PRENSA. "Una bacteria modificada convierte la energía del Sol en combustible líquido"

   En "El País":

BIOTECNOLOGÍA

Una bacteria modificada convierte la energía del Sol en combustible líquido

Científicos de EE UU logran almacenar el inagotable poder energético solar en un alcohol

• Una bacteria que vive entre heces desafía a los amos del petróleo

MANUEL ANSEDE 9 FEB 2015 

El químico estadounidense Daniel Nocera. / HARVARD GAZETTE

Almacenar la inagotable energía del Sol, sometida a los vaivenes de las nubes y del día y la noche, está más cerca. Investigadores de la Universidad de Harvard (EE UU) han concebido un sofisticado sistema que utiliza una bacteria modificada genéticamente para convertir la energía solar en un combustible líquido. El enfoque, si confirma su rentabilidad, ayudaría a afrontar el desafío energético y a luchar contra el cambio climático.

Los investigadores, encabezados por el químico estadounidense Daniel Nocera, han utilizado la energía del Sol para obtener hidrógeno del agua (formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno). Con este hidrógeno, la bacteria modificada, de la especie Ralstonia eutropha, es capaz de convertir CO2, el principal gas responsable del calentamiento global, en un alcohol combustible, el isopropanol. Al ser líquido, podría ser transportado mediante las infraestructuras actuales, subrayan los autores.

Nocera lleva años acariciando una revolución energética planetaria. En 2009, fue considerado una de las 100 personas más influyentes del mundo por la revista Time como reconocimiento a sus avances hacia combustibles inspirados en la fotosíntesis de las plantas.

Al ser líquido, el combustible podría ser transportado mediante las infraestructuras actuales

“Las células fotovoltaicas tienen un considerable potencial para satisfacer las futuras necesidades de energía renovable, pero se necesitan métodos eficientes y escalables para almacenar la electricidad intermitente que producen y poder implantar la energía solar a gran escala”, explican los autores hoy en la revista científica PNAS. Su sistema podría ser ese anhelado almacén de energía solar.

Otros equipos científicos han llegado a métodos similares, pero han necesitado acelerar las reacciones químicas con metales preciosos, como el platino y el indio, disparando los costes. El equipo de Nocera emplea como catalizadores metales abundantes en la Tierra, como el cobalto, logrando un rendimiento que triplica el de los mejores combustibles bioelectroquímicos existentes, logrados por sistemas parecidos. Para los autores, es “una importante prueba de concepto”.

"Todavía no vamos a utilizar este sistema en nuestros coches. De momento, es solo un descubrimiento científico. Ahora tenemos que mejorar las ineficiencias para que sea comercial, aunque ya somos tan eficientes, o más, que la fotosíntesis natural", señala Nocera.

Ninguna empresa se ha interesado todavía por el nuevo sistema. El año pasado, la multinacional estadounidense Lockheed Martin, un gigante de la industria aeroespacial y militar, compró uno de los anteriores productos del laboratorio de Nocera: una especie de hoja artificial que utiliza la energía solar para separar el hidrógeno y el oxígeno del agua. El hidrógeno también se puede emplear como combustible, aunque hay pocas infraestructuras para facilitar su uso.

Hace dos años, científicos de la Universidad de Exeter (Reino Unido) y de la petrolera Shell modificaron los genes de otra bacteria, la Escherichia coli, para que fabricara diésel a partir de ácidos grasos. El biocombustible, prometedor, también se enfrenta ahora a desafíos para su comercialización, como su abaratamiento. En 2013, producir un litro costaba miles de euros.

PRENSA. CIENCIA. Sobre los premios Nobel de ciencias 2011 (2). Química. Por Juan Manuel García Ruiz

Daniel Shechtman

   En "El País":
NOBEL DE QUÍMICA
Cuasicristales, osadía, tesón y belleza

JUAN MANUEL GARCÍA RUIZ 12/10/2011
  
   Un sorprendente descubrimiento sobre el universo y su dinámica, las claves del sistema inmunitario y una simetría de cristales que tiró por tierra las teorías vigentes, merecen este año los galardones de mayor prestigio en ciencias. Cinco especialistas españoles explican los méritos de sus distinguidos colegas en física, química y medicina.

   Belleza es sinónimo de simetría, de orden, y de eso va la cristalografía. Los cristales no son otra cosa que apilamientos ordenados de pedacitos idénticos de materia (átomos, moléculas, macromoléculas ...). No vemos ese orden íntimo porque esos pedacitos de materia son demasiado pequeños para nuestros ojos, e incluso para nuestros microscopios, pero podemos reconocer el resultado de ese orden regular en las subyugantes y angulosas formas externas de los cristales. Y podemos notarlo a diario por las propiedades derivadas de ese orden interno: en alimentos que comemos, en medicinas que tomamos, en dispositivos tecnológicos que usamos, o en los huesos que nos mantienen erguidos. Casi todo está basado en cristales.
   ¿Cuántos tipos de cristales existen? Es decir, ¿de cuantas formas distintas puede ordenarse la materia? Aunque parezcan ilimitadas, lo cierto es que son muy pocas las opciones para rellenar ordenadamente un espacio repitiendo periódicamente una misma pieza. Por ejemplo, si queremos rellenar una superficie lo podemos hacer con rectángulos, con triángulos, con cuadrados o con hexágonos, pero no con pentágonos. Por eso no venden losetas pentagonales, o si las venden, se combinan con los rombos necesarios para rellenar los inevitables huecos entre pentágonos. Desde el siglo XIX, la cristalografía goza de una preciosa demostración de que hay únicamente 17 formas distintas de alicatar una superficie, formas que se pueden disfrutar visitando la Alhambra, ya que eran conocidas por los geómetras árabes. Y también se demuestra que sólo existen 230 formas distintas de empaquetar periódicamente un volumen con unidades idénticas. Ni una más, ni una menos.
   Los cristalógrafos comprobamos ese orden cuando iluminamos un cristal con un haz de electrones, neutrones o rayos X. Entonces el cristal genera (difractando la luz) bellas constelaciones de puntos que muestran la simetría del ordenamiento. Y siempre esas constelaciones coinciden, como manda la teoría, con una de las 230 formas distintas de empaquetamiento. Siempre con simetría de orden uno, dos, tres, cuatro o seis. Nunca con ejes de rotación de orden cinco, ni más de seis.
   Hace 29 años, durante una estancia sabática en Estados Unidos, el israelí Daniel Shechtman realizaba uno más de los estudios de difracción que se hacen a diario, cuando observó que su constelación de puntos tenía una simetría de orden cinco: ¡pentágonos! Un científico que no mereciera un Nobel habría pensado que había cometido un error, y se hubiera olvidado de ello. Dan Shechtman no. Lo revisó una y otra vez y se lo contó a sus colegas de laboratorio. Ellos le dijeron que eso era imposible y que él debería saberlo. Repitió los experimentos, comprobó una y otra vez los resultados y trató de publicarlos sin éxito. Los publicó dos años después con ayuda de otros colegas.
   Les asaetearon con duras críticas, incluyendo la de cristalógrafos y químicos tan excelsos como Linus Pauling, dos veces laureado con el Nobel. ¡Cómo iba a ser errónea una teoría cerrada y probada durante más de un siglo! Le resultó difícil seguir investigando, pero no cejó en el empeño.
   Más tarde, otros colegas descubrieron muchos más casos similares que también rompían la simetría canónica de la cristalografía. La explicación estaba en algo que los matemáticos habían encontrado unos años antes: que las superficies y los volúmenes pueden rellenarse completamente siguiendo pautas regulares pero no necesariamente, periódicamente perfectas. Por ejemplo, pueden hacerlo con simetría de dilatación, siguiendo pautas como la serie de Fibonacci, ligada al famoso número de oro, para algunos el canon geométrico de belleza.
   Lo que Shechtman había encontrado eran los primeros materiales que -contra todo pronóstico- estaban ordenados cuasi periódicamente, es decir, los cuasicristales. Ya se le busca a este descubrimiento aplicaciones como materiales antiadherentes, aislantes y en la fabricación de aceros de alta tecnología. Pero eso cuenta poco en este caso. Lo que importa es que la tenacidad de este israelí ha roto una teoría considerada cerrada, intachable e intocable, mostrando que aún le queda larga vida a la cristalografía y que el mundo que tenemos ahí afuera, cada vez se revela menos discreto, menos compartimentado y clasificable y más continuo de lo que parecía.
   Este Nobel de Química es un premio a la mera curiosidad, el motor de todo descubrimiento. Y también una llamada de atención para los jóvenes científicos. Como el propio Shechtman aconseja, "si encuentras algo radicalmente nuevo, defiéndelo". Te lloverán las críticas, y serán más duras cuanto más heterodoxo sea tu hallazgo. Si estás en lo cierto, al final te darán la razón. Y si no, todos habremos aprendido mucho en el camino.

   Juan Manuel García Ruiz es investigador del CSIC y director del Master on Crystallography and Crystallization del CSIC y la Universidad Internacional Menéndez Pelayo.

RECURSO DIDÁCTICO. "La tiza virtual": LENGUA, QUÍMICA, FRANCÉS, LITERATURA, INFORMÁTICA, FÍSICA.

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Gracias a Virginia Molina.

PRENSA. CIENCIA. FÍSICA. QUÍMICA. "Hay otros mundos posibles", por Javier Sampedro

Reportaje aparecido en "El País", el domingo 17 de enero:

Hay otros mundos posibles


La idea de que las leyes físicas están finamente ajustadas para permitir la vida es errónea. Otros universos muy distintos serían también habitables.

JAVIER SAMPEDRO

Los físicos llevan décadas perplejos por la inverosímil precisión con que parecen ajustadas las constantes fundamentales de nuestro cosmos. Por ejemplo, bastaría aumentar en un 0,2% la masa del protón para que fuera imposible construir un solo átomo. Sin átomos no habría estrellas ni planetas, ni por tanto seres vivos. De modo similar, si la fuerza que mantiene unido el núcleo de los átomos (la fuerza nuclear fuerte, para distinguirla de la débil) tuviera una magnitud ligeramente diferente, las estrellas no habrían podido cocinar el carbono en que se fundamenta toda la materia orgánica.
Otras constantes físicas también parecen tener el valor adecuado, dentro de unos márgenes muy estrechos, para permitir la evolución de la vida. Entre ellas están la vida media del neutrón, la masa del electrón o la magnitud de la gravedad y las demás fuerzas fundamentales de la naturaleza. Parecemos vivir en el único universo habitable. Los físicos suelen llamar a esta idea el "principio antrópico", un nombre no sólo confuso, sino casi cabalístico.
Es curioso que el primer científico en utilizar un argumento antrópico de ese tipo no fuera un físico, sino un naturalista, y más curioso aún que se tratara de Alfred Russell Wallace, codescubridor junto a Darwin de la evolución por selección natural. Wallace escribió en 1904: "Es posible que un universo tan enorme y complejo como el que vemos a nuestro alrededor sea un requerimiento absoluto para producir un mundo adaptado en todo detalle para que la vida se desarrolle ordenadamente y culmine en el hombre".
Pero todos estos argumentos se basan en cálculos que modifican una sola constante fundamental, dejando igual todas las demás. Los estudios de Alejandro Jenkins, de la Universidad Estatal de Florida, y Gilad Perez, del Instituto Weizmann en Rehovolt, Israel, muestran ahora que las cosas son muy diferentes si se alteran varias constantes a la vez.
Según estos físicos, hay muchos otros conjuntos de leyes físicas que son compatibles con la vida. Es decir, que hay otros universos posibles que son también habitables. Jenkins y Pérez han presentado sus teorías en Physical Review D (agosto de 2006 y marzo de 2009) y Scientific American (enero de 2010).
Un caso muy notable son los universos sin fuerza nuclear débil (o universos weakless, como ellos los llaman), una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física junto a la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear fuerte mencionada antes. La fuerza débil es responsable de la radiactividad, lo que incluye la conversión de protones en neutrones (que emite radiación).
La fuerza débil fue necesaria poco después del Big Bang para que los primitivos grupos de cuatro protones se convirtieran en átomos de helio, formados por dos protones y dos neutrones. Pocas cosas parecen tan poco negociables en la física.
Sin embargo, Pérez y su equipo han diseñado un universo con sólo tres de las fuerzas fundamentales, eliminando por completo la fuerza nuclear débil. Aunque ello requiere ajustar varios parámetros del modelo estándar de la física de partículas, el resultado es que las tres fuerzas restantes se comportan igual que en nuestro universo.
También la masa de los quarks es la misma. Los quarks son las partículas elementales que constituyen a los protones y los neutrones, y por tanto a todos los núcleos atómicos. En el universo sin fuerza débil de Pérez, los núcleos de helio se construyen de otra forma (a partir de la fusión de dos tipos de hidrógeno). Pero forman estrellas de todos modos, que es de lo que se trata.
Las estrellas vivirían menos (nuestro Sol estaría ya hacia el final de su vida) y brillarían menos, por lo que la Tierra tendría que estar seis veces más cerca del Sol, y éste les parecería enorme a sus habitantes. Pero el caso es que podría haber habitantes.
Los movimientos de los continentes y la actividad volcánica se deben también a la desintegración radiactiva del uranio subterráneo, luego en el universo de Pérez no habría nada de eso. Sin embargo, la química sería muy similar a la nuestra, si bien "la tabla periódica sólo llegaría hasta el hierro", como dice el físico.
Una solución a la paradoja del principio antrópico ha sido propuesta por el físico teórico Lee Smolin, del Perimeter Institute de Waterloo (Canadá). Consciente de que la selección natural de Darwin (y Russell) es una teoría capaz de generar diseños sin necesidad de un diseñador, Smolin ha tomado prestada la idea para eliminar la necesidad de diseño que parece implicar el principio antrópico.
Muchas estrellas acaban sus días colapsándose para formar un agujero negro, y de cada agujero negro -propone Smolin- puede surgir un nuevo universo con unas leyes físicas similares, aunque no idénticas, a las del universo anterior.
Si esas leyes son incompatibles con la formación de estrellas, el nuevo universo se habrá quedado sin gónadas: no hay estrellas, no hay agujeros negros, no hay nuevos universos hijos. Los universos que mejor se reproducen son, por definición, los que tienen las leyes físicas más adecuadas para la formación de estrellas, y por tanto de seres vivos.
Naturalmente, esta idea implica que existen innumerables universos. Pero esto es algo que muchos físicos creen probable de todos modos, y por otras razones. Esta línea de pensamiento arranca de otra paradoja: el gato de Schrödinger.
El gran físico Erwin Schrödinger ideó esta paradoja porque, al igual que Einstein, no podía creer que Dios jugara a los dados con el mundo. Un gato está encerrado en una caja junto a un trocito de uranio radiactivo. Un átomo de uranio puede desintegrarse, pero no hay forma de predecir cuándo. Todo lo que la física cuántica nos permite saber es cuál es la probabilidad de que se desintegre en un plazo dado: digamos, por ejemplo, que hay una probabilidad del 50% de que cualquier átomo del trocito de uranio se desintegre en el próximo segundo.
En la caja hay un contador Geiger (capaz de detectar las partículas alfa de la desintegración) conectado a un martillo suspendido sobre una ampolla de gas mostaza. Si a cualquier átomo de uranio le da por desintegrarse en el próximo segundo, adiós gato. Pero, hasta que no abramos la caja, no tenemos forma de saber si el gato está vivo o muerto. Sólo sabemos que hay una probabilidad del 50% de que esté vivo y otra del 50% de que esté muerto.
Pero, según la física cuántica, el átomo de uranio está 50% intacto y 50% desintegrado a la vez. Luego el gato está 50% vivo y 50% muerto a la vez. Por supuesto, al abrir la caja veremos que el gato está vivo, o que está muerto. Y si está vivo, ¿dónde está el 50% de gato muerto que coexistía con él hasta que abrimos la caja? Para Schrödinger, esta consecuencia absurda de la interpretación probabilística del mundo subatómico demostraba que esa interpretación era incorrecta. Dios no juega a los dados.
El físico alemán Dieter Zeh, sin embargo, se dio cuenta en 1970 de que había una trampa en la paradoja de Schrödinger. El estado mágico en el que las probabilidades se superponen (ese gato que está 50% vivo y 50% muerto simultáneamente) existe, pero es muy frágil. Una simple molécula de aire que choque con el gato basta para destruir la magia. El gato vivo-muerto se ramifica en un gato vivo y un gato muerto que ya no se pueden comunicar entre sí.
Pero, una vez perdida la coherencia, ¿dónde están los dos gatos, el vivo y el muerto? El estudiante Hugh Everett III propuso la solución en 1957, al leer su tesis doctoral: ambos gatos existen, pero en dos universos paralelos. En el primer universo, tú abres la caja, ves el gato muerto y te preguntas dónde está el gato vivo. En el otro, ves el gato vivo y te preguntas dónde está el gato muerto.
"En esta misma habitación", escribe el físico teórico Michio Kaku, "coexisten mundos donde los alemanes ganaron la II Guerra Mundial, donde los extraterrestres nos han visitado desde el espacio exterior, donde usted no ha nacido". Otro físico, Frank Wilczek, añade: "Una infinidad de copias levemente diferentes de nosotros mismos están por ahí viviendo sus vidas paralelas, y en cada momento surgen nuevos duplicados que van ocupando nuestros muchos futuros alternativos".
El núcleo atómico se compone de protones y neutrones, que a su vez están hechos de quarks. El protón y el neutrón tienen masas muy similares, pero no idénticas: el neutrón es un 0,1% más pesado que el protón. Ese porcentaje se puede alterar (imaginariamente) jugando con las masas de los quarks, y así lo ha hecho el equipo de Jenkins.
Si la diferencia de masas creciera levemente, desaparecerían los átomos fundamentales para la química orgánica, como el carbono y el oxígeno. Y si la situación se invirtiera, haciendo al protón más pesado que el neutrón, ni siquiera existiría el átomo más simple, el hidrógeno, con un solo protón y ningún neutrón. Ésta es una manifestación más del principio antrópico.
Pero, nuevamente, hay múltiples salidas que nadie había considerado hasta ahora. Cada elemento químico existe en varias formas, o isótopos, todos con el mismo número de protones, pero con algunos neutrones más o menos. El hidrógeno, por ejemplo, siempre tiene un solo protón, pero puede contener además un neutrón (se llama entonces deuterio) o dos (tritio). El hidrógeno común no tiene ninguno.
Y esos dos isótopos pesados del hidrógeno sí serían estables en un intervalo de condiciones más amplio. Lo mismo vale para algunos isótopos del carbono y el oxígeno. Según los cálculos de Jenkins, la relación de masas entre el protón y el neutrón no sólo puede crecer 20 veces respecto a nuestro universo (del 0,1% hasta el 2%), sino incluso invertirse hasta que el protón pese un 1% más que el neutrón. En todos esos universos habría formas estables del hidrógeno, el carbono y el oxígeno.
¿Quiere decir eso que podría haber vida? Jenkins y Pérez creen que sí, aunque no sería exactamente la vida que conocemos. Los océanos, por ejemplo, estarían hechos de agua pesada (la versión del H2O en que los dos H son deuterio o tritio). Pero nada de esto parece un obstáculo insalvable para la evolución biológica.
La historia de la ciencia ha implicado hasta ahora nuestra expulsión progresiva del paraíso, o del centro geométrico de la creación. Copérnico y su modelo heliocéntrico son un caso bien conocido de expulsión, pero también frustrado en cierta medida, porque el paraíso se reencarnó enseguida en la forma de un sistema solar que abarcaba el universo entero.
Cuando se pudieron calcular las distancias a las estrellas, quedó claro que la creación era miles de veces mayor que nuestro sistema solar, pero entonces fue la Vía Láctea, nuestra galaxia, la que ocupó todo el cosmos. En las primeras décadas del siglo XX, los astrónomos descubrieron con perplejidad que ciertos objetos celestes, las nebulosas, eran en realidad galaxias enteras y verdaderas, pero todo el mundo supuso entonces que la Vía Láctea era la mayor y principal entre todas ellas.
Ahora que vivimos en un arrabal perfectamente vulgar de un cosmos tan enorme que ni la imaginación puede abarcarlo, sólo el propio cosmos puede ser especial, y por eso el principio antrópico se puede ver como la última reencarnación del paraíso. Pero la historia de la ciencia se repite. Parecemos condenados a ser cada vez menos especiales.

QUÍMICA. Formulación y nomenclatura de química inorgánica y orgánica

José Carlos Alonso es profesor de Física-Química en un instituto gallego. En esta página ofrece la formulación y nomenclatura de química inorgánica y orgánica, además de muchos vídeos científicos.

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CIENCIA. INVESTIGACIÓN. Imágenes científicas

En esta página, el Parque de las Ciencias de Granada promete miles de imágenes de ciencia e investigación para utilizar libremente, sobre todo en temas educativos. Las hay de asuntos como agroalimentación, ciencias de la vida, química y tecnologías.

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El amor es química... y algo de amistad

La antropóloga Helen Fisher, de la Universidad de Rutgers en Nueva Jersey, se basa en sus experimentos de imagen cerebral (por resonancia magnética funcional) y en el resto de la evidencia disponible para defender una definición tripartita del amor. Primero el impulso sexual indiscriminado, una fuerza autónoma que desata la búsqueda de pareja en cualquier acepción del término; luego la atracción sexual selectiva; y por último el cariño, el lazo afectivo de larga duración que sostiene a las parejas más allá de la pasión.
Son tres procesos cerebrales distintos, pero interconectados. Y tienen una profunda raíz evolutiva común, porque su balance controla la biología reproductiva de las especies.

El fragmento anterior es parte del reportaje que Javier Sampedro firma hoy en "El País", y que podemos leer completo aquí