¿Cuántas moléculas de H2O se necesitan para formar agua líquida?

Dibujo20131103 structure of liquid water - predictions by laws of physics Nadie sabe la respuesta, pero parece evidente que debe ser un número finito de moléculas. Jeong-Hyuck Park (DAMTP, Univ. Cambridge, GB) ha calculado por ordenador, gracias a una analogía con un gas ideal de bosones, que en una caja cúbica se requieren 7.616 moléculas de agua y en un caja esférica 10.458. Conforme el número de moléculas en un gas a presión constante crece se produce una transición de fase que el autor considera que está asociada a la “emergencia” del concepto de agua. Para caracterizar una transición de fase entre dos fases se utiliza un diagrama que presenta la temperatura en función de la composición de ambas fases, la llamada descomposición espinodal; Park ha calculado el número de moléculas de agua para que aparezca un cambio brusco en la curva espinodal del sistema de bosones. El autor propone que este cambio es una característica genérica de las transiciones de fase líquido-gas, es decir, que la ebullición es un fenómeno emergente y puede ser calculada ab initio utilizando los principios básicos de la física estadística. Futuros estudios tendrán que refinar estos números y estudiar en detalle la dependencia con la forma del volumen que contiene el gas de bosones y las condiciones de contorno utilizadas (Dirichlet en este caso). El artículo técnico es Jeong-Hyuck Park, “How many is different? Answer from ideal Bose gas,” arXiv:1310.5580 [cond-mat.stat-mech], 21 Oct 2013. El artículo que realizó el cálculo es Jeong-Hyuck Park, Sang-Woo Kim, “Thermodynamic instability and first-order phase transition in an ideal Bose gas,” Phys. Rev. A 81: 063636, 2010. Sigue leyendo

Reconstrucción del flujo cardíaco en el corazón de un paciente concreto

Visualizar el flujo de sangre en el interior del ventrículo y la aurícula izquierdas de un paciente concreto en tiempo real es posible si se reconstruye su geometría tridimensional en movimiento con tomografía y luego se utiliza física computacional de fluidos. El resultado tiene un enorme interés diagnóstico, pues permite que el cardiólogo vea lo que parece imposible de ver. A mí me ha gustado mucho el trabajo de Christophe Chnafa, Simon Mendez, Franck Nicoud, “Elucidating the turbulence nature of the intracardiac flow: from medical images to multi-cycle Large Eddy Simulations,” arXiv:1310.3199 [physics.flu-dyn], 11 Oct 2013.

El problema de la formación de la Luna y su geoquímica

Dibujo20131010 planetesimal plowing into the young Earth neatly explains the dynamics of Earth-moon system but not its geochemistry

La teoría estándar para la formación de la Luna es el impacto de un cuerpo de tamaño similar a Marte contra la Tierra primitiva. Pero hay un problema, las simulaciones por ordenador de este impacto o bien explican la dinámica temprana del momento angular del sistema Tierra-Luna, o bien son capaces de explicar la semejanza entre la composición geoquímica de la Tierra y su satélite, pero no ambas cosas. Conocemos la geoquímica lunar gracias al programa espacial Apolo que trajo 382 kilogramos de rocas lunares hasta la Tierra. El año pasado se publicaron dos modelos que proponían el impacto de un objeto de tamaño similar a la Luna, mucho menor que Marte, para tratar de resolver este “pequeño” problema, explicando de forma correcta la composición geoquímica, pero el sistema Tierra-Luna resultante tenía demasiado momento angular y el mecanismo propuesto para reducirlo no satisface a todos los expertos. Hay cosas que creemos que sabemos que sabemos, pero a veces no sabemos que no sabemos. Nos lo cuenta Daniel Clery, “Impact Theory Gets Whacked,” Science 342: 183-185, 11 Oct 2013.

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Francis en Quantum Naukas Donosti y los ordenadores cuánticos

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Hoy miércoles 2 de octubre de 2013 a las 19:50 podrás disfrutar vía streaming en directo de mi charla de 10 minutos “El timo del ordenador cuántico comercial” en el evento Naukas Quantum (anuncio oficial en Naukas). En el escenario del Teatro Victoria Eugenia, Donostia (San Sebastián), España, podrás disfrutar de múltiples charlas cortas de 10 minutos sobre divulgación de la ciencia. Charlas sencillas, dinámicas, divertidas y originales.

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Para ir abriendo boca, te dejo un vídeo youtube de mi charla “Quantum Computer Simulations using Supercomputers,” que ofrecí en el HPC Advisory Council Spain Workshop 2012 en Málaga (septiembre de 2012). El sonido no está muy bien (se grabó con un micrófono puesto en la mesa) y está en inglés (mi pronunciación no es muy buena, pero quizás por ello será más fácil de entender para los hispanohablantes).

En Donostia mi charla será en español. Si te apetece, ¡nos vemos en Donostia!

Francis en ¡Eureka!: La rotación del núcleo de la Tierra

Mi nuevo podcast para La Rosa de los Vientos ya está disponible. Como siempre una transcripción libre.

En la película “El núcleo” de 2003 el núcleo de la Tierra deja de rotar y el campo magnético terrestre desaparece. ¿Cuál es el origen del campo magnético de la Tierra? La estructura interna de la tierra está formada tres capas: la corteza, el manto y el núcleo, a su vez dividido en dos partes, el núcleo externo que es líquido y el núcleo interno sólido. El núcleo de la Tierra (conocido como NiFe) está compuesto por hierro, con 5-10% de níquel y trazas de otros elementos más ligeros. El núcleo interno sólido tiene un tamaño similar a la Luna y el núcleo externo Tiene un radio mayor que el planeta Marte. El campo magnético de la Tierra está generado por los movimientos convectivos del fluido del núcleo externo como el movimiento del agua caliente en una cacerola. Su velocidad promedio es de un milímetro por segundo y cuando el fluido corta las líneas de campo magnético genera un voltaje que refuerza el campo magnético original. Las diferentes zonas convectivas rotan en sentidos diferentes (horario y antihorario) produciendo campos magnéticos en direcciones opuestas. La dirección total del campo magnético terrestre es el sentido “dominante”. Como es muy proceso dinámico muy complicado, periódicamente las zonas “no dominantes” ganan a las “dominantes” y el campo magnético se invierte. La inversión de la polos del campo magnético terrestre “más reciente” ocurrió hace unos 780 mil años hacia el estado que ahora llamamos “normal”.

El artículo técnico es Philip W. Livermore, Rainer Hollerbach, and Andrew Jackson, “Electromagnetically driven westward drift and inner-core superrotation in Earth’s core,” PNAS, AOP Sep 16, 2013. Más información divulgativa en español en “El núcleo interno terrestre gira hacia el este y el externo hacia el oeste,” Europa Press, 17 Sep. 2013.

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Cómo afecta el flujo de sangre en el ventrículo izquierdo a su función cardíaca

Dibujo20130824 velocity vectors and specific kinetic energy at beginning of systole - physics of fluids

Hace una década estuve estudiando cómo simular por ordenador el flujo de sangre en el ventrículo izquierdo para compararlo con las medidas de la perfusión cardíaca en los ecocardiógrafos de contraste. Al final todo quedó en una solicitud de proyecto de investigación que no nos concedieron y decidí cambiar de tema de estudio; sin embargo, me sigue gustando leer artículos científicos que presentan los resultados que nosotros podríamos haber obtenido. Se publica en Physics of Fluids una simulación del flujo de sangre en el ventrículo izquierdo que muestra que los patrones del flujo no afectan a la función cardíaca (su efecto es insignificante), aunque mejoran el mezclado de la sangre y el tiempo de residencia de las células sanguíneas en el ventrículo. Me ha sorprendido que este resultado fuera el mismo que imaginaba el cardiólogo con el que yo colaboraba. Quizás los que rechazaron nuestro proyecto también lo imaginaban. Por cierto, hoy en día muchos cardiólogos utilizan en su práctica clínica la ecocardiografía de contraste que permite visualizar el flujo de la sangre en el ventrículo izquierdo gracias a la cavitación de las microburbujas (que producen los contrastes que se inyectan por vía intravenosa, normalmente femoral). Aunque influya poco en la función cardíaca, el flujo depende mucho de la condición cardíaca y un flujo anómalo permite detectar muchas patologías. El nuevo artículo es Jung Hee Seo, Rajat Mittal, “Effect of diastolic flow patterns on the function of the left ventricle,” Physics of Fluids 25: 110801, 23 Aug 2013.

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El papel de los puentes de hidrógeno en el transporte de protones en el agua

Dibujo20130819 Contact ion pair formed by water wire linking the hydronium and hydroxide ions in liquid water

Hace más de dos siglos que Theodor von Grotthuss propuso un mecanismo para entender el transporte de iones en el agua: su transferencia entre un catión hidronio H3O+ y un anión hidróxido OH a través de una serie de saltos entre puentes de hidrógeno en el agua (los enlaces intermoleculares entre los hidrógenos y los oxígenos de moléculas H2O diferentes), como si los protones se movieran por “cables” de agua (proton wires). Se publica en PNAS un artículo que aclara los detalles técnicos de este proceso mostrando la importancia de la topología de la red tridimensional de puentes de hidrógeno en el transporte y la formación de “cables” en forma de anillo. Hassanali et al. han usado simulaciones por ordenador de dinámica molecular ab initio (AIMD por Ab Initio Molecular Dynamics) que muestran que el transporte ocurre a ráfagas, con periodos de reposo en los que no hay transferencia de protones y estos están localizados (parecen atrapados); en estos periodos de reposo, cuya duración es mayor de la que se pensaba, se observan aniones hidróxido “hipercoordinados” cuyo oxígeno tiene 4 puentes de hidrógeno simultáneos en una configuración casi plana; se cree que el transporte se activa cuando estos hidróxidos fluctúan y su número de puentes de hidrógeno se reduce de 4 a 3. El proceso presenta múltiples escalas de tiempo y es más complicado de lo que se pensaba. Por supuesto, ahora es el turno de los físicoquímicos experimentales que tendrán que confirmar estos detalles por observación directa. Nos lo han contado Edelsys Codorniu-Hernández, Peter G. Kusalik, “Probing the mechanisms of proton transfer in liquid water,” PNAS, AOP Aug 8, 2013, que se hacen eco del artículo técnico de Ali Hassanalia et al., “Proton transfer through the water gossamer,” PNAS, AOP Jul 18, 2013.

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Comparan experimentos y simulación SPH para saltos hidráulicos

Dibujo20130724 Experimental device in action - empty tank - partially filled with water

Los que trabajamos en métodos numéricos disfrutamos con los artículos que comparan resultados numéricos con resultados experimentales. Me han gustado los resultados sobre saltos hidráulicos y rotura de ondas obtenidos en la ETSI Navales de la Universidad Politécnica de Madrid. Más abajo os presento un vídeo de los resultados experimentales (su web incluye muchos más). Supongo que los lectores poco interesados en física computacional de fluidos no apreciarán este tipo de estudios comparados, pero quizás alguno sea aficionado a los gráficos por ordenador y a la simulación de fluidos para películas de Hollywood, en cualquier caso, no me resisto a recomendar la lectura de los dos artículos de Benjamin Bouscasse, Andrea Colagrossi, Antonio Souto-Iglesias, José Luis Cercós Pita, “Mechanical energy dissipation induced by sloshing and wave breaking in a fully coupled angular motion system. Part II: Experimental Investigation,” arXiv:1307.6064, 23 Jul 2013, y “Mechanical energy dissipation induced by sloshing and wave breaking in a fully coupled angular motion system. Part I: Theoretical formulation and Numerical Investigation,” arXiv:1307.6064, 23 Jul 2013.

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Cuatro micrófonos son suficientes para oír la forma de una habitación

Dibujo20130723 portal Lausanne cathedral - microphone array - Floor plan

Se publica en PNAS la solución a un problema clásico en acústica, cuántos micrófonos son necesarios para oír la forma de una habitación tridimensional utilizando los sonidos generados por un altavoz. La respuesta es al menos cuatro (con probabilidad uno y para una habitación poliédrica convexa). Como los autores del artículo son de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza, han ilustrado su algoritmo con la Catedral de Lausana. Los sonidos se reflejan en las paredes y forman ecos que son recogidos por los micrófonos y etiquetados por el nuevo algoritmo, lo que permiten reconstruir la forma tridimensional de la habitación. Se necesitan al menos cuatro micrófonos porque con menos pueden aparecer “ecos fantasmas” que parecen provenir de una pared “fantasma” (que no existe). Quizás pienses que es más fácil ver la forma tridimensional de la habitación que oírla, pero la técnica permite detectar objetos o personas en movimiento dentro de la habitación, luego si se usan ultrasonidos puede tener aplicaciones prácticas muy curiosas. Por supuesto, lo más interesante del trabajo técnico es la demostración matemática y el algoritmo desarrollado, que se basan en álgebra lineal y será disfrutado por muchos matemáticos. Nos lo ha contado Mark D. Plumbley, “Hearing the shape of a room,” PNAS 110: 12162–12163, 23 Jul 2013, que se hace eco del artículo técnico de Ivan Dokmanić, Reza Parhizkar, Andreas Walther, Yue M. Lu, Martin Vetterli, “Acoustic echoes reveal room shape,” PNAS 110: 12186-12191, 23 Jul 2013.

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XLIII Carnaval Física: Un simulador de velas solares hacia las estrellas

Dibujo20130703 artist concept solar sail earth orbit

Las velas solares son un sistema de propulsión basado en la presión de la luz del Sol que ya fue propuesto por Arthur C Clarke en 1963 en su historia “Sunjammer.” En el año 2010, los japoneses lanzaron la mini-vela solar IKAROS (Interplanetary Kitecraft Accelerated by Radiation Of the Sun), cuya vela fabricada con reflectores LCD tenía un diámetro de 20 metros. Los profesores de física interesados en ilustrar a sus alumnos esta tecnología disfrutarán sabiendo que hay un simulador online de velas solares en el portal de educación Aldebaran. Se trata de una especie de juego que presenta tres misiones (hacia Venus, Marte y el espacio interestelar) con tres diámetros de vela y que se controla con las flechas del teclado. Todos los detalles en el artículo de Tomas Celeda, “A solar sailcraft simulation application,” Physics Education 48: 472-476, July 2013.

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