Ciencia y Tecnología

Científicas extremas III. De lo gigantesco a lo nanométrico

En esta serie, presentamos a académicas chilenas que estudian fenómenos extremos. La astrofísica Javiera Rey busca exoplanetas similares a Júpiter y la física Judit Lisoni manipula átomos para crear nuevos materiales.

Javiera Rey / NASA, ESA, y G. Bacon / Judit Lisoni / Oregon State University / Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology

Por Jorge Román

Jueves 27 de septiembre de 2018

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Entre 1992 y 1995 se descubrieron los primeros planetas orbitando estrellas distintas al Sol: con esto, se confirmó la idea planteada por Giordano Bruno en el siglo XVI de que nuestro planeta no es especial, sino que es uno de los tantos miles de millones que existen en la Vía Láctea. El universo macroscópico se expandió entonces a numerosas e insospechadas posibilidades. Ahora sabemos que hay planetas gigantes como Júpiter orbitando tan cerca de su estrella que arden a miles de grados de temperatura, planetas que orbitan dos o más estrellas, un sistema de siete planetas con tres de ellos en la denominada zona habitable, un planeta hecho de diamante y grafito, planetas casi tan viejos como el universo, un planeta de color rosa...

Pero mucho antes que eso, a principios del siglo XX, la física se estaba enfrentando a la expansión del universo nanoscópico: el desarrollo de la física cuántica empezó a dar luces sobre el extrañísimo mundo de la materia a nivel atómico y subatómico. Si los exoplanetas parecían raros, resulta incomprensible pensar que la materia se comporta, dependiendo del experimento, como ondas o partículas; que los electrones pueden estar en dos lugares al mismo tiempo, y que la física macroscópica no sirve para predecir el comportamiento de la materia a escala atómica o inferior. Pero, luego de un siglo de desarrollo teórico y experimental, la teoría cuántica ha ido confirmando sus predicciones y ha añadido más hipótesis demostrables sobre el comportamiento de las partículas. Aun más, ha permitido desarrollar nuevas tecnologías y materiales que están cambiando nuestro mundo.

Las científicas que conversaron con PAUTA.cl para este episodio investigan campos separados no solo por el tamaño, sino también por los cuerpos teóricos que los sostienen. Una refleja el espacio que ocupa la Tierra en el universo, la otra manipula partículas atómicas. Ambas hacen ciencia de vanguardia en un país donde el porcentaje de mujeres que se dedica a ella disminuye proporcionalmente a medida que avanza la carrera académica: las mujeres representan el 44% de quienes completan su doctorado, pero solo son el 27% de quienes reciben un Fondecyt o Fondef, y apenas un 17% de quienes cumplen una función como directora de los centros de investigación, de acuerdo con datos de la Asociación Red de Investigadoras.

Los otros Júpiteres

El espacio, la frontera final. Hay pocos misterios más fascinantes -y más difíciles de estudiar- que el de los astros que brillan en la noche. Si a principios de la década de 1990 aún no había certeza de que hubiese planetas en otras estrellas, actualmente se ha comprobado la existencia de más de 3.800. Estos planetas que orbitan estrellas distintas al Sol, llamados exoplanetas o planetas extrasolares, alimentan la imaginación no solo de escritores y cineastas, sino también de los astrónomos que sueñan con encontrar un gemelo de la Tierra.

Javiera Rey se licenció como física, mención astronomía, por la Universidad de Valparaíso. Cuenta que sufrió discriminación de algunos docentes. También recuerda comentarios de violencia de género. Por ejemplo, viene a su memoria cuando un profesor dijo ante su atónita clase que "la intersección entre las perras y los chilenos son las mujeres". Estos episodios no mermaron su pasión por la astronomía: "Siempre quise estudiar exoplanetas y descubrir exoplanetas", dice Rey, quien se doctoró en astrofísica por la Universidad de Ginebra, Suiza. Actualmente trabaja en el Observatorio Las Campanas y dedica parte de su tiempo a la divulgación científica a través del colectivo Star Tres, que cuenta con un sitio web y un canal de YouTube.

En un principio, Rey relacionaba la búsqueda de exoplanetas con la posibilidad de descubrir vida en otros sistemas planetarios -la piedra filosofal de la astronomía-. Pero terminó estudiando los análogos a Júpiter, "los pobres que nadie quiere", dice entre risas.

Con la tecnología actual es muy difícil "ver" directamente los planetas extrasolares (aunque hay excepciones): se necesitan telescopios muy potentes y condiciones muy especiales, ya que la luz de la estrella suele opacar el brillo de los cuerpos que la orbitan. Por eso, lo que más se usa son técnicas indirectas: dos de las más comunes son el método de tránsito y el de las medidas de velocidad radial. Para la primera, se debe observar la luminosidad de una estrella y detectar variaciones en su luz, como si fuesen pequeños eclipses. Luego de observar varias veces este fenómeno y descartar otras posibilidades, los astrónomos pueden decir con certeza "ahí hay un exoplaneta".

Esta es la información que analizan astrónomos como Javiera Rey para descubrir exoplanetas. En la primera curva, los datos demuestran que hay dos cuerpos orbitando la estrella estudiada: un planeta y una enana café. Créditos: Rey et al. 2018

El método de medida de velocidad radial consiste en analizar los pequeños "bamboleos" de una estrella, que pueden explicarse por la presencia de otro cuerpo que interfiere con su fuerza gravitacional. En esta animación del European Southern Observatory (ESO) se explica en forma sencilla cómo funciona esta técnica.

En esta rama del estudio astronómico, existen los "júpiteres" (también conocidos como "análogos a Júpiter" porque tienen órbitas más largas) y los "júpiteres calientes" (de órbitas más cortas). Ambos tipos de júpiteres pertenecen a una categoría: los llamados planetas jovianos.

Los métodos de detección de tránsito y de velocidad radial favorecen el descubrimiento de los "júpiteres calientes", esos gigantes gaseosos que orbitan muy cerca de su estrella, con periodos orbitales de unos pocos días. ¿Por qué? Precisamente porque son planetas masivos y están muy cerca de su estrella: su gravedad es más fuerte, transitan con mayor frecuencia y reducen más la luminosidad. Los planetas rocosos, mucho más pequeños que los jovianos, son más difíciles de detectar, pero si orbitan cerca de su estrella se necesita poco tiempo de observación para conseguir los datos que confirmen o descarten su presencia. Así se descubrió, por ejemplo, el sistema Trappist-1, que tiene siete planetas orbitando su estrella: el más lejano tarda solo 20 días en completar su órbita. Los planetas rocosos, además, acaparan la atención de la ciencia y la prensa, ya que son los mejores candidatos a ser primos lejanos de la Tierra. Y si están en la zona habitable de su estrella, más atractivos se vuelven.

Un sistema de cuatro súper-júpiteres que tardan desde décadas hasta siglos en completar su órbita. El video fue armado con siete imágenes del sistema planetario HR 8799 tomadas en siete años. Este tipo de observaciones directas son muy difíciles de conseguir. Créditos: Jason Wang et. al.

Aunque los planetas jovianos son, teóricamente, más fáciles de detectar por su gran masa y tamaño, cuando están ubicados en órbitas lejanas se les llama análogos a Júpiter y se necesitan varios años de observación para acumular datos suficientes que demuestren su existencia. Es decir, descubrir análogos a Júpiter -planetas jovianos de largo periodo orbital- no solo es largo y tedioso, sino además poco atractivo. ¿A quién le interesa descubrir planetas incapaces de albergar vida como la conocemos?

Pues precisamente a Javiera Rey.

"Tienes que tener mucha paciencia, porque no es como los júpiteres calientes, que en tres días lo tienes listo. Tenía que esperar mucho. Y hay algunos que, en todo el largo de mi tesis, que eran cuatro años, nunca terminaron de dar la vuelta [a su estrella]. Y ahí quedaron, incompletos todavía", dice la científica. Rey trabajó con una base de datos de más de dos décadas de observación a estrellas similares al Sol para descubrir planetas jovianos con periodo orbital de 10 años. Como se trata de datos en su mayoría públicos (los cinco años más recientes permanecían privados), siempre existía el riesgo de que alguien más se le adelantara e hiciera el descubrimiento antes que ella.

Aunque los análogos a Júpiter están lejos de acaparar las portadas de prensa que tienen los planetas rocosos potencialmente habitables, son interesantes para la astronomía: aún no se tiene total claridad del papel que cumplen en la estabilidad o inestabilidad de los sistemas planetarios. Rey dice que en nuestro sistema Júpiter siempre ha sido importante, porque, al ser el más grande, "afecta la formación de otros planetas". Según muchas hipótesis, Júpiter jugó un papel relevante en la formación del cinturón de asteroides y es posible que haya expulsado del sistema solar a otro gigante gaseoso. Por ello, Rey sostiene que siempre resulta interesante descubrir si hay análogos a Júpiter en otras estrellas y averiguar la función que cumplen en su sistema.

La astrofísica propone además hipótesis que presentan a Júpiter como el "protector de los planetas que están más adentro", ya que su mayor gravedad tiende a atraer asteroides o cometas que podrían impactar contra la Tierra. Un caso muy recordado es el del cometa Shoemaker-Levy 9, que impactó contra Júpiter en julio de 1994, luego de que las enormes fuerzas de marea del planeta lo fragmentaran. Los impactos produjeron "cicatrices" que fueron visibles por meses. Apenas resulta necesario mencionar que el impacto de un cometa de ese tipo contra la Tierra habría sido catastrófico. "Recuerdo haber visto las fotos y cómo se fragmentó, y cómo chocaron como un collar de perlitas", cuenta Rey.

Antes de que se descubrieran los júpiteres calientes, la teoría de formación planetaria más aceptada postulaba que los planetas jovianos solo podían formarse lejos de su estrella. Pero este descubrimiento obligó a replantearse esta teoría o a desarrollar la hipótesis de la migración planetaria. Es decir, el planeta joviano se formaba lejos de la estrella, pero luego migraba hacia el interior hasta convertirse en un júpiter caliente. Pero también surgió "una teoría que decía que, bajo ciertas condiciones, era posible que se formaran en una órbita cercana a su estrella", dice Rey. Para encontrar la respuesta, "se deben estudiar distintos sistemas: qué características tienen, en qué se diferencia uno con el otro".

Es por ello que Rey también se dedicó a buscar sistemas planetarios con un júpiter caliente y un análogo a Júpiter. Y descubrió algo muy parecido a esto: un sistema planetario con un júpiter caliente y una enana café de periodo orbital más largo (las enanas café son "estrellas fallidas", cuerpos mucho más masivos que un planeta joviano, pero incapaz de generar las reacciones nucleares que la convertirían en una estrella). En este caso, Rey dice que la hipótesis más probable es que la enana café haya hecho migrar al planeta joviano a través de su influencia gravitatoria hasta convertirlo en un júpiter caliente.

Además, y como "subproducto" de sus investigaciones, de pronto descubrió algunos planetas adicionales por casualidad. De hecho, dice que su primer artículo publicado es sobre un planeta joviano con un periodo de 1,7 años, que tiene la gracia de ubicarse en la zona habitable de su estrella. Aunque un planeta joviano no tiene potencial astrobiológico conocido, "cualquier luna que tenga a su alrededor también va a estar en la zona habitable", dice Rey. Los planetas gigantes suelen tener un número importante de satélites naturales (a Júpiter le han descubierto 79, a Saturno 62), por lo que no resulta descabellado imaginar que alguno de ellos tenga una atmósfera densa y un campo magnético que lo proteja de las tormentas solares y los rayos cósmicos. "En términos de habitabilidad [...] no hay que llegar y descartarlos", dice la astrofísica.

Tecnología del tamaño de un átomo

Hace más de 100 años, mientras Einstein desarrollaba casi en solitario su famosa teoría de la relatividad -que revolucionó nuestra forma de entender el tiempo, la luz y el espacio-, decenas de físicos se quedaban pasmados a medida que analizaban el comportamiento de la materia a escala nanoscópica. Muchas de las grandes mentes de la ciencia de principios del siglo XX (el mismo Einstein, Planck, Bohr, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Fermi, entre muchas otras) contribuyeron al desarrollo de una teoría que plantea que, a nivel cuántico -es decir, al nivel del tamaño de un átomo individual o más pequeño aun-, la materia se comporta de maneras impredecibles por la física macroscópica.

"A nivel atómico, el oro se oxida y sirve como catalizador", explica Judit Lisoni, profesora titular del Instituto de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Facultad de Ciencias de la Universidad Austral. Oro líquido a temperatura ambiente, cobre transparente, aluminio combustible, silicona como conductora de electricidad... Todas estas son propiedades que solo son posibles cuando se experimenta con la materia a nivel atómico. La física descubrió que, a escala cuántica, los experimentos siempre obtendrán resultados diferentes, pero no por falta de precisión de los instrumentos utilizados o por ignorancia de los científicos: este funcionamiento en base a probabilidades es algo fundamental de la mecánica cuántica. A Einstein -cuyo trabajo ayudó al desarrollo de la teoría- la idea le pareció tan abominable que, en una carta dirigida a su colega Max Born, lanzó su célebre frase: "Usted cree que Dios juega a los dados". Se armó lo que después sería conocido como el Debate Bohr-Einstein entre Niels Bohr y Albert Einstein, ya ganadores ambos en años sucesivos del Premio Nobel de Física. Fue Bohr quien resumió estas discusiones académicas en un paper.

Una lámina de oro vista a través de un microscopio de efecto túnel: los átomos individuales son visibles. El oro tiene un color rojo-anaranjado a esta escala. Imagen de Erwinrossen etiquetada como dominio público.

Pero, a medida que se fueron desarrollando nuevos instrumentos, la física cuántica demostró una y otra vez que estaba en lo cierto. Además, sus predicciones teóricas son muy precisas y han permitido el desarrollo de tecnologías que han cambiado radicalmente el mundo: la energía nuclear, el láser y la imagenología médica son solo algunas de ellas. Aun así, la tecnología para manipular átomos y moléculas a nivel individual tardó tiempo en desarrollarse: en 1959, el legendario físico Richard Feynman postuló por primera vez la idea de manipular átomos en forma individual. Esto solo se consiguió en 1989, un año después de la muerte del físico, cuando IBM consiguió escribir el nombre de la empresa usando 35 átomos de xenón manipulados con un microscopio de efecto túnel en un vacío absoluto a -268 °C (la temperatura necesaria para mantener inmóviles los átomos). Décadas más tarde, la misma IBM consiguió filmar la película más pequeña del mundo: el cortometraje "Un niño y su átomo", que se hizo manipulando átomos y capturando su movimiento con la técnica stop-motion:

La manipulación de partículas a ese tamaño tiene, por supuesto, aplicaciones mucho más interesantes que hacer publicidad que solo puedan ver los átomos: la creación de nuevos materiales con propiedades inimaginables en el pasado. De hecho, esta tecnología, los nanomateriales, ya está cambiando el mundo que nos rodea: se usa para conservar los alimentos, para frenar el desarrollo de bacterias en la ropa, para bloquear los rayos ultravioleta, para camuflar vehículos militares... Uno de los nanomateriales que más prensa ha acaparado es el grafeno, una forma artificial en la que se presenta el carbono (tal como el grafito y el diamante son formas naturales del mismo elemento). Mucho más resistente, liviano y flexible que el acero, el grafeno podría servir para la construcción de todo tipo de artefactos tecnológicos, desde computadores hasta aviones, y se está estudiando su uso en baterías para mejorar su duración y reducir el tiempo de carga.

Las promesas a futuro de los nanomateriales son aún más variadas: una tinta que funciona como células fotovoltaicas, nanotubos de carbono que transporten fármacos, nanorrobots para atacar tumores, aerogeles antimicrobianos son solo algunas de las aplicaciones potenciales que ofrece la manipulación de átomos y moléculas individuales. Y son este tipo de investigaciones las que realiza Lisoni en un laboratorio de la Universidad Austral, en Valdivia.

"Experimentamos con átomos y moléculas para descubrir su comportamiento y ahora estamos desarrollando nuevas reacciones químicas", dice Lisoni, quien es además directora del Núcleo Milenio para Materiales Multifuncionales para la Ciencia Aplicada de Superficies (Multimat). En una charla dictada por la misma Lisoni, explica que si el Nevado Ojos del Salado (casi 6.900 m de altura) equivaliera a un milímetro, ella estaría manipulando materiales del tamaño de un glóbulo rojo (7.000 nm): esa es la escala nanométrica. Un virus mide entre 30 y 100 nm y un átomo de hidrógeno (el tipo de material que puede manipular) mide 0,1 nm.

Una de las primeras aplicaciones de los nanomateriales fue la micronización de los componentes tecnológicos, explica Lisoni. Así, si en 1971 los transistores medían 10.000 nm, en 2011 ya se habían construido transistores de 22 nm. Es decir, transistores más pequeños que un virus: un teléfono inteligente puede tener mil millones de transistores comunicándose entre ellos.

Ella empezó trabajando en el desarrollo de memorias no volátiles (como las que usan las tarjetas de memoria para teléfonos y cámaras digitales) y, actualmente, se encuentra investigando nuevas tecnologías, como sistemas superficiales nanoestructurados para baterías de ion litio e incluso nuevas reacciones moleculares que permitan extraer el litio provocando menos contaminación. "Tenemos esta riqueza que es el litio, pero lo vendemos casi sin procesar y dañamos el medioambiente cuando se extrae", dice Lisoni.

Aunque la nanotecnología suena a ciencia ficción, hay efectos de nanotecnología presentes en la naturaleza. Lisoni cuenta que, por ejemplo, las flores de loto, muy comunes en los humedales de Valdivia, tienen hojas hidrofóbicas, es decir, que no se mojan con el agua, sino que la suspenden convirtiéndolas en gotas. La fotosíntesis también es un proceso natural a nivel nanométrico que transforma el dióxido de carbono, el agua y la energía solar en oxígeno y alimento para los vegetales, las algas y las cianobacterias. De hecho, una de las investigaciones en desarrollo en esta área consiste en generar fotosíntesis artificial que permita reducir el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera y, a partir de esto, producir combustibles como metano o alcoholes.

Las posibilidades de la nanotecnología son tantas y tan variadas, que la Universidad Austral ha invertido muchos recursos para el laboratorio en el que trabaja Lisoni. En noviembre de este año se realizará el Quinto Congreso Nacional de Nanotecnología, donde se abordarán las numerosas áreas de aplicación que tiene esta disciplina y hasta se organizará un concurso de "nanoarte". "Aquí está la verdadera innovación y es algo que se puede hacer en Chile: la ingeniería en nanotecnología".

El trabajo en nanotecnología requiere de instrumental complejo, como este microscopio de efecto túnel. Créditos: UCL Mathematical and Physical Sciences.

¿Cuál es el futuro de la nanotecnología? Lisoni cree que, más que reducir el tamaño de la tecnología y manipular partículas cada vez más pequeñas, el siguiente desafío es reproducir algunos procesos de la naturaleza. Piensa que un siguiente paso es "tratar de controlar a diferentes escalas un mismo proceso. O sea, trabajar en el control a nivel del átomo, pero trabajar también al nivel de cientos de átomos, después de miles de átomos". Es decir, controlar varios procesos complejos a la vez. Eso, plantea Lisoni, debiera ser el futuro de la nanotecnología.

De lo gigantesco a lo ínfimo. Descubrir cómo es posible la existencia de la Tierra o desarrollar tecnología revolucionaria a partir de un puñado de átomos. Ciencia básica y ciencia aplicada. En Chile hay mentes brillantes y comprometidas con sus disciplinas que desarrollan ciencia de punta pese a que el presupuesto nacional en esta área se ha estancado y pese a las barreras impuestas a muchas mujeres. Tal como explicó en PAUTA.cl el doctor en microbiología por la Universidad de Santiago y la Universidad de Chile Fernando Valiente, impulsar investigaciones científicas de punta "no es un problema de los científicos, sino que este es un problema de todos los chilenos".

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