Un altavoz nanotecnológico que utiliza el efecto termoacústico de Joule para convertir calor en música

La ley de Joule afirma que cuando circula corriente eléctrica por un hilo conductor parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren con los átomos del material conductor. El efecto Joule es aprovechado en las estufas y en los hornos eléctricos, pero también puede aprovecharse para producir sonido (o música). Arnold y Crandall en 1917 propusieron el uso de efectos termoacústicos para producir termófonos, que no se han hecho realidad hasta ahora. Los finlandeses Niskanen et al. del VTT han logrado realizar esta idea gracias a la nanotecnología. Han fabricado un altavoz termoacústico capaz de alcanzar 100 dB de potencia acústica a 20 KHz en una distancia de sólo 7 cm y consumiendo 17 W de potencia eléctrica. Estos números no asombrarán a nadie. Un altavoz convencional es mucho más eficiente, sólo requiere 1 W para lograr lo mismo a una distancia de 1 m. El nuevo termoaltavoz usa 200.000 nanohilos paralelos de aluminio suspendidos sobre un sustrato de silicio y tiene una área total de pocos centímetros cuadrados. Los hilos tienen 200 μm de largo, 3 μm de ancho y sólo 30 nm de grosor. Niskanen et al. han llamado a sus termoaltavoces con el ostentoso nombre de “trompetas nanotérmicas” ya que generan sonido gracias al cambio de la temperatura en el aire que rodea el conjunto de nanohilos. Como el altavoz nanotecnológico utiliza tecnología de circuitos integrados, es posible incorporarle una memoria ROM con música pregrabada y una lógica de control, lo que permite utilizar como un altavoz “minicadena” para ciertas aplicaciones dedicadas. Realmente curioso. Nos lo cuenta Rama Venkatasubramanian, “Applied physics: Nanothermal trumpets,” News and Views, Nature 463: 619, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de los finlandeses A. O. Niskanen et al. (VTT Technical Research Centre of Finland), “Suspended metal wire array as a thermoacoustic sound source,” Appl. Phys. Lett. 95: 163102, October 29, 2009.

Publicado en Nature: Fabrican tejidos que acumulan gotas de agua a partir de la humedad ambiental imitando a las telas de araña

Las telas de araña suelen estar decoradas con gotas de rocío. La seda de araña es capaz de recolectar humedad (agua) del aire de forma muy eficiente y no necesita del rocío matinal para adquirir su aspecto perlado. Zheng et al. han encontrado la razón física y han fabricado fibras artificiales que exhiben la misma capacidad de recolección de agua. En un futuro, estas fibras permitirán la fabricación de tejidos para prendas de vestir que imitarán a los escarabajos del desierto, en cuya espalda se ha observado un patrón de regiones hidrofóbicas e hidrofílicas micrométricas que les permite capturar agua del aire húmedo. Telas de araña para salvar al sediento en el desierto. Quizás, sólo futurología, pero quien sabe… Nos lo cuenta Magdalena Helmer, “Biomaterials: Dew catchers,” News and Views, Nature 463: 618, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo científico de Yongmei Zheng et al., “Directional water collection on wetted spider silk,” Nature 463: 640-643, 4 February 2010.

Zheng et al. han estudiado fibras de seda de la araña Uloborus walckenaerius utilizando un microscopio electrónico. Han observado que el contacto inicial con el agua provoca que las fibras hidrofílicas se reestructuren generando nudos separados entre sí por hilitos donde la fibra es cuatro veces más delgada. El agua se condensa aleatoriamente en estos nudos y en las intersecciones o uniones entre fibras de la tela de araña. Las gotitas crecen mejor en las uniones acumulando humedad del aire hasta alcanzar un tamaño crítico a partir del cual se deslizan por los hilitos hasta acumularse en las gotas que se encuentran en los nudos, liberando la intersección para volver a repetir el ciclo de condensación y recolección. Zheng et al. han demostrado que la microestructura de las fibras de seda es fundamental para la recolección de agua. Los hilos de las telas de araña están formados por nanofibras distribuidas aleatoriamente que producen una superficie rugosa, pero las nanofibras en las uniones entre hilos están alineadas y presentan una superficie lisa. Esta diferencia es la responsable de la formación de un gradiente de energía superficial que provoca que las gotas de agua se deformen y sufran fuerzas de tensión superficial que dirige las gotas de agua desde los uniones entre fibras hasta los nudos en los hilos. La rugosidad de los hilos es debida a la orientación y al alineamiento de las nanofibras. Un gran trabajo de investigación que promete importantes repercusiones tecnológicas en la industria textil.

Publicado en Nature: Detectan metano en la atmósfera de un planeta extrasolar

El metano  (CH4) es un poderoso gas de efecto invernadero en las atmósferas planetarias. En la atmósfera terrestre, el que no tiene origen antropogénico, ha sido producido por bacterias anaerobias y microorganismos metanógenos. Por ello, las trazas de metano en la atmósfera de un planeta llevan a los astrobiólogos a pensar en vida extraterrestre. Por ejemplo, Titán, satélite de Saturno, presenta grandes cantidades de metano atmosférico, aunque se cree que es debido a la presencia de hielo superficial, rico en este compuesto. Se publica hoy en Nature la observación por primera vez de metano (emisión por fluorescencia de este compuesto) en un planeta extrasolar de tipo Júpiter, llamado HD 189733b, alrededor de una estrella de tipo Solar. Probablemente el origen de este metano es fotoquímico, se forma gracias al carbono, oxígeno e hidrógeno de su atmósfera por irradicación de su estrella. De hecho, la fluorescencia ocurre cuando un átomo absorbe un fotón, se excita a un nivel de energía más alto, y decae más tarde emitiendo luz con menor energía. La fluorescencia debida al metano observada por Swain et al. ya ha sido observada en planetas del sistema solar, como Júpiter y Saturno, y en Titán. En HD 189733b el fenómeno es muy intenso porque es un planeta tipo Júpiter muy cercano a su estrella (menos de una décima parte la distancia entre Mercurio y el Sol). El estudio de la atmósfera de los planetas extrasolares ofrecerá muchas sorpresas en los próximos años y habrá que estar atento a los nuevos descubrimientos. Nos lo cuenta Seth Redfield, “Extrasolar planets: Fluorescent methane spotted,” News and Views, Nature 463: 617-618, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Mark R. Swain et al., “A ground-based near-infrared emission spectrum of the exoplanet HD 189733b,” Nature 463: 637-639, 4 February 2010.

Publicado en Nature: Pequeños trozos de ARN (ARNmi) claves para la producción de células madre pluripotentes inducidas

Un avance revolucionario del año 2007 fue el descubrimiento de las células madre pluripotentes inducidas, que se podían reprogramar células adultas para que sean tan pluripotenciales como las células madre embrionarias. Un nuevo estudio muestra que la clave en esta reprogramación son los ARN micro (ARNmi), pequeños trozos de ARN no codificante (no se traducen a proteínas) que son complementarios a ciertos ARN mensajero (que sí se traducen en proteínas) y regulan la expresión de dicho ARNm, bloqueando la traducción de la proteína y facilitando la digestión del ARNm que es eliminado. Las células madre embrionarias muestran altos niveles de ARNmi embrionarios (como LIN-28, MYC, y ESCC) y bajos niveles del ARNmi de la familia de los let-7. Las células diferenciadas, por el contrario, presentan altos niveles de let-7 y bajos niveles de ARNmi embrionario. El nuevo trabajo de Melton et al. sugiere que para la reprogramación de células el camino más adecuado es la manipulación del contenido de ARNmi celular. Además, este descubrimiento tendrá repercusiones en el estudio de ciertos cánceres que se cree que son provocados por células embrionarias mal programadas. Quizás sea futurología, pero los ARNmi podrían ser parte de las estrategias terapéuticas para combatir los tumores cancerígenos. Nos lo cuenta Frank J. Slack, “Stem cells: Big roles for small RNAs,” News and Views, Nature 463: 616, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Collin Melton, Robert L. Judson, Robert Blelloch, “Opposing microRNA families regulate self-renewal in mouse embryonic stem cells,” Nature 463: 621-626, 4 February 2010.

Publicado en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente

La física cuántica parece la parte de la física más alejada de la biología, ya que la coherencia cuántica parece poco importante en macromoléculas bioquímicas. Sin embargo, el estudio de la fotosíntesis en algas indica que su alta eficiencia es debida al uso de la coherencia cuántica. Por primera vez, dicho fenómeno ha sido observado experimentalmente  a temperatura ambiente (antes se había observado por debajo de 77 K). La proteínas fotosintéticas que absorben fotones solares y excitan electrones en moléculas de clorofila actúan como un computador cuántico. Elisabetta Collini et al. han investigado dos tipos de moléculas captadoras de luz solar (antenas) que han excitado usando un par de pulsos láser ultracortos (de 25 fs, femtosegundos) creando una superposición cuántica de sus estados electrónicos excitados, de sus funciones de onda cuánticas. Un tercer pulso láser induce la emisión de un fotón adicional (llamado “eco”) que permite la medida precisa de la evolución del sistema (el método experimental se denomina espectroscopía con fotón-eco en 2D). Las oscilaciones de estos estados excitados observadas corresponden a lo esperado según las simulaciones por ordenador de la mecánica cuántica de este proceso. Más aún, se ha observado que los estados cuánticos coherentes tienen una vida mucho más larga de lo esperado (más de 400 fs). Las algas logran evitar la decoherencia del estado cuántico (que daría una vida media menor de 100 fs) gracias a ciertos enlaces covalentes en las moléculas que actúan como antenas. El problema de optimizar la distribución de la energía solar entre un grupo de moléculas de clorofila evitando los posibles mínimos de energía que degradarían su eficiencia es resuelto en las algas fotosintéticas gracias a un proceso cuántico, una optimización cuántica, que actúa como un ordenador cuántico adiabático. En resumen, un gran artículo que nos indica que los estados cuánticos coherentes en las moléculas fotosintéticas son uno de los grandes responsables de la gran eficiencia energética de la fotosíntesis en algas. Nos lo cuentan Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,”News and Views, Nature 463: 614-615, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463, 644-647, 4 February 2010.

Los interesados en más información pueden recurrir a Brandon Keim, “Everywhere in a Flash: The Quantum Physics of Photosynthesis,” Wired Science, February 2, 2010; “Scientists find quantum mechanics at work in photosynthesis,” PhysOrg.com, February 3, 2010; Laura Sanders, “Algae use quantum trick to harvest light. Study detects predicted wavelike properties during photosynthesis,” ScienceNews, February 3, 2010; y “Quantum Mechanics at Work in Photosynthesis: Algae Familiar With These Processes for Nearly Two Billion Years,” ScienceDaily, Feb. 3, 2010.

Publicado en Nature: Descanse en paz el vehículo robótico marciano Spirit

El vehículo robótico Spirit fue diseñado para una misión de 90 días marcianos. Llegó a suelo marciano en enero de 2004. En 90 días marcianos logró recorrer unos 600 metros. En octubre de 2006 ya había logrado superar los 1000 días marcianos y logró superar su propio “efecto 2000″ gracias al apoyo de los técnicos en Tierra. En enero de 2009, Spirit empezó a sufrir su propio “Alzheimer” y los técnicos encontraron problemas para entender los datos que enviaba. En abril de 2009, un Spirit “enfermo” decidió autoprovocarse dos reboot (“apaga y enciende”) consecutivos. En un lugar llamado Troya, Spirit quedó atrapado en la arena, con una rueda rota, incapaz de escapar de su “cárcel.” Con una réplica en la Tierra se estudió la situación y se descubrió cómo podría escapar. En noviembre de 2009, Spirit logró ascender unos centímetros, pero se le rompió otra rueda. Finalmente, el 26 de enero de 2010, tras haber recorrido 7.730 metros, se decidió dejarlo allí para siempre. Desde su “tumba” seguirá enviando señales de radio de sus observaciones sobre la atmósfera y la rotación de Marte. Mientras, su “hermano,” el vehículo Opportunity, sigue “vivo y coleando” dirigiéndose hasta el cráter Concepción. Nos lo cuenta Katharine Sanderson, “Mars rover Spirit (2003–10). NASA commits robot explorer to her final resting place,” Nature 463: 600, Feb. 4, 2010.

Hacia una máquina que fabrique un sol en la Tierra

Permitidme un par de vídeos sobre el National Ignition Facility (NIF) en los Lawrence Livermore National Laboratories, en el norte de California. Un reactor de fusión por confinamiento inercial cuya ignición es provocada por 192 láseres de alta potencia. El primer vídeo es del programa Horizon de la BBC y el segundo del propio NIF del LLNL.

Los neutrinos estériles, la desintegración de neutrinos y los nuevos resultados de MINOS

¿Existen los neutrinos estériles? No, según el experimento MINOS que estudia un haz de neutrinos muónicos producido en el Fermilab tras recorrer 735 km. de distancia hasta una mina en el norte de Minnesota. El experimento es capaz de detectar el número total de neutrinos, así como el número de neutrinos electrónicos y muónicos. El experimento presenta evidencia de que los neutrinos no se desintegran (en fotones) ni oscilan (cambian de identidad) en neutrinos estériles. En física nunca se puede decir nunca jamás, pero la evidencia observada en 1995, en el experimento LSND en Los Álamos, que llevó a la propuesta de un cuarto neutrino “estéril”, que no interactúa a través de la fuerza electrodébil, confirmada por dicho expeirmento en 2001, se diluye conforme pasan los años y otros experimentos van obteniendo resultados en su contra, como MiniBooNE, INTEGRAL y ahora MINOS. Nos lo cuentan en Calla Cofield, “New MINOS results “strongly disfavor” sterile neutrino, neutrino decay,” February 2, 2010, haciéndose eco de un artículo enviado a Physical Review D y disponible como preprint, The MINOS Collaboration, “Search for sterile neutrino mixing in the MINOS long baseline experiment,” ArXiv, 2 Jan 2010.

El experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) estudia la oscilación de los neutrinos (su cambio de identidad conforme se propagan) debida a que tienen una masa en reposo no nula. El modelo estándar predice sólo tres familias de neutrinos (ratificado por el LEP2 del CERN), sin embargo, varios modelos de física más allá del modelo estándar, como ciertas teorías de gran unificación y la teoría de cuerdas, predicen la existencia de al menos una cuarta familia de neutrinos, llamados estériles porque no sufre la fuerza electrodébil, ni la fuerza fuerte, sólo la gravedad. Estas teorías predicen que los 3 neutrinos convencionales podrían oscilar (cambiar de identidad) en un neutrino estéril. ¿Por qué los físicos buscan con tesón los neutrinos estériles? Porque el experimento LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) encontró un déficit de neutrinos que no apuntaba a la oscilación de neutrinos sino a la existencia de neutrinos estériles o a la desintegración de neutrinos. De hecho, el experimento MINOS también ha estudiado la posible desintegración de los neutrinos muónicos generados en el Fermilb y ha encontrado que los datos experimentales se explican mejor cuando estos neutrinos oscilan pero no se desintegran (decaen).

Hoy se publica oficialmente la noticia sobre la planificación del LHC del CERN para este año (News at CERN). Seguramente ya lo sabréis todos, se decidió que a finales de este mes se pondrá en marcha el LHC y durante los próximos dos años (2010 y 2011) funcionará a media máquina, con una energía por haz de protones de sólo 3,5 TeV (la mitad de los 7 TeV para los que fue diseñado). El 5 de febrero será el workshop en el CERN que explicará en detalle esta decisión tomada el 29 de energo. El LHC funcionará a esta energía intermedia hasta que se alcancen el inverso de un femtobar de datos o hasta que llegue diciembre de 2011, lo primero que ocurra (si no hay nuevos problemas, se podría alcanzar 1 fb^-1 alrededor de octubre de 2011, difícilmente antes). Aunque el año pasado se dijo que de 3,5 TeV en pruebas se pasaría a tomar datos a 5 TeV y finalmente a 7 TeV, por razones de seguridad la nueva planificación a preferido obviar pasar por 5 TeV y tomar datos de colisiones durante un par de años a sólo 3,5 TeV por haz, para luego, tras un año (al menos 11 meses) de preparación posterior, dar el salto definitivo a las 7 TeV. Casi seguro en diciembre de 2012 el LHC del CERN no habrá colisiones en el LHC del CERN.  ¿Qué se puede esperar de estos 2 años de pruebas y toma de datos de colisiones? Probablemente poco. Con una energía en las colisiones sólo 3,5 veces más alta que la del Tevatrón del Fermilab y sólo dos años tomando datos será muy difícil que se observe algo nuevo. Para los interesados en más detalles recomiendo el estupendo artículo de Adrian Cho, “Europe’s LHC to Run at Half-Energy, Tightening Race for Higgs,” ScienceInsider, February 2, 2010.

El LHC del CERN no tendrá colisiones a 14 TeV en el centro de masa hasta 2013, como pronto. Por cierto, el Tevatrón del Fermilab se espera que funcione hasta diciembre de 2011 (o hasta alcanzar 12 fb^-1 en el detector DZero). Todavía no se ha decidido si funcionará durante 2012, lo que permitiría alcanzar solamente 15 fb^-1 en DZero y difícilmente permitirá ningún descubrimiento nuevo. El gasto de mantener en funcionamiento el Tevatrón durante un año más (2012) es muy alto y todavía no está claro si está justificado. Habrá que esperar unos meses para conocer la decisión definitiva, aunque todo apunta a que el año 2012 será un año sin Tevatrón y sin LHC.

Sidney Coleman, el rigor matemático y la diferencia entre la demostración de un físico y la de un matemático

 ”Not only God knows, I know, and by the end of the semester, you will know,” Sidney Richard Coleman  (dirigiéndose a sus alumnos). Siempre pegado a un pitillo, con parsimonia, desgrana los secretos de la física de partículas elementales para el disfrute de sus alumnos. Si no eres físico no sabrás quien es Sidney Coleman (1937-2007), “el físico de los físicos.” Físico prodigioso, padre junto a Mandula de la supersimetría [0], antes de que se inventara la teoría de cuerdas, es uno de los físicos más citados de la historia (más de 17800 citas en el ISI WOS y un índice-h de 47). Sus clases en Harvard son legendarias (sus alumnos portaban camisetas con su imagen). Si eres físico querrás disfrutar de sus clases, que están en vídeo (DVD) y gratis por Internet. “Physics 253: Quantum Field Theory,” Lectures by Sidney R. Coleman, Recorded in 1975-1976. Realmente merecen la pena.

Yo estudié hace tres lustros el teorema de bosonización de Coleman, que afirma que un gas unidimensional de electrones (fermiones masivos) es equivalente a un gas de bosones escalares (sin masa). Técnicamente, que el modelo de Thirring masivo en 1+1 dimensiones es equivalente a la ecuación de seno-Gordon unidimensional [1]. No estudié la demostración del teorema (Rajamaran sólo la esboza en su libro). Ahora me entero de que el teorema de Coleman era en realidad una conjetura, su demostración no era rigurosa [2]. El teorema de Coleman ha sido demostrado rigurosamente por G. Benfatto, P. Falco, y V. Mastropietro quienes lo han publicado en Communications in Mathematical Physics [3]. Estas cosas pasan con muchas demostraciones “matemáticas” escritas por físicos. El físico omite ciertas sutilezas “triviales” que provocarían que un matemático se llevase las manos a la cabeza. “El conocimiento matemático se considera como conocimiento seguro, absoluto y eterno. Pase lo que pase, dos más dos son, y siempre serán, cuatro.“ [4] Sin embargo, todo conocimiento, incluso el matemático, requiere un contexto. Una demostración considerada correcta en cierto contexto no tiene por qué serlo en otro contexto distinto. Muchas demostraciones elementales del cálculo infinitesimal tenían demostraciones pre-Cauchy que hoy en día no consideramos correctas [5]. El Cálculo Infinitesimal se convirtió en Análisis Matemático gracias a sus apuntes ”Cours d’analyse” (1821), y sus dos libros “Sur le calcul infinitesimal” (1823) y “Le calcul différentiel” (1829) [5].

Ahora que estoy liado escribiendo proyectos de investigación para tratar de recabar el dinero del contribuyente, creo que es tan buen momento como cualquier otro para volver a disfrutar con el curso de teoría de campos cuánticos de Coleman. Y es que Sidney ha producido artículos con títulos tan sugerentes como “Why there is nothing rather than something: A theory of the cosmological constant,” Nuclear Physics B 310: 643-668, 1988.

[0] Sidney Coleman, Jeffrey Mandula, “All Possible Symmetries of the S Matrix,” Phys. Rev. 159: 1251–1256, 1967.

[1] R. Rajaraman, “Solitons and Instantons,” Amsterdam: North Holland, 1982.

[2] Sidney Coleman, “Quantum sine-Gordon equation as the massive Thirring model,” Phys. Rev. D 11: 2088–2097, 1975. 

[3] G. Benfatto, P. Falco, V. Mastropietro, “Massless Sine-Gordon and Massive Thirring Models: proof of the Coleman’s equivalence,” Commun. Math. Phys. 285: 713-762, 2009 [ArXiv preprint].

[4] Jacobo Asse Dayán, “La verdad matemática,” Laberintos e Infinitos, 22-27, Primavera 2008. 

[5] Santiago Gutiérrez, “Cauchy: El triunfo del rigor,” SUMA, 83-89, Junio 2007.