Medida no invasiva del campo térmico en el interior de un reactor químico heterogéneo

Dibujo20131023 temperature mapping - 2D NMR signal-to-noise ratio mpas - gas-phase thermal maps ptNP

El diseño de los reactores químicos heterogéneos en los que conviven fases sólidas y gaseosas es muy complicado por el acoplo entre la transferencia de calor y masa, y la cinética de la reacción química (normalmente catalizada). Las simulaciones por ordenador son muy complicadas, pero la observación experimental (medir la temperatura del gas sin perturbar el fluido) es muy difícil. Se publica en Nature una nueva técnica de termometría por resonancia magnética nuclear (RMN) que permite medir el campo de temperatura de forma no invasiva. El mapa térmico logrado tiene errores menores del cuatro por ciento, lo que permite localizar puntos calientes y fríos en el interior de los reactores gas-sólido catalizados. Para los que hemos trabajado en la simulación numérica de estos reactores, poder comparar los resultados con medidas reales no invasivas es una oportunidad única para validar nuestro trabajo. El artículo técnico es Nanette N. Jarenwattananon et al., “Thermal maps of gases in heterogeneous reactions,” Nature 502: 537–540, 24 Oct 2013.

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Nobel Química 2013: Karplus, Levitt y Warshel por la bioquímica computacional

Dibujo20131009 karplus - levitt - warshel - nobel prize chemistry 2013

El austríaco Martin Karplus (Univ. Harvard, Cambridge, Massachusetts, EEUU), el sudafricano Michael Levitt (Facultad de Medicina de la Univ. Stanford, California, EEUU) y el israelí Arieh Warshel (Univ. del Sur de California, EEUU) son los ganadores del Premio Nobel de Química 2013 por “el desarrollo de modelos multiescala para sistemas químicos complejos.” La simulación por ordenador de la química cuántica de las macromoléculas (como las proteínas) y sus interacciones con los metabolitos (moléculas pequeñas) es imposible; el número de grados de libertad crece de forma exponencial con el tamaño. Por fortuna, basta simular la física cuántica de la reacción en el sitio activo (o centro de reacción), pudiendo usarse la mecánica clásica de Newton para simular las vibraciones del resto de la molécula, la llamada dinámica molecular. Este tipo de simulación multiescala fue introducida por Karplus, Warshel y Levitt entre 1972 y 1976. Desde entonces se considera la técnica numérica estándar para simular procesos bioquímicos en macromoléculas.

Anuncio del premio Nobel, información divulgativa [PDF], información técnica [PDF] y un artículo periodístico de Antonio Martínez Ron, “Nobel de Química 2013 para los científicos que facilitaron las simulaciones químicas por ordenador,” lainformacion.com, 9 Oct 2013.

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Francis en ¡Eureka!: Nanocristales para ventanas inteligentes

Dibujo20130907 smart windows for heat and light control - lawrence berkeley national laboratory

Ayer se inició la nueva temporada de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero. Puedes escuchar el audio siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción y algunos enlaces para profundizar.

Muchos jóvenes científicos españoles se ven obligados a emigrar en el mejor momento de sus carreras y están logrando grandes éxitos fuera de España. La noticia de hoy es sobre una joven catalana que emigró a EEUU. Anna Llordés realizó su tesis doctoral en nanocristales en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, que pertenece al CSIC, y la defendió en el año 2010 en la Universidad Autónoma de Barcelona. Tras la tesis emigró a EEUU, como postdoc en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Al final, desde mayo de 2013, está contratada allí como investigadora, pero mantiene colaboraciones con sus compañeros españoles en el campo de los nanocristales, como Jaume Gázquez. Ha sido noticia que su último artículo sobre la aplicación de los nanocristales a ventanas inteligentes ha llegado a portada de la prestigiosa revista Nature, quizás la más prestigiosa del mundo. Un logro que pocos españoles han conseguido.

Más información en “Nuevo material electrocromático para ventanas inteligentes,” 22 Ago 2013. El artículo técnico es Anna Llordés, Guillermo Garcia, Jaume Gazquez, Delia J. Milliron, “Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites,” Nature 500: 323–326, 15 Aug 2013. Más información en español en “Ventanas inteligentes con nanocristales permiten regular luz y calor,” ALT1040, que incluye un vídeo promocional en inglés de la empresa.

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Nuevo material electrocromático para ventanas inteligentes

Dibujo201300821 electrochromic window design - nature com

Se llaman ventanas “inteligentes” a las que tienen un vidrio que absorbe de forma selectiva la luz visible y el infrarrojo cercano cuando se le aplica un voltaje, cambiando su grado de transparencia a la luz y al calor exterior. Estas ventanas inteligentes permiten reducir la demanda energética de un edificio (en iluminación y climatización). Jaume Gazquez (ICMAB-CSIC, Univ. Aut. Barcelona) y varios colegas de la Univ. California en Berkeley publican en Nature un nuevo material electrocrómico compuesto de nanocristales de óxido de indio y estaño (ITO) incrustados en un vidrio de óxido de niobio. Una de las ventajas más interesantes del nuevo material es que permite un control separado de la absorción de luz en el visible y en el infrarrojo cercano, es decir, en una ventana inteligente se podrán controlar de forma separada e independiente la transparencia óptica y térmica. El rendimiento del nuevo material es mucho mejor de lo esperado, aunque hay resolver algunas cuestiones técnicas antes de que este nuevo material pueda ser usado en ventanas en nuestras viviendas (hay que seleccionar mejores materiales para los electrodos y conviene usar un electrolito sólido en lugar de líquido). Aún así, se trata de un trabajo muy prometedor. Nos lo cuenta Brian A. Korgel, “Materials science: Composite for smarter windows,” Nature 500: 278–279, 15 Aug 2013, que se hace eco del artículo técnico de Anna Llordés, Guillermo Garcia, Jaume Gazquez, Delia J. Milliron, “Tunable near-infrared and visible-light transmittance in nanocrystal-in-glass composites,” Nature 500: 323–326, 15 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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Nanopartículas de insulina autorreguladas por glucosa para diabéticos

Dibujo201300603 Schematic of the glucose-responsive nano-network

Diabetes mellitus es un trastorno de la regulación de la glucosa que afecta a unas 366 millones de personas en todo el mundo. El tratamiento ideal para los pacientes sería un sistema artificial con un control en “bucle cerrado” capaz de imitar la actividad del páncreas y liberar insulina en respuesta a los cambios en el nivel de glucosa en sangre. Zhen Gu (MIT, EEUU) y sus colegas han desarrollado un sistema de liberación de insulina auto-regulado por el nivel de glucosa basado en una red polimérica inyectable y biodegradable. El sistema está basado en nanopartículas cargadas que encapsulan insulina y enzimas que detectan el nivel de glucosa (en concreto, glucosa oxidasa GOx). Las nanopartículas se unen electrostáticamente entre sí formando un material poroso nanocompuesto (nanocomposite) capaz de liberar insulina en respuesta a las concentraciones de glucosa. El sistema se puede administrar por vía subcutánea y ha sido probado in vivo en ratones con diabetes mellitus tipo 1. Una sola inyección estabilizó los niveles de glucosa en sangre de los ratones durante 10 días. Todavía es muy pronto para hablar de pruebas en humanos, pero esta tecnología me parece muy prometedora. El artículo técnico es Zhen Gu et al., “Injectable Nano-Network for Glucose-Mediated Insulin Delivery,” ACS Nano 7: 4194–4201, May 2, 2013.

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Francis en ¡Eureka!: Curiosidades sobre las abejas y su gusto por la cafeína

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El audio de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, Onda Cero, lo puedes escuchar siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción libre para abrir boca.

Las abejas como las hormigas son los insectos sociales por excelencia. Se ha dicho que su comportamiento social es muy avanzado como si fueran muy inteligentes, ¿qué hay de verdad en esto? En realidad, el comportamiento eusocial de la colmena emerge del comportamientos egoísta e individual de cada abeja. La “inteligencia” colectiva de la colmena es un mito. Las abejas no saben que la colmena tiene una estructura social y actúan por instinto realizando acciones individuales que sólo dependen de su edad. En una colmena pueden existir hasta 80.000 obreras, 200 zánganos y una reina. Las funciones de las abejas obreras varían con la edad. Sus tres primeros días lo pasan como limpiadoras. Del tercer al décimo día ejercen funciones de niñeras alimentando a las larvas. A partir del décimo día se activan las glándulas abdominales productoras de cera y se comportan como constructoras. Del decimosexto al vigésimo día se encargan de almacenar el polen y el néctar que traen las obreras que han ido en busca de comida. A partir del vigésimo día, se convierten en soldados que protegen la entrada al nido y, después, durante el resto de sus seis semanas de vida, se convierten en abejas de campo que buscan comida. El comportamiento eusocial de las abejas emerge de este ciclo de vida de cada abeja obrera individual. Por cierto, hay más 19.200 especies de abejas y la mayoría son insectos solitarios; sólo un 5% de las especies de abejas son sociales, como la abeja melífera europea (Apis mellifera), la más común.

Se ha hablado mucho de la perfección de los panales, como si las abejas fueran excelentes matemáticas. ¿Se trata también de un mito? La teoría de la evolución garantiza que una habilidad adquirida durante cientos de millones de años acaba con un resultado óptimo. El diseño de los paneles maximiza el espacio útil, minimizando el consumo de cera. El mito de que el diseño geométrico de los paneles es perfecto nació con el error de un matemático. Las abejas cierran cada celda hexagonal formando un vértice de tres caras planas que son rombos idénticos. El matemático Koenig calculó en 1739 que el valor óptimo de los ángulos mayor y menor de estos rombos debía ser 109º 26′ y 70º 34′, cuando las medidas experimentales indicaban que las abejas usaban valores algo diferentes, 109° 28’ y 70° 32’. Estudios posteriores mostraron un error en el cálculo de este matemático (que había usado unas tablas de logaritmos que contenían un error). El cálculo correcto mostraba que las abejas tenían razón y su diseño era perfecto. En realidad lo que era imperfecto era el cálculo de este matemático del siglo XVIII.

Cambiemos de tema. Hablando de abejas, se ha observado una reducción en el número de abejas en todo el mundo, ¿se saben ya las causas?. El llamado síndrome de despoblamiento de las colmenas ha diezmado las poblaciones de abejas de Estados Unidos y Europa en la última década. En España, el síndrome empezó a observarse a principios del año 2000, pero se hizo evidente a partir de 2004. En el año 2005, un equipo de investigadores españoles del Centro Apícola Regional de Marchamalo (Guadalajara) sugirió que un hongo parásito de las abejas, llamado Nosema ceranae, podría ser la causa del despoblamiento en España; existe un tratamiento farmacológico contra este hongo, un antibiótico llamado fumagilina. Pero hoy en día se cree que el síndrome de despoblamiento de las colmenas es un fenómeno multifactorial en el que intervienen múltiples causas, además de las epidemias de parásitos, también influye el uso de ciertos pesticidas e incluso podría influir el cambio climático. En la actualidad este síndrome, aunque es una gran amenaza para la polinización de los cultivos y provoca enormes pérdidas económicas, aún no tiene una explicación convincente aceptada por todo los expertos.

Esta semana se ha publicado en la prestigiosa revista Science un curioso artículo sobre la relación entre la cafeína y las abejas. ¿Qué es lo que se ha descubierto? Los aficionados a ir de camping habrán observado que a las abejas les encantan las latas de refrescos de bebidas con cafeína. Muchas plantas contienen alcaloides como la cafeína y la nicotina porque su sabor amargo disuade a los herbívoros, ya que en altas dosis son sustancias tóxicas. Las plantas compiten entre sí para ser elegidas por los insectos polinizadores desplegando diferentes señales visuales (como flores de vivos colores) y olfativas (como flores con olores agradables). A muchas personas nos gusta tomar café y productos con cafeína porque a bajas dosis es “gratificante” y “estimulante” ya que mejora el rendimiento cognitivo y la memoria. Un grupo de investigadores británicos liderados por el profesor Wright, del Instituto de Neurociencia de la Universidad de Newcastle, han descubierto que el néctar de algunas flores (como las del cafeto y algunos cítricos) contiene cafeína porque mejora la memoria de recompensa de las abejas. Las abejas recuerdan más y mejor las flores cuyo néctar contiene una pequeña dosis de cafeína, a pesar de tener un ligero sabor amargo.

El artículo técnico es G. A. Wright et al., “Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward,” Science 339: 1202-1204, 8 Mar 2013; recomiendo leer también a Lars Chittka, Fei Peng, “Caffeine Boosts Bees’ Memories,” Science 339: 1157-1159, 8 Mar 2013.

Cómo han realizado sus experimentos estos investigadores británicos. En este estudio se han utilizado técnicas de aprendizaje con refuerzo, como hacía el ruso Pavlov con sus perros; los oyentes recordarán que los perros de Pavlov escuchaban una campanilla cuando se les daba de comer y más tarde se ponían a salivar con sólo escuchar la campanilla. En el nuevo estudio, estos investigadores británicos han entrenado a las abejas para asociar el olor de las flores con una recompensa (una gota de sacarosa). Cuando la gota de azúcar contiene una pequeña dosis de cafeína, las abejas recuerdan el olor de la flor durante más tiempo y con mayor intensidad. Según este estudio, la cafeína refuerza las conexiones sinápticas entre las neuronas de la cabeza de la abeja que son responsables de los recuerdos a largo plazo de los aromas de las flores.

Cómo actúa la cafeína para reforzar las memoria de las abejas según estos investigadores británicos. El profesor Wright y sus colegas creen que los efectos observados de la cafeína en la memoria a largo plazo de las abejas se deben a que bloquea los receptores de un neurotransmisor llamado adenosina. Los receptores olfativos de las abejas se encuentran en sus antenas y están conectadas con unas neuronas llamadas lóbulos antenales. Estas neuronas a su vez están conectados con otras neuronas llamadas células de Kenyon que están en una región de su cabeza de la abeja llamada cuerpo pedunculado. La cafeína aumenta la excitabilidad de las células de Kenyon y refuerza las sinapsis químicas que utilizan como neurotransmisor la acetilcolina; hay que recordar que todas las mañanas nos despierta una lluvia de acetilcolina en nuestro encéfalo. La cafeína hace que nos mantengamos despiertos y no nos entre sueño porque es una antagonista de la adenosina, que es un neurotransmisor que relaja la actividad neuronal produciendo la sensación del sueño. En las abejas, la cafeína refuerza las conexiones sinápticas entre las células de Kenyon y las neuronas olfativas activadas por un olor floral.

En este blog también puedes leer “La cafeína en el néctar de las flores mejora la memoria olfativa de las abejas,” 8 marzo 2013.

Lo dicho , si quieres escuchar el audio, sigue este enlace.

La cafeína en el néctar de las flores mejora la memoria olfativa de las abejas

Dibujo20130307 gustatory neurons in sensilla on the honeybee mourthparts

Los insectos polinizadores son atraídos por el sabor del néctar, que además de azúcares también contiene sustancias como la cafeína. Un nuevo artículo en Science afirma que la cafeína potencia la respuesta de las neuronas asociadas al aprendizaje olfativo y a la memoria de las abejas, actuando como un receptor antagonista de la adenosina. Aunque la cafeína tiene cierto sabor amargo, no repele a las abejas, todo lo contrario les hace recordar con más fuerza el “buen” sabor del néctar de las flores que contienen esta sustancia (como los cafetos y algunos cítricos). Para los humanos la cafeína es tóxica a altas dosis, pero a bajas dosis es “gratificante” y mejora el rendimiento cognitivo y la memoria. Me ha sorprendido bastante descubrir que estos efectos también se observan en las abejas. Quizás otros alcaloides y otras sustancias con actividad neurofarmacológica, además de repelentes para ciertos insectos, también jueguen un papel importante en la respuesta de sus polinizadores. El artículo técnico es G. A. Wright et al., “Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward,” Science 339: 1202-1204, 8 Mar 2013. Nos cuentan muchos detalles curiosos sobre las abejas Lars Chittka, Fei Peng, “Caffeine Boosts Bees’ Memories,” Science 339: 1157-1159, 8 Mar 2013.

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Por qué las baterías mantienen un potencial casi constante hasta que se descargan del todo de forma brusca

Dibujo20130303 nernst potential surface - wet galvanic cell

El término logarítmico en la ecuación de Nernst de la electroquímica permite entender por qué el voltaje de una batería se mantiene casi constante mientras se descarga y cae rápidamente al final (de ahí que muchos tengan miedo a ver el mensaje “batería baja” en un dispositivo electrónico pues indica que muy pronto dejará de funcionar). Para una pila galvánica con electrodos de hierro como cátodo, Fe3+ + e ⇄ Fe2+ (E0=0,770 V), y electrodo de cobre como ánodo, Cu2+ + e ⇄ Cu+ (E0=0,158 V), el potencial de Nernst en el cátodo es E=E0+α ln (AFe3+/AFe2+), y en el ánodo E=E0+α ln (ACu2+/ACu+); como muestra la figura (para el cátodo), la presencia del logaritmo hace que el valor de E (potencial del electrodo expresado en voltios) sea casi igual a E0 (potencial normalizado del electrodo) salvo en los momentos finales de la descarga. El valor de la constante es α=RT/(nF), donde R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta en Kelvin, n es la cantidad de electrones transferidos en la reacción, F es la constante de Faraday. Nos lo cuenta Garon C. Smith, Md. Mainul Hossain, Patrick MacCarthy, “Why Batteries Deliver a Fairly Constant Voltage until Dead,” Journal of Chemical Education 89: 1416−1420, 2012.

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Carnaval Química: El análisis de una obra de Picasso mediante tecnología de rayos X revela que utilizó pintura Ripolín

Dibujo20130210 Pablo Picasso - Still Life with Three Fish - 1946 - red dot sample taken

Hay obras de Pablo Picasso pintadas con ripolín. Este término tiene dos acepciones: “ripolín” es un pigmento blanco producido a base de caseína (leche) usado por los pintores franceses de principios del s. XX y “Ripolín” es el nombre de una compañía francesa que fabricaba pintura plástica a base de piroxilina para uso casero que nació en 1897 (en Francia fue tan popular que “ripolín” es sinómino de esmalte para pintar a brocha gorda). ¿Utilizó Picasso el esmalte Ripolín en sus obras? Los historiadores del arte parece que no se ponen de acuerdo, por ello el Art Institute de Chicago ha solicitado al Argonne National Laboratory que desvele el misterio. Han tomado cuatro muestras del tamaño de la punta de un alfiler de un cuadro de Picasso (“Naturaleza muerta con tres peces, una morena y una lima sobre fondo blanco,” 28 sep. 1946) y han verificado que está pintado con Ripolín en lugar de “ripolín” (este último obtenido de un tubo histórico de la marca fancesa Lefranc). Saber que Picasso fue uno de los primeros pintores en utilizar en sus obras pintura de brocha gorda ha requerido el uso de un sincrotrón (fuente de rayos X) único en el mundo, llamada Hard X-Ray Nanoprobe (nanosensor de rayos X duros), diseñado para el desarrollo de nuevos materiales de alto rendimiento. El artículo técnico es Francesca Casadio, Volker Rose, “High-resolution fluorescence mapping of impurities in historical zinc oxide pigments: hard X-ray nanoprobe applications to the paints of Pablo Picasso,” Applied Physics A, Published online 24 Jan 2013. Me he enterado vía Tona Kunz, “High-energy X-rays shine light on mystery of Picasso’s paints,” EurekAlert!, 6 Feb 2013.

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