesora un ordenador cuántico de verdad.

La idea detrás de este nuevo protocolo es combinar conceptos de cifrado (criptografía) cuántica y de computación basada en medidas cuánticas; la seguridad de este protocolo es mayor que la del correspondiente protocolo implementado en un ordenador clásico en la misma medida en la que el cifrado cuántico es más seguro que el clásico. La criptografía cuántica siempre permite detectar a cualquier espía que observe lo que no debe. Por cierto, el artículo técnico de Barz et al. incluye una demostración experimental de su protocolo “doble ciego” utilizando cubits ópticos basados en la polarización de fotones en un medio óptico no lineal. Han implementado dos algoritmos cuánticos, el algoritmo de Deutsch-Jozsa y el algoritmo de búsqueda de Grover.

Los 6 circuitos cuánticos "ciegos" en los que se basa el cálculo cuántico "doble ciego." (C) Science

Por cierto, no lo he dicho, pero el autor principal del artículo técnico es Anton Zeilinger, “eterno” candidato al Premio Nobel de Física por su demostración del “teletransporte cuántico”  sus trabajos en la verificación de las desigualdades de Bell y su investigación sobre el entrelazamiento cuántico. Lo digo ahora porque he visto gracias a Twitter que la BBC destaca este hecho en Jason Palmer, “Quantum computing could head to ‘the cloud’, study says,” BBC News, 19 January 2012. Ya se sabe que no es lo mismo un gran descubrimiento cuántico de un “cualquiera” que uno de un firme candidato al Nobel. Pues lo dicho, lo digo.

Por cierto, si queréis escuchar una conversación de Zeilinger con el Dalai Lama en youtube…

Atención, pregunta: ¿Debe interferir el gobierno de EE.UU. en la publicación de dos artículos científicos alegando riesgos de bioseguridad?

Hay ciertas cuestiones científicas que siempre generan polémica. Dos artículos que estudian la posible transmisión por vía respiratoria de un virus aviar H5N1 altamente patógeno (llamado H5N1 HPAIV) han sido enviados para publicación a Nature y Science. Estos artículos afirman que es posible la transmisión del virus por vía respiratoria (si estos se adhieren a gotas o a aerosoles). La National Science Advisory Board for Biosecurity (NSABB) ha recomendado al Gobierno de EE.UU. que interfiera en el proceso de publicación y que actúe para que dichos artículos no vean la luz en su totalidad; su recomendación es que se omitan todos los detalles técnicos de los métodos de laboratorio utilizados para evitar que puedan se reproducidos (todo lo contrario a lo que recomienda la ética científica: todo resultado debe ser reproducible). El gobierno ha aceptado y se ha puesto en contacto con los autores y con los editores de Nature y Science. Ahora la baza están en la mano de los editores. Los de Science han decidido preguntar públicamente la opinión de todos los científicos. ¿Deben aceptar los editores las recomendaciones del gobierno en aras a la bioseguridad? ¿Se trata de un acto de censura a la investigación científica? ¿Puede una potencia científica como EE.UU. reservarse un avance científico que podría ayudar a otros países a identificar rápidamente estas mutaciones del virus H5N1? La polémica está servida. ¿Qué opinas el respecto? Utiliza los comentarios si te apetece (pero no opines “SÍ” o “NO” simplemente, trata de razonar tu respuesta, aunque de forma breve).

Si deseas más información (en inglés) puedes leer los siguientes cuatro artículos (de acceso gratuito en Science):

1) Michael T. Osterholm and Donald A. Henderson, “Life Sciences at a Crossroads: Respiratory Transmissible H5N1,” Science, Published online 19 January 2012 [abstract].

2) Daniel R. Perez, “H5N1 Debates: Hung Up on the Wrong Questions,” Science, Published online 19 January 2012 [abstract].

3) John D. Kraemer and Lawrence O. Gostin, “The Limits of Government Regulation of Science,” Science, Published online 19 January 2012 [abstract].

4) Ron A. M. Fouchier, Sander Herfst, and Albert D. M. E. Osterhaus, “Restricted Data on Influenza H5N1 Virus Transmission,” Science, Published online 19 January 2012 [abstract].

PS (20 ene. 2012): Una carta de científicos similar a las anteriores que se publicará en Nature: Ron A. M. Fouchier et al. (39 authors), “Pause on avian flu transmission studies,” Nature, Published online 20 January 2012.

Esta noche, a las 21:00, estreno mundial del documental “El mal del cerebro”

Un documental espectacular producido por lainformacion.com cuyo estreno será esta noche a las 21:00 horas (hora de Madrid) en la dirección www.elmaldelcerebro.com; muchos tuitearemos en directo durante el estreno, #elmaldelcerebro, que promete ser  TT en España. El director del documental, el periodista y divulgador Antonio Martínez Ron (@aberron y @elmaldelcerebro), ha sido entrevistado sobre “El mal del cerebro” en el programa “Asuntos Propios” RNE (a partir del minuto 26:00 empieza la entrevista; te gustará sin lugar a dudas).

Sin entrar en la discusión sobre si llama “cerebro” o “encéfalo” (término más correcto), este documental de dos partes revisa la investigación en Neurociencia que se está realizando en España. “En la primera parte, ”Cerebros reparados”, que se estrenará hoy jueves 19 de enero, asistiremos a una operación de implante de electrodos para recuperar la movilidad y eliminar el temblor compulsivo de los pacientes de Parkinson. También conoceremos las últimas tecnologías que permiten reemplazar miembros amputados por dispositivos biónicos o mover objetos con el pensamiento. Y en la segunda parte, ”En busca de la memoria”, que se estrenará el jueves 26 de enero, conoceremos las investigaciones que tratan de detectar las demencias precozmente, frenar el deterioro cognitivo e incluso retener nuestros recuerdos por más tiempo.”

En la segunda parte se hablará de los trabajos sobre el Alzheimer que desarrolla el Dr. Zafaruddin Khan en la Universidad de Málaga (“La biomolécula de la memoria,” Uciencia, 8 julio 2009). Las ratas tratadas con una proteína llamada RGS-14 son capaces de recordar un objeto durante 27 semanas, cuando las ratas normales solo alcanzan unos 45 minutos. Pronto se van a iniciar estudios en monos; esta proteína promete mucho en el campo del tratamiento del Alzheimer. El trabajo más famoso de Khan se publicó en Science, en concreto Manuel F. López-Aranda, Juan F. López-Téllez, Irene Navarro-Lobato, Mariam Masmudi-Martín, Antonia Gutiérrez and Zafar U. Khan, “Role of Layer 6 of V2 Visual Cortex in Object-Recognition Memory,” Science 325: 87-89, 3 July 2009.

Gracias a un anillo de Einstein se descubre una nueva galaxia enana que ratifica los modelos de formación galáctica

El proceso de formación de galaxias aún guarda secretos. Las simulaciones por ordenador que incluyen el efecto de la materia oscura fría predicen la formación de un gran número de pequeñas galaxias enanas (satélites de las galaxias más grandes), pero en nuestra galaxia, la Vía Láctea, y en otras galaxias del Grupo Local, se han observado muy pocas galaxias enanas (unas 50). Quizás hay muchas más pero son demasiado débiles, sin embargo, la distribución de masa de estas galaxias enanas no coincide con las predicciones teóricas. La astrónoma Simona Vegetti (MIT, EE.UU.) y varios colegas publican en Nature el descubrimiento de una nueva galaxia enana en el anillo de Einstein de lente gravitatoria (llamada B1938+666); esta pequeña galaxia tiene una masa de 190 ± 10 millones de masas solares, es extremadamente débil y se encuentra más allá del Grupo Local. Vegetti y su equipo han usado el telescopio Keck de 10 metros de Hawaii, que utiliza óptica adaptativa (para corregir los efectos de la atmósfera de la Tierra en las imágenes). Gracias a que la lente gravitatoria muestra varias imágenes de la misma galaxia se ha podido estimar la distribución de su masa; para sorpresa de los astrónomos corresponde a la predicha por los modelos de formación galáctica para las galaxias enanas. Por ello, Vegetti y sus colegas afirman que esta galaxia satélite (dominada por la materia oscura) confirma la teoría actual de formación de galaxias. Futuros estudios de otras lentes gravitatorias se espera que permitan observar muchas más galaxias enanas, incluidas nuevas satélites de la Vïa Láctea. Nos lo ha contado Robert W. Schmidt, “Galaxy formation: Distant dwarfs,” Nature 481: 271–273, 19 January 2012, que se hace eco del artículo técnico de S. Vegetti, D. J. Lagattuta, J. P. McKean, M. W. Auger, C. D. Fassnacht & L. V. E. Koopmans, “Gravitational detection of a low-mass dark satellite galaxy at cosmological distance,” Nature 481: 341–343, 19 January 2012.

Un español es primer autor de un artículo en Nature que describe cómo actúa cierta proteína transmembranal

Siempre gusta ver a un español de primer autor de un artículo de Nature, aunque F.-Xabier Contreras está afiliado al Centro de Bioquímica de la Universidad de Heidelberg, Alemania. Su artículo presenta un nuevo mecanismo para explicar como una proteína transmembranal (que atraviesa cierta membrana y controla el transporte a través de ella) se activa o desactiva conforme interacciona con ciertos lípidos (esfingolípidos); su descubrimiento se basa en simulaciones por ordenador de dinámica molecular. El vídeo de youtube que abre esta entrada muestra un par de estas simulaciones. No tengo conocimientos suficientes para entrar en detalles técnicos, pero me ha sorprendido el “baile de San Vito” de estas proteínas; uno siempre se imagina que las proteínas son substancias bastante rígidas, pero el vídeo muestra varios grupos funcionales que realizan rotaciones de hasta 360º, como si tuvieran una rótula. Realmente espectacular. El artículo técnico es F.-Xabier Contreras et al., ”Molecular recognition of a single sphingolipid species by a protein’s transmembrane domain,” Nature, Published online 09 January 2012.

No tengo conocimientos suficientes para explicar los detalles técnicos del descubrimiento de Xabi, aún así, permíteme unas breves líneas. Las células eucariotas (con núcleo) están formadas por múltiples orgánulos cada con su propia membrana. Hay moléculas que se transportan de unos orgánulos a otros mediante el llamado transporte vesicular. Una serie de marcadores moleculares guían este transporte en cada vesícula como si fueran guardias de tráfico que determinan el orgánulo origen y el destino de cada molécula, así como la dirección del transporte a través de la membrana, si es hacia dentro o hacia afuera de la vesícula. Los esfingolípidos son componentes estructurales de las membranas que pueden actuar como mensajeros intracelulares. No se conoce el mecanismo exacto por el cual las proteínas transmembranales que se encuentran en la bicapa fosfolipídica de cada membrana se activan o desactivan. Xabi y sus colegas han estudiado la interacción entre una proteína transmembranal concreta, llamada p24, y un esfingolípido concreto, llamado esfingomielina SM18. Por lo que parece la proteína presenta dos estados, uno inactivo y otro activo, que se activan por interacción con el esfingolípido, que actúa como mensajero molecular. En este sentido, el esfingolípido actúa como cofactor para la regulación de la función de esta proteína transmembranal. El artículo técnico describe en detalle los cambios en la estructura de la proteína debidos a la interacción con el esfingolípido, detalles estructurales que demuestran la alta especificidad de esta interacción (que como nos aclara @Acebron en los comentarios “esta interacción específica entre SM18 y la proteína es necesaria para la correcta distribución de las vesículas de transporte en las que dicha proteína participa”). Los autores creen que mecanismos similares son responsables de las interacciones entre otros mensajes y otras proteínas transmembranales.

Espero no haber metido mucho la pata. Esta entrada está dedicada a Sergio Pérez Acebron (@Acebron), amigo de Xabi y autor del blog Tall & Cute, quien me retó con un contundente “es una historia muy compleja para divulgar.” No sé si lo he logrado, pero espero al menos haber picado la curiosidad de los biólogos y bioquímicos que lean esto.

Los nadadores profesionales consideran más atractivos los cuerpos de las nadadoras que los de otras mujeres

Han mostrado siluetas de mujeres nadadoras profesionales y otras que no lo son a hombres que son nadadores profesionales y a otros que no lo son. Los nadadores prefieren las siluetas de las mujeres nadadoras (tanto en negro como a color); el resto de los hombres no muestra dicha preferencia. ¿Cómo se puede interpretar este resultado desde el punto de vista de la selección sexual en humanos? Muchos expertos opinan que la pareja preferida es la que tiene la apariencia típica de la especie (el llamado fenotipo promedio); por ejemplo, entre los seres humanos hay estudios que afirman que una cara mal proporcionada está asociada a ciertas enfermedades genéticas, peor salud física y peor sistema inmunológico. ¿Cómo sabe un humano cuál es el fenotipo promedio de una persona del otro sexo? A nivel neuronal, la evaluación del fenotipo depende de la correspondencia con algún prototipo mental que represente el fenotipo promedio de la población. Esta plantilla neuronal es poco probable que sea innata, por lo que su origen es la apariencia de los individuos que se han visto en el entorno. Este hecho ha sido demostrado para la forma de la cara en varios estudios. El nuevo estudio estudia esta hipótesis usando el cuerpo típico de las nadadoras profesionales (un tronco relativamente largo, piernas cortas, hombros anchos y pecho ancho). Por supuesto, aunque a mí me gustan este tipo de estudios, he de reconocer que hay que cogerlos con alfileres. Establecer una correspondencia entre las preferencias de una persona según un test de preguntas y un posible modelo mental requiere estudios más rigurosos que el realizado por este investigador polaco que ha considerado solo 43 nadadores profesionales y 55 hombres que no lo son, todos ellos heterosexuales. Yo creo que una muestra tan reducida no permite extraer conclusiones estadísticamente fiables. Habrá que esperar a que futuros estudios aclaren esta cuestión. El artículo técnico es Krzysztof Kościński, “Mere visual experience impacts preference for body shape: evidence from male competitive swimmers,” Evolution and Human Behavior, In Press, Online 30 November 2011.

Por si te lo preguntas, a mí me gustan estos estudios psicológicos porque me hacen pensar en cómo afectarán el mundo de las imágenes en la que viven nuestros hijos pequeños a su futuro social. La televisión, las revistas, e incluso pasear por la calle nos ofrece imágenes irreales de lo que es un humano atractivo (la mayoría están retocadas por Photoshop); muchos adolescentes desean parecerse a lo que ven en estas imágenes. Pero pocos humanos en nuestro entorno se parecen a ellas. ¿Qué influirá más en la impronta mental (si existe) de nuestros hijos? Me gustaría que fuera lo que ven en los humanos que les rodean, personas de carne y hueso como tú y como yo, pero quizás también les afecte la “mentira” de las imágenes con las que nuestra sociedad les bombardea. Los humanos evolucionaron en un entorno donde todos los humanos eran reales, pero nuestros hijos están creciendo en un entorno repleto de imágenes de humanos ficticios, que no existen en la forma en la que los vemos. Los modelos de interacción social que gracias a la evolución moldearon nuestro comportamiento social, cómo nos afectan en la actualidad. Da que pensar…

Este tipo de entradas me recuerdan a algunas de mis lecturas preferidas de adolescente, como Konrad Lorenz y sus improntas en animales; la wikipedia dice que “en su libro “Los Ocho Pecados Mortales de la Humanidad Civilizada,” dijo que la mejor esperanza para mejorar y salvar a la humanidad radica en seguir el consejo hebraico de buscar pareja en base a la bondad del alma, no a la belleza externa o las consideraciones del dinero o del estatus social” (yo no recuerdo haber leído dicho libro). También me recuerdan a Desmond Morris y lo que disfruté cuestionando mi entorno gracias a sus “El mono desnudo” y “El zoo humano” (leí otros pero en casa solo tengo estos). Gracias a la wikipedia, de nuevo, compruebo que Morris se ha transformado en un artista surrealista. 

La psicología evolucionista, la etología humana, la etología, la zoología, la biología, … Esta entrada participa en la IX edición del Carnaval de Biología, organizado por Carlos Lobato (@biogeocarlos), autor del blog “La Ciencia de la Vida“. El plazo para participar es hasta el 2 de febrero de 2012.

Rumores y nueva información no oficial sobre la búsqueda del bosón de Higgs

Nadie en el LHC quiere afirmar con rotundidad que el Higgs existe, porque quizás no exista, o porque es políticamente incorrecto, pero mucha gente se está atreviendo a anticipar el resultado que se obtendrá tras combinar todos los datos obtenidos en 2011 por ATLAS y CMS, los dos grandes experimentos del LHC en el CERN. Estas combinaciones no oficiales se basan en el teorema central del límite y han de ser cogidas con alfileres, sin embargo, son un punto de partida para tener una idea de lo que podremos contemplar en la figura oficial que se publicará en marzo de 2012. Esta figura en concreto ha sido obtenida por un “bloguero anónimo” y aparece en una charla de Eilam Gross sobre la búsqueda del Higgs que está disponible en youtube (ver al final de esta entrada). No hay que ser Gross, ni ver el final de su charla para interpretar lo que nos dice esta figura. Si existe un Higgs con cierta masa, la línea negra debe tener la forma de un pico ancho con un valor máximo de la unidad; si no existe el Higgs con cierta masa, la línea negra debe tener un valor nulo; la banda en azul es la banda a 1 sigma. ¿Qué nos dice esta figura? Que los datos de diciembre del LHC apuntan a un Higgs con una masa entre 124 y 125 GeV/c²; los datos de CMS que apuntan a un Higgs de unos 119 GeV/c² quedan bastante minimizados en esta figura combinada.

Los que gusten pueden comparar la figura que abre esta entrada con esta otra, obtenida por Philip Gibbs, que ofrece una conclusión muy similar (y que además se atreve a combinar también los datos de LEP y del Tevatrón, ver detalles en viXra log). Perdóname, pero me gustan estas figuras, igual que me ha gustado la charla de Gross. Si tienes una hora y media y te interesa el tema, la charla merece la pena. Por lo menos es mucho más corta que leer en detalle su artículo Glen Cowan, Kyle Cranmer, Eilam Gross, Ofer Vitells, “Asymptotic formulae for likelihood-based tests of new physics,” Eur. Phys. J. C 71: 1554, 2011 (ArXiv preprint), muy interesante por cierto.

La figura de exclusión obtenida por este “bloguero anónimo” que nos muestra Gross presenta claramente un exceso alrededor de 125 GeV/c², aunque quizás demasiado por encima de la unidad; si quieres saber más detalles puedes consultar el final del vídeo de la charla de Eilam Gross.

Estas figuras puede que sean un reflejo de lo que veremos en marzo en la figura oficial ALTAS+CMS, pero para entonces se incorporarán nuevos canales de búsqueda en ATLAS (hubo un cambio en los parámetros del simulador de Montecarlo oficial de ATLAS que ha introducido retrasos en el análisis de ciertos canales) y se mejorará el análisis estadístico de las colisiones de CMS; estos cambios podrían conducir a que la señal a 125 GeV se refuerce y a ello apuntan ciertos rumores, según Peter Woit, “This Week’s Rumor,” Not Even Wrong, 10 Jan. 2012. El rumor de la semana pasada era que los datos de CMS en el canal difotónico muestra una señal más fuerte que la versión preliminar publicada el 13 de diciembre; el pico observado por CMS alrededor de 123,5 GeV ha crecido hasta 124 GeV, y su significación estadística ha subido de 2,3 a 3 sigmas, lo que incorporando el efecto “look elsewhere” implica subir de 0,8 sigma a 2,0 sigma. Combinado con ATLAS, este resultado refuerza la señal de un Higgs con una masa alrededor de 125 GeV. Sin embargo, habrá que esperar a la publicación de la combinación oficial ATLAS+CMS para confirmar este rumor.

Por ahora, a falta de confirmación definitiva, todo apunta a que el LHC funcionará en 2012 con colisiones protón-protón a 8 TeV c.m. (en el centro de masas). Los expertos creen que es seguro incrementar la energía de los haces de 3,5 TeV a 4 TeV y las ventajas de este incremento en la búsqueda de un Higgs con una masa alrededor de 125 GeV son importantes; si todo va bien, con solo 5 /fb de datos a 8 TeV c.m. en 2012, combinando CMS y ATLAS ya se obtendría una evidencia a 5 sigma del Higgs.

¿Por qué se utiliza 5 sigma como señal de un descubrimiento y no otro valor? Esta pregunta se la hacen a Eilam Gross al final de su charla y la razón es sencilla, el efecto “look elsewhere” aplicado a un Higgs que no sabemos la masa que tiene. Una fluctuación estadística a 3 sigma es más probable si el rango de masas estudiado es mayor; pongamos un ejemplo sencillo, que salgan 5 caras seguidas en 10 tiradas de una moneda tiene una probabilidad del 11%, pero en 100 tiradas es del 81% y en 300 supera el 99%. Cuando se pensaba que el Higgs podría tener una masa entre 40 y 1000 GeV, se consideró que 3 sigma era poca evidencia y se tomó 5 sigma como imprescindible para evitar fluctuaciones muy probables debido al efecto “look elsewhere.” Eilam Gross confiesa (en el turno de preguntas, tratando de ser lo más políticamente correcto posible) que en ATLAS ya se han observado varias fluctuaciones para el Higgs entre 3 y 4 sigma que han desaparecido tras un análisis posterior. Ya os he comentado en varias ocasiones que en mi opinión, teniendo en cuenta el el efecto “look elsewhere,” incluso 5 sigma puede que no sea suficiente para un descubrimiento definitivo del Higgs; obviamente, una vez se haya descubierto esta partícula este efecto dejará de tener sentido. Os dejo la interesante charla de Gross en youtube por si alguno tiene una hora y media para disfrutar con la física del Higgs y la estadística de la búsqueda del Higgs en pie de igualdad.

XI Carnaval Química: Adiós a las baterías de litio, llegan las baterías recargables de aluminio

Las baterías recargables de litio están por doquier, pero el litio es escaso y su coste se ha disparado en los últimos años. Las baterías recargables de aluminio prometen ser la solución. Más baratas, más seguras (el litio es propenso a incendiarse) y basadas en el aluminio, el tercer elemento químico más abundante de la corteza terrestre. Todo son ventajas, en apariencia, ya que las baterías recargables de aluminio, a temperatura ambiente, funcionan peor que las de litio, porque los iones de aluminio son más grandes que los de litio y tienden a formar grupos que se mueven más lentamente que los de litio en los electrodos, reduciendo su conductividad. La investigación en este campo está todavía en sus inicios, pero promete mucho al tener un mercado potencial de 10 mil millones de dólares (el mercado mundial de baterías de litio, que se ha multiplicado por cinco en la última década). Teléfonos móviles, ordenadores portátiles, herramientas eléctricas sin cables, coches eléctricos y un sinnúmero de otros gadgets que utilizan baterías de litio, dentro de lustro utilizarán baterías de aluminio.  Lynden Archer, ingeniero químico de la Universidad de Cornell, y sus colegas han dado un paso de gigante en 2011 al utilizar líquidos iónicos y un electrolito de nanohilos de óxido de vanadio que aceleran el transporte de los iones de aluminio. Navaneedhakrishnan Jayaprakash, postdoc en el grupo de Ascher, es el primer autor del artículo del trabajo que presenta las baterías de aluminio recargables. Estas baterías utilizan un electrolito que contiene AlCl₃  en un líquido iónico (EMI.Cl, cloruro de 1-etil-3-metilimidazolio), nanohilos de V₂O₅ en el cátodo y aluminio en el ánodo. Alcanzan una capacidad de carga de 305 mAh/g en el primer ciclo de recarga y 273 mAh/g tras 20 ciclos de carga; además, el comportamiento electroquímico es muy estable. Una gran promesa que todavía tiene que salir de los laboratorios para llegar a la industria, pero una promesa en firme hacia el futuro de la energía en el siglo XXI, la electricidad como fuente primaria de energía. Nos lo cuenta Robert F. Service, “Al Bids to Vie With Li in Battery Wars,” Science 335: 163, 13 January 2012, que se hace eco de la repercusión que ha tenido el artículo técnico de N. Jayaprakash , S. K. Das, L. A. Archer, “The rechargeable aluminum-ion battery,” Chemical Communications 47: 12610-12612, 3 Nov. 2011, en la conferencia de la Materials Research Society (MRS), Fall Meeting, December 2011.

Esta breve entrada participa en la XI Edición del Carnaval de Química, organizado por Daniel Martín Reina, autor del blog La Aventura de la Ciencia. El plazo para publicar las entradas participantes en la XI Edición empezó el 1 de enero y terminará el 31 de enero. El organizador se enterará de las entradas que participan en esta edición dejando un comentario en su entrada, comunicándolo vía Twitter a @CarnavalQuimica o @monzonete.

 

Atención, pregunta: Quién es el culpable del mal rendimiento de los alumnos de secundaria

Finlandia, otra vez Finlandia, otra vez el informe PISA, otra vez, pero esta vez en la revista Science. Las reformas educativas emprendidas en EE.UU. para mejorar el nivel de los estudiantes en ciencias y matemáticas (TIMSS) y en el informe PISA no han surtido efecto. Todo el mundo sabe que no hay soluciones rápidas, pero en EE.UU. buscan algún culpable, ellos son así. Quién es el culpable de que los alumnos no hayan mejorado. Las asociaciones de padres apuntan con el dedo acusador a los profesores y maestros. Los profesores y maestros se excusan en que el ambiente en el que trabajan no es el adecuado, no son respetados por padres y alumnos, y sienten que la sociedad no confía en su labor. Además, los mejores estudiantes universitarios no quieren ser profesores de enseñanza secundaria, ya que consideran que es un trabajo mal pagado que no está respetado por la sociedad como debiera. Igualito que en España. Todo lo contrario que en Finlandia. Otra vez se habla de Finlandia. Nos lo cuenta John E. Burris, “It’s the Teachers,” Science 335: 146, 13 January 2012.

Las mejoras metodológicas implantadas en el sistema educativo de EE.UU. en aras a una educación científica de calidad en ciencias básicas y matemáticas, tales como la docencia centrada en el alumno, el aprendizaje basado en la investigación, la solución colaborativa de problemas y las reformas en los planes de estudio no han surtido el efecto esperado. Ningún método puede ser aplicado con éxito sin maestros brillantes, bien preparados y bien apoyados. En la última década Finlandia ha obtenido los primeros lugares en los exámenes PISA (Program for International Student Assessment). ¿Cómo lo ha logrado? Reclutando como maestros y profesores de secundaria a los mejores estudiantes, los más brillantes, y capacitándolos para su labor de forma excelente. Además, se les ha dado libertad para desarrollar sus habilidades docentes, independencia en cuanto a las metodologías a usar y tiempo suficiente para preparar sus clases e interaccionar con sus compañeros y alumnos fuera del aula. Finlandia reconoce el papel capital de los docentes en la sociedad, los maestros son respetados por todos y hay una alta demanda de jóvenes que quieren ser maestros. Todo lo contrario que en EE.UU. Todo lo contrario que en España.

¿Qué se puede hacer en España para mejorar esta situación? Finlandia no era así. Han pasado décadas desde que Finlandia decidió cambiar el ambiente de aprendizaje en enseñanza secundaria y ahora está recogiendo los frutos. Ahora Finlandia tiene uno de los mejores sistemas educativos del mundo. ¿Cuándo empezaremos a aplicarnos el parche en España? ¿Qué opinas al respecto de lo que afirma Burris en su entrada? ¿Quién es el culpable del mal rendimiento de los alumnos de secundaria?

Los pingües beneficios de PLoS ONE, la revista científica más grande del mundo

Una de nuestras lectoras, Mariana Benítez, me ha recordado que no he comprobado cuántos artículos ha publicado la revista PLoS ONE en el año 2011: según el ISI Web of Science han sido 12.077 artículos (en 2010 fueron solo 6.723 y en 2009 solo 4.004). PLoS ONE es la revista más grande, en número de artículos, del mundo. Ella nos comenta que la editorial PLoS se ha financiado, hasta hace poco, por la caridad de instituciones públicas y donaciones privadas y que no busca el ánimo de lucro. Yo no estoy de acuerdo. Lo siento, Mariana, no puedo estar de acuerdo.

En el año 2008, la editorial PLoS publicó 4.366 artículos (según el ISI WOS) y tuvo unos ingresos de 8,9 M$ (millones de dólares), en 2009 publicó 6.361 artículos y tuvo unos ingresos de 9,4 M$ y en 2010 recibió por donaciones y dinero público solo 0,5 M$ (la fuente des estos datos es un informe financiero de PLoS).

¿Cuántos ingresos ha tenido PLoS en 2010? Tras publicar 8.933 artículos ha tenido unos ingresos de 15 M$, un incremento del 60% respecto a 2010 (la fuente de estos datos es otro informe financiero de PLoS); en 2010 ha recibido de instituciones públicas 2 M$ (cuatro veces más de lo que indicaba en el informe anterior).

Según el último informe financiero de PLoS, no han tenido beneficios hasta 2010; dicho año se han gastado 12,2 M$ en publicar los 8.933 artículos. Hasta entonces sus balances eran negativos. Ya se sabe, publicar online 8.933 artículos con revisión por pares cuesta 12,2 M$. ¿PLoS vivió “hasta hace poco” de la “caridad” de las instituciones públicas? Lo siento, Mariana, pero no me lo creo. Debo ser muy incrédulo.

¿Cuántos ingresos tendrá PLoS en 2011? ¿Cuánto beneficio tendrá? Ha publicado 14.162 artículos (más del triple que en 2008); haz las cuentas. ¿Seguirá recibiendo dinero de la “caridad” pública?

VI Carnaval Tecnología: El joven español Tomás Palacios nos habla en Nature de la electrónica basada en nanohilos

Me encanta seguir el trabajo de Tomás Palacios (26 julio 1978) uno de los jóvenes ingenieros más prometedores de nuestro país, profesor en el prestigioso MIT (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, EE.UU.) e IP (investigador principal) de un grupo de más de 20 investigadores. Pero me encanta aún más verlo escribir en Nature. Hoy nos deleita con “Applied physics: Nanowire electronics comes of age,” News & Views, Nature 481: 152–153, 12 January 2012 (la ciencia española debe estar feliz de lograr un doblete N&V hoy en Nature.

Los nanohilos semiconductores han sido una de las tecnologías más prometedoras para substituir a los dispositivos electrónicos actuales, pero los problemas derivados de su fabricación a gran escala han limitado mucho esta tecnología. Sajal Dhara y sus colegas indios en el Instituto Tata de Investigación Básica, Mumbai, India,  publican en Applied Physics Letters  una nueva técnica de fabricación de transistores basados en nanohilos que promete revolucionar esta tecnología. El artículo técnico es Sajal Dhara et al., “Facile fabrication of lateral nanowire wrap-gate devices with improved performance,” Appl. Phys. Lett. 99: 173101, online 24 October 2011.

Los transistores son interruptores electrónicos con tres terminales metálicos (fuente, drenador y puerta). En los transistores de efecto de campo (FET), omnipresentes en los circuitos electrónicos modernos, un flujo de corriente intenso entre la fuente y el drenador se controla mediante un pequeño voltaje aplicado a la puerta. La corriente fluye a través de una región plana llamada canal. El rendimiento del dispositivo se puede mejorar si el canal se transforma en un objeto tridimensional y un nanohilo es ideal para ello. Dhara et al. fabrican nanohilos de arseniuro de indio (InAs) mediante una nueva técnica de litografía sencilla y eficiente. Una capa de InAs se envuelve entre dos películas de polímero que se exponen a un intenso haz de electrones que elimina la película de polímero de forma selectiva. En los transistores de nanohilos, éstos actúan como canal y se utiliza otra técnica para incorporar el drenador, la fuente y la puerta. Otras técnicas de fabricación de nanohilos requieren aplicar varios pasos de litografía, así como diferentes ataques químicos. La nueva tecnología de estos autores tiene además una gran ventaja, los dispositivos tienen una movilidad de los electrones diez veces mayor que la obtenida mediante otras técnicas de fabricación de nanohilos.

Obviamente, este trabajo de investigación es un primer paso y no resuelve el gran problema de esta tecnología, cómo integrar miles de millones de transistores de nanohilos en un chip basado en tecnologías microelectrónicas convencionales. Sin embargo, en 2011 se han desarrollado varias técnicas para lograrlo (que utilizaban técnicas litográficas más complejas) y que prometen ser adaptables con facilidad a la nueva tecnología de fabricación. Uno de estos avances fue obtenido por Intel utilizando unos dispositivos de nanohilos llamados tripuerta (como el que aparece en la fotografía electrónica que abre esta entrada). Estos nanohilos se sección rectangular tienen una de sus caras unida a un substrato. Esta geometría permite obtener dispositivos de nanohilos compatibles con las tecnologías microelectrónicas convencionales y que se pueden integrar en la mismo circuito integrado.

La integración de transistores convencionales y de nanohilos promete mejorar con creces el rendimiento de los dispositivos electrónicos, tanto en capacidad de integración (mayor número de transistores por centímetro cuadrado), como en frecuencia de reloj (número de gigahercios). No solo los nanohilos, también las nanocintas (los que son más anchos que altos), están evolucionando muy rápido hacia su uso comercial en dispositivos de alto rendimiento para aplicaciones especializadas. La tendencia a media plazo será su incorporación a los chips de propósito general. Tomás Palacios acaba su artículo recordando la gran promesa de los nanohilos y las nanocintas, los dispositivos tridimensionales que incrementarán hasta límites de ciencia ficción la capacidad de almacenamiento sin restar velocidad. El futuro de los microprocesadores para dispositivos móviles, radares y otros sistemas inalámbricos es la electrónica tridimensional (con nanohilos formando estructuras micrométricas).

Esta entrada participa en la VI Edición del Carnaval de la Tecnología, organizado por José Manuel López Nicolás en su recomendable blog  Scientia. Recuerda, para participar en el Carnaval tienes que publicar una entrada en tu blog que, de una forma u otra, esté relacionada con uno de los muchos campos que abarca la Tecnología, y dejar un comentario en esta entrada de Scientia y mandando un tweet a la cuenta de Twitter del Carnaval de la Tecnología (@TecnoCarnaval). Tenéis de plazo hasta el día 25 de este mes.