10 PROYECTOS PARA EL FUTURO CERCANO

El famoso Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha publicado su informe anual TR10. En él se muestran los diez avances tecnológicos que empezarán a despuntar en 2014. Según el MIT, estos inventos dejarán huella a partir de este año, ya que resuelven problemas actuales, o crean nuevas formas de utilizar la tecnología.

Drones agricultores

Según el MIT los drones para la agricultura son una tecnología rompedora que permite aumentar la producción de las cosechas sin provocar daños, hacer un seguimiento del cultivo, mejorar el consumo de agua y gestionar las plagas gracias a las cámaras incorporadas. Una de las actividades humanas más antiguas entra a pasos agigantados en la era tecnológica.

Smartphones ultraprivados

En una época donde la comunicación lo es todo gracias a internet, estos teléfonos móviles revelan la mínima cantidad de información de sus usuarios para que gobiernos y anunciantes no consigan sus datos.

Mapa del cerebro

Los científicos están consiguiendo niveles de detalle en el mapa en 3D del cerebro de 20 micrómetros de resolución. El Proyecto Europeo del Cerebro Humano ha conseguido superar en 50 veces la precisión anterior, si sigue así proporcionará a los neurocientíficos una guía que servirá para entender mejor la complejidad del cerebro.

Chips neuromórficos

Estos microprocesadores actúan como “pequeños cerebros” para mejorar la inteligencia artificial de los dispositivos digitales. Muy posiblemente sustituirán a los chips tradicionales empleados hasta hoy.

Impresión 3-D a microescala

Esta tecnología se basa en un tipo de proceso como la impresión 3-D y utiliza múltiples materiales para crear objetos tales como tejidos biológicos para reparar los vasos sanguíneos. Este podría ser el primer paso hacia la fabricación de órganos artificiales.

Edición del genoma

Uno de los avances más controvertidos es éste. Esta herramienta permite modificar el genoma para crear primates con mutaciones específicas y estudiar de otra manera los desórdenes cerebrales y otras enfermedades humanas.

Colaboración móvil

Se trata de que los smartphones y las tabletas tengan un software útil para realizar tareas en equipo. Como por ejemplo, servicios para poder editar documentos en conversación con otros usuarios, sin necesidad de recurrir al correo electrónico. Un paso más hacia una comunicación más rápida y efectiva.

Oculus Rift

Dispositivos de realidad virtual (uno de los campos donde se esperan mayores avances) de gran calidad que ya empiezan a ser lo suficientemente baratos para el mercado de consumo particular. Son unas "gafas" que darán lugar a nuevas formas de entretenimiento y comunicaciones.

Robots ágiles

Unos autómatas con la capacidad de caminar y correr en terrenos desiguales, a los que otras máquinas con ruedas no pueden llegar. Unas características que le permitirán adentrarse a lugares dónde la vida humana estaría expuesta y en riesgo. Sus aplicaciones son prácticamente infinitas, desde prospecciones en el fondo del mar a la desarticulación de bombas.

Energías eólica y solar inteligentes

De la combinación del Big Data y la Inteligencia Artificial se está consiguiendo obtener predicciones meteorológicas cada vez más fiables, lo que provocará un mejor uso de las energías renovables, como la solar y eólica.

LA QUÍMICA DE LA VISIÓN

Los átomos pueden unirse entre sí mediante enlaces sencillos, dobles o triples. La existencia de dobles enlaces entre átomos de carbono y su rigidez hace posible que leas esta entrada de blog. El proceso de la visión es muy complejo pero vamos a intentar simplificarlo al máximo.

Podemos decir, de una manera muy simplificada, que el ojo humano es una esfera con una abertura en la parte frontal. Por esta apertura penetra la luz hasta el fondo del ojo que está recubierto por unas células en forma de conos y bastoncillos. Cada ojo tiene 7 millones de conos que se encargan de detectar los colores y 120 millones de bastoncillos que se encargan de detectar la luz blanca. Las moléculas de la visión se encuentran en la superficie de conos y bastoncillos, siendo la rodopsina la que tiene un papel fundamental.

La rodopsina está formada por dos partes:

- Una proteína, denominada opsina.

- Un aldehido, denominado retinal.

La molécula de retinal puede adoptar dos formas isómeras denominadas cis y trans. Como isómeros que son, tienen la misma fórmula molecular y solo se diferencian en la distribución espacial de los sustituyentes del doble enlace situado en el carbono número 11. Cuando la rodopsina absorbe luz, el retinal se isomeriza a su forma trans, que tiene la propiedad de separarse de la opsina.

Cuando las dos partes de la rodopsina se separan, el color rojo púrpura de la rodopsina desaparece y esto hace que la célula a la que estaba unida la rodopsina excite a otras células que mandan un mensaje al cerebro. En condiciones normales es necesario que se exciten unas cinco células para provocar la sensación de visión. Por tanto, se necesitan 5 fotones para estimular el ojo.

Todo este proceso vuelve a su posición inicial a través de otro conjunto de reacciones. Pero el proceso inverso es algo más lento, y por ello, la imagen formada en la retina perdura una décima de segundo (aproximadamente). Esta persistencia de la imágenes es la que nos hace percibir en movimiento las imágenes del cine cuando en realidad no son más que una secuencia de fotografías estáticas tomas a intervalos de tiempo de un treintavo de segundo.

Durante la regeneración de la opsina se pierde parte de retinal que necesita ser reemplazado por vitamina A de la corriente sanguínea, que hace de ésta una sustancia clave de la salud visual.

Ahora, vista la parte química de la cuestión dediquemos unos minutos a este interesante vídeo. Juega con el ponente para comprender lo que nuestro cerebro es capaz de hacer con los "datos" que le llegan del exterior.

UNA BOLSA DE AIRE MUY ESPECIAL

El número de automóviles que circulan por las carreteras aumenta de manera imparable. Cada vez son más rápidos y ligeros lo que se traducen en la posibilidad mayor de accidentes. Por todo ello los elementos de seguridad en los automóviles han cobrado una importancia decisiva en el diseño y fabricación de los mismos. Ejes de volantes que colapsan, cinturones de seguridad automáticos, asientos adaptables, barras de acero de protección lateral, sistema antibloqueo de frenos (ABS), bolsas de aire (airbags) y otros muchos, son términos que hacen referencia a los diversos elementos de protección que están presentes en los coches que conducimos a diario.

Los primeros airbags comerciales para automóviles aparecieron en la década de 1980, aunque su desarrollo se remonta a tiempos de la II Guerra Mundial. Los airbags están diseñados para absorbe el golpe de una colisión cuando el impacto de una parada brusca (aceleración negativa es el concepto físico) provoca el “lanzamiento” del cuerpo del conductor hacia delante (fundamentalmente la cabeza). Esto representa un movimiento que puede causar daños irreversibles en la columna vertebral o en el tórax. Además, el conductor está expuesto al peligro adicional de tener el volante enfrente de él. Este es el motivo por el cual los primeros airbags se instalaron en el centro del volante. En la actualidad, el uso de los airbags se ha extendido al acompañante y a zonas laterales.

Para que un airbag funcione correctamente es necesario que se llene de aire en cuestión de milisegundos. Además, es necesario que comience a disminuir su presión interna en el momento de contacto. Si esto no fuera así, al contacto con la cabeza, por ejemplo, podría resultar más dura la bolsa que una piedra, y por tanto, no resultar un elemento de protección. Un  airbag está formado por cuatro elementos fundamentales:

Bolsa de poliamida. Es un material muy ligero y resistente que inicialmente se encuentra doblada ocupando un espacio mínimo.

Un juego de sensores electrónicos.

Un microprocesador.

Un generador de gas.

Los sensores y el microprocesador calculan constantemente los impulsos de velocidad, aceleración y esquemas de frenado y los comparan con los datos almacenados en el procesador. En caso de accidente, el microprocesador evalúa la violencia del choque y dispara la reacción de generación de gas solamente si la velocidad del automóvil supera los 40 km/h.

El generador de gas es una mezcla de tres sustancias: NaN₃, KNO₃ y SiO₂ cuya ignición se produce mediante un impulso eléctrico enviado por el microprocesador, causando una pequeña detonación, llamada deflagración, que libera el volumen de nitrógeno gas necesario para llenar la bolsa. El nitrógeno se produce por la descomposición de la azida de sodio de acuerdo con el proceso:

2 NaN₃ (s)  →  2Na(s)  +   3N₂(g)

El sodio producido es enormemente peligroso debido a que reacciona violentamente en cuanto se pone en contacto con humedad. Para evitar esto, se hace reaccionar con nitrato de potasio:

2 KNO₃(s)  +  10 Na(s)  →  K₂O(s)  +  5 Na₂O(s)  +  N₂(g)

Finalmente, los óxidos metálicos, fuertemente alcalinos y reactivos, es aconsejable estabilizarlos, y para ello se hacen reaccionar con dióxido de silicio para convertirlos en un silicato mixto de aspecto vítreo:

K₂O(s)  +  Na₂O(s)  +  SiO₂(s)  →  Silicato alcalino (vítreo)

A la vista de las ecuaciones, y con leves conocimientos de estequiometria, resulta sencillo saber las cantidades de gas que se producen:

2 moles de azida sódica (NaN₃) producen 3,2 moles de nitrógeno (N₂)

130 g de azida sódica producen 70 litros de nitrógeno en condiciones estándar de presión y temperatura

Por último, un vídeo ilustrativo del funcionamiento del airbag:

EL PODER DE LO MINÚSCULO

Resulta increíble, incluso para la propia comunidad científica, ver el avance de nuestro conocimiento y control del mundo atómico. En la actualidad, somos capaces de manejar unos pocos átomos para observar sus movimientos o seguir la trayectoria de un nanorrobot y observar como elimina depósitos de grasa adheridos a las paredes de una vena. Estos avances son fruto de la denominada Nanotecnología, una rama interdisciplinar de la Ciencia, cada día más presente en nuestra vida diaria.

El término nano, proviene de la palabra griega que significa enano. Esta disciplina científica se ocupa del estudio de objetos cuyas dimensiones son del orden de la millonésima de milímetros, es decir, diez mil veces más pequeño que el grosor de un cabello humano. Sin lugar a dudas, durante el siglo XXI uno de los protagonistas del desarrollo científico va a ser el desarrollo de los nanomateriales. Y no solo en el campo de las telecomunicaciones también presentarán un papel determinante en la medicina.

En estructuras inferiores a 0.1 mm, los electrones de los átomos presentan dos importantes propiedades:

A.      Efecto Confinamiento: Los electrones se encuentran especialmente compactados.

B.      Efecto Túnel: Los electrones son capaces de evitar barreras energéticas que de otra forma detendrían su movimiento.

Estos dos efectos son utilizados por los átomos para organizarse en racimos (técnicamente denominados nanoclusters) de unos cuantos de cientos de miles o millones de unidades. Aunque el número parece muy grande no hay que olvidar que estamos hablando de átomos, algo muy, muy, muy pequeño). La mayoría de los átomos que forman la Tabla Periódica, incluidos los inertes Gases Nobles, forman este tipo de estructuras. Las propiedades electrónicas de los nanoclusters son algo nuevo, una situación intermedia entre los dos estados conocidos: Átomos Aislados y Sólidos Cristalinos. El hecho más trascendental es que las propiedades de todos los elementos en estas circunstancias son completamente nuevas, dependiendo además del tamaño del nanocluster. Esta dependencia entre las propiedades y el tamaño sugiere que la manipulación adecuada de los mismos ofrece la posibilidad de obtener materiales de características ópticas, magnéticas, electrónicas, etc. completamente desconocidas hasta el momento.

Todo esto se traduce en la creación de nuevas líneas de investigación orientadas hacia la Nanociencia tanto en el campo teórico como en el práctico. El aumento de la capacidad de memoria de nuestros ordenadores, la velocidad en el procesamiento de datos, la disminución del tamaño o el intercambio de información son hechos posibles gracias al conocimiento de las nanoestructuras de conductores y semiconductores.

Un ejemplo de nanomateriales son los Nanotubos de Carbono. Estas estructuras están formadas por un “enrejado” de átomos de carbono que forman tubos de unos pocos nanotubos de diámetro. Estas estructuras son cien veces más resistentes que el acero y seis veces menos densos. Además, conducen la electricidad mejor que el cobre.

Los nanotubos se descubrieron a partir de una nueva forma del carbono que es una “jaula” esférica constituida por 60 átomos de carbono, C₆₀, que forman 20 hexágonos y 12 pentágonos adosados regularmente por sus caras, dando lugar a una superficie idéntica a la de un balón de fútbol. A sus descubridores (Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley ) les recordó la estructura conocida como cúpula geodésica, inventada años atrás por el innovador filósofo y arquitecto norteamericano R. Buckminster Fuller. El nombre oficial de este C₆₀ es, por tanto, buckminsterfullereno, pero los químicos prefieren nombrar a las moléculas C₆₀, buckyballs. Actualmente se sabe que ésta es tan solo un de los miembros de una familia numerosa de jaulas de átomos de carbono conocidas genéricamente como fullerenos. Algunos fullerenos contienen menos de 60 átomos de carbono, y otros un número muy superior que puede alcanzar al C₉₆₀, que son moléculas alargadas en forma de tubo conocidas como nanotubos de carbono.

También la Nanociencia está presente en la Medicina. El estudio biológico y sus aplicaciones médicas es uno de los campos que más interés y expectativas está creando para la solución de enfermedades a nivel molecular.

La Nanociencia en España tiene nombres femeninos. Algunos ejemplos:

Montserrat Calleja: Doctora en Ciencia Físicas, y elegida entre las Top 100 España en 2013, lidera uno de los grupos de investigación en Nanotecnología en el CSIC. Su trabajo de investigación se centra en biosensores.

Más información:  MONTSERRAT CALLEJA

María Vallet Regí: Doctora en Ciencias Químicas es un referente a nivel mundial en Ciencia de los Materiales. Entre sus líneas de investigación destaca la creación de nanopartículas para terapia antitumoral liderando un grupo de investigación sobre biomateriales inteligentes.

Más información: MARÍA VALLET REGÍ

R. Buckminster Fuller y su cúpula geodésica fueron el origen del nombre Buckyballs

UN GAS MORTÍFERO QUE PROTEGE LA VIDA

El ozono, O₃, es una forma alotrópica del oxígeno. Al igual que otras muchas, puede ser una sustancia dañina o beneficiosa, dependiendo de su localización y concentración. En la atmósfera próxima a la superficie terrestre, es decir, el aire que respiramos, el ozono es un gas tóxico e irritante; a unos 40-50 km por encima de nosotros, en la estratosfera, esta misma sustancia forma una capa de gas gracias a la cual se mantiene la vida al protegernos de los efectos catastróficos de la radiación solar ultravioleta.

Vamos a empezar viendo sus efectos contaminantes. Las moléculas de ozono contienen más energía y son menos estables que las más comunes de oxígeno (O₂). La reacción de equilibrio es (reacción 1):

3 O₂ (g) ↔2 O₃(g)             

→En este sentido de la reacción se absorbe energía

←En este sentido de la reacción se libera energía

La concentración media de ozono en la atmósfera es de 0.025 ppm (partes por millón) frente a la del oxígeno que es 210000 ppm. La concentración de ozono en ciudades con una alta contaminación, como Madrid, puede alcanzar hasta 1 ppm. Dependiendo de las condiciones de salud de cada individuo y del tiempo de exposición, esta concentración puede ser suficiente para provocar, en mayor o menor grado, dolores de garganta, irritación bronquial o tos. Concentraciones superiores podrían poner en peligro la vida humana. El ozono es letal para formas de vida más sencillas, como las bacterias, por cuya razón se emplea como desinfectante (bajo estrictas condiciones de seguridad).

Una fuente artificial de ozono es la reacción entre el dióxido de nitrógeno (NO₂, que procede de los tubos de escape de los coches) con la energía solar:

NO₂ (g)   +  Radiación  →  NO (g)  +  O (g)

O (g)   +  O₂ (g)  →  O₃ (g)

En los meses de verano, en los cuales la radiación solar es más elevada, esta reacción es la responsable del aumento sustancial de la contamnación en los entornos de las grandes ciudades; contaminación que alcanza sus niveles máximos en las horas centrales del día (el tráfico y la radiación alcanzan su máximo), pero desciende por las noches cuando la reacción 1 se desplaza hacia la formación de oxígeno (O₂) que es más estable.

El ozono en la estratosfera se forma por la acción de la luz ultravioleta de longitud de onda corta que proviene de la radiación del sol. Esta radiación es capaz de romper la molécula de oxígeno (O₂) en sus átomos constituyentes:

O₂ (g)  → 2 O (g)

Estas especies atómicas se combinan rápidamente con otra molécula de oxígeno (O₂) para formar una molécula de ozono (O₃):

O (g)  +  O₂ (g)  +  M (g)  → O₃(g)  +  M (g)

M = Molécula que absorbe la energía liberada al formarse el enlace O – O en el ozono (puede ser oxígeno (O₂) o nitrógeno (N₂), por ejemplo)

En la actualidad nadie duda que el género humano ha contribuido y está contribuyendo a dañar la capa de ozono de la estratosfera mediante la emisión a la atmósfera de los componentes químicos conocidos genéricamente como clorofluormetanos (CFCs). Estos compuestos que derivan del metano (CH₄), han sustituido los átomos de hidrógeno por átomos de flúor (F) y/o cloro (Cl) en diferentes proporciones. Estos compuestos químicos han sido utilizados como agentes propelentes en aerosoles (sprays) y en los refrigerantes.

La peculiaridad de estas sustancias químicas es que en los niveles más bajos de la atmósfera son muy estables (se encuentran protegidos por la sustancia que luego destruirán, el ozono). Sin embargo, al ascender por la atmósfera y alcanzar las capas más altas reaccionan con las moléculas de ozono (O₃) que se encuentran en mayor concentración. Esta reacción está favorecida por la radiación ultravioleta que se encuentra en esa capa de la atmósfera.

CF₂Cl₂ (g)  →  CF₂Cl∙ (g)  + Cl∙ (g)

Cl∙ (g) +  O₃ (g)  →  ClO (g)  +  O₂ (g)

ClO (g)  +  O (g)  →  Cl∙ (g)  +  O₂ (g)

Las especies químicas de la forma X∙, reciben el nombre genérico de radicales y son sustancias químicas que presentan uno o  más electrones desapareados (libres) que les hace muy reactivas

Obsérvese como en la última reacción se vuelve a regenerar un átomo de cloro, esto significa que puede ser capaz de volver a destruir otra molécula de ozono (O₃). Si tenemos en cuenta que el período de vida en la atmósfera de un átomo de cloro es de 1 a 2 años, esto significa que es capaz de destruir unas 100.000 moléculas de ozono mientras se encuentra presente en ella. Por otro lado, cuando una molécula de ozono se destruye, no se vuelve a regenerar. Teniendo en cuenta que la capa de ozono es nuestro principal escudo frente a la radiación ultravioleta que llega del Sol, las consecuencias de su destrucción para el ser humano y el desarrollo de la vida en el planeta quedan claras.

Evolución del agujero en la capa de ozono

EL NÚMERO AUREO

Tal vez, el número más famoso de Matemáticas sea Pi. Sin embargo, existen otros no tan conocidos, y sin embargo, muy presentes en la vida diaria. Un de estos casos es el Número Áureo. Veamos algunos datos:

Valor: 1,618003398874989...

Símbolo: Φ ( Fi ) 

Otros nombres: Sección, Razón o Proporción Aurea

Aunque su nombre no lo recibió hasta el siglo XX, ya desde el siglo V a.C. era conocido y utilizado en la Grecia Clásica. La idea más aceptada es que el estudio de la proporción y la medida geométrica de un segmento llevó a los griegos a su descubrimiento. Sin embargo, rápidamente este número dio el salto más allá de las Matemáticas y pasó a emplearse en la Arquitectura o en la Escultura. Un primer ejemplo es el Partenón de Atenas cuyas proporciones responde al este número.

 Frontal del Partenón. Se puede observar que la relación entre la base y la altura del rectángulo que define se ajusta a la Proporción Áurea.




Aunque el Número Áureo se encuentra en multitud de situaciones cotidianas, nos vamos a centrar en su relación con la Biología. El crecimiento de una caracola o de una piña, la distribución de las hojas en un tallo, o nosotros mismo, son algunos de los ejemplos que vamos a estudiar.

El ser humano y el número áureo

Párate un minuto y observa tus manos. Como ya sabes, cada uno de nuestros dedos está formado por tres falanges denominadas Falange, Falangina y Falangeta (también reciben el nombre de Proximal, Medial y Distal). Pues bien, la relación entre las falanges consecutivas da como resultado el número áureo. Prueba con tu mano. Dado que medir las falanges, con la piel y tendones por medio, es complicado no te saldrá el Número Áureo exactamente, pero la aproximación es muy buena.

Y ya que estamos con Anatomía, un dato más: el pulgar únicamente tiene dos falanges: Proximal y Distal.

Busca un espejo y mírate un minuto. Ahora toca fijarse en la cabeza. Aquí vuelve a estar presente la Proporción Áurea. En este caso hay que fijarse en la longitud y anchura de la cabeza. Prueba con la tuya (pero esta vez te recomiendo que alguien te ayude a realizar la medida). Nota: las orejas no cuentan...

El nautilus y el número áureo

El nautilus es un cefalópodo que vive, generalmente, en las zonas menos profundas del área Indo-Pacífica. Llega a vivir hasta 20 años y su concha es otro ejemplo de Proporción Áurea en la naturaleza. El animal va formando cámaras dentro de la concha (separadas por tabiques) y va ocupando siempre la más externa. Un nautilus adulto puede llegar a formar hasta 30 cámaras.

Para comprobarlo tenemos que volver a las Matemáticas y ver la construcción de una espiral logarítmica (base de la concha del nautilus y otros cefalópodos). Para ello vamos a partir de la imagen que tenemos a continuación:

Partimos del rectángulo áureo ABCD. Si a este rectángulo le restamos el cuadrado AEFD, volvemos a obtener un nuevo rectángulo áureo, EBCF. Observa que el cuadrado que hemos restado corresponde al lado menor del rectángulo inicial, ABCD. Si al rectángulo EBCF le restamos el cuadrado EBGH, volvemos a obtener un nuevo rectángulo áureo, HGCF. Igual que antes, el cuadrado que hemos restado corresponde al lado menor del rectángulo, en este caso EBCF. Así podríamos seguir indefinidamente. Las líneas curvas se trazan con una circunferencia de centro en cada cuadrado, y radio, el diámetro del mismo. Esta curva, también llamada Espiral Equiangular o Espiral Geométrica, es la que gobierna el crecimiento de la concha del nautilus o de muchas flores y frutos.

El Número Áureo está directamente relacionado con la Sucesión de Finoccani:

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 897,...

Esta sucesión de número se obtiene de una forma muy sencilla: cada término es el resultado de sumar los dos anteriores. Si dividimos dos números consecutivos (el mayor entre el menor), cuánto mayor sea el valor de estos números, más próximo será el resultado al Número Áureo. Siguiendo la Sucesión de Finoccani, y por lo tanta, el Número Áureo podemos encontrar múltiples diseños en la naturaleza:

Las margaritas tienen, normalmente, 34, 55 o 89 pétalos.

La piñas tienen, normalmente, 8 diagonales en un sentido y 13 en otro.

Los girasoles tienen, normalmente, 21 espirales en el sentido y 34 en otro.

La justificación es la siguiente: se ordenan los elemento buscando la mayor compactación posible, es decir, que quede el menor espacio vacío posible. Este patrón corresponde a un ángulo de rotación a partir del punto central, mediante el cual los nuevos elementos (pétalos, semillas,...) se van organizando a medida que crecen. Este patrón también lo siguen las células en su crecimiento.

Por último, un vídeo que muestra de forma visual esta relación Naturaleza - Número Áureo: