Research Blogging - Physics - Spanish

La estructura del azar y el i-Phone 5

2012-05-15T07:08:53Z

Esta entrada tiene dos partes diferenciadas y autocontenidas; si te interesa el aspecto tecnológico exclusivamente puedes pasar a la segunda (Estructura a nanoescala de un vidrio metálico) sin necesidad de leer la primera, de contenido algo más matemático y especulativo. Proyección ortográfica de un cubo de 5 dimensiones en 2 dimensiones sobrepuesto al patrón de difracción de un cuasicristal icosaédrico Los servicios de inteligencia sabían muy bien en la época de la Segunda Guerra Mundial la importancia que la verdadera aleatoriedad tenía en los códigos que usaban sus espías para encriptar sus mensajes. Ya habían descubierto durante la Primera, de la forma más dolorosa, que una persona no puede escribir números realmente “al azar” y, por ello, en Bletchly Park, sede de los servicios de contraespionaje británicos, donde trabajó Alan Turing y se descifró el código de la máquina Enigma, había grupos de mujeres arrojando dados con los que construían cuadernos de un solo uso pseudoaleatorios para que los usasen los espías en el continente. Construir secuencias aleatorias puede parecernos intuitivamente fácil, pero no lo es. No se trata de decir los números (letras o palabras son reducibles a números) que se nos ocurran y y ya está. Hemos de tener cuidado de que no dejemos, inconscientemente, una pauta: tendemos a usar determinadas palabras y estructuras gramaticales, por ejemplo. Pero, paradójicamente, intentar no dejar una pauta, ¡es una pauta! Estos es sólo la manifestación del hecho de que el azar, la pura aleatoriedad, contraintuitivamente, tiene estructura. Veamos un ejemplo. Intenta escribir una secuencia de números naturales que tú creas que es aleatoria. Una vez que lo hayas hecho estudiala como si la hubiese escrito otra persona y busca pautas; las encontrarás rápidamente. Así, si nos limitamos a los números naturales entre 1 y 15 podríamos haber escrito: 1, 4, 6, 7, 10, 14 que parecen números al azar. Pero a estos números se le puede encontrar una pauta: a, a+n13, b, a+n23, a+n33, 2(b+1) donde n = 1, 2, 3, ... Dicho de otra manera, 1,4,7 y 10 forman una progresión aritmética en el que la diferencia entre un término y el siguiente es la misma (3). Sabiendo esto intentemos elegir los números de forma que no haya ningún tipo de pauta apreciable entre ellos: 1, 2, 4, Con estos números ya no podemos elegir el 6 por que tendríamos 2, 4, 6, así que 1, 2, 4, 5, y ahora no podemos elegir ni el 7 ni el 8... Y esto es limitándonos a las progresiones aritméticas. Hemos podido ver que escribir una lista de números al azar no es trivial. De hecho el teorema de Szemerédi prueba que es imposible. Y rizando el rizo, ni siquiera usando números primos te libras del problema, como demuestra el teorema de Green-Tao. Cuando consideramos los sólidos el concepto de aleatoriedad se asocia a los sólidos amorfos, a los llamados vidrios. En estos se dice que el empaquetamiento de los átomos, la secuencia en la que se colocan es aleatoria. Esto podríamos llegar a la conclusión de que no es cierto gracias a Szemerédi, aunque hay cuestiones puramente químicas que nos hacen intuir que esto no puede ser estrictamente así. Por su estructura interna los sólidos podemos clasificarlos en cristalinos, cuasicristalinos y amorfos. Como las definiciones estándar de estas estructuras se pueden encontrar fácilmente en la red, nosotros vamos a ir un pasito más allá y hablaremos de hiperdimensiones y de los planteamientos sobre aperiodicidad de Harald Bohr para unificar matemáticamente la visión de las tres. Así, una estructura cristalina sería el corte de una función multidimensional periódica por un hiperplano racional, es decir, la estructura cristalina tridimensional es realmente el corte por un hiperplano según un plano de la celda hexadimensional. Análogamente, en un cuasicristal el corte de la función periódica es irracional (típicamente el número áureo), esto es, el hiperplano que corta no coincide ni puede hacerse coincidir con un plano de la celda hexadimensional. Vemos que, desde este punto de vista, hemos agotado todas las posibilidades de corte de una celda hexadimensional con los cristales (números racionales) y los cuasicristales (irracionales). Por tanto, podemos conjeturar [lo que no he leído en ningun parte y es original de un servidor] que en un sólido amorfo, de existir hiperestructura, ésta tendrá una dimensionalidad superior a 6 pero finita. Y es finita por el teorema de Szemerédi y porque a corto rango existe orden en todos los sólidos. Efectivamente, desde el punto de vista del orden tanto cristales como cuasicristales lo tienen a corto a medio y a largo. Es característico de los cuasicristales que existan simetrías icosaédricas, cosa que para los cristales no está permitida, y el orden a largo no es tan evidente. En los vidrios no existe orden a largo (en el sentido habitual del término, hay aleatoriedad), pero sí existe orden a corto porque químicamente los átomos sólo son estables o metaestables en determinados entornos. Se alcanzará un estado estable si la mezcla tiene tiempo y energía como para ordenarse suficientemente, si no, el estado será metaestable. La cuestión es ¿cómo es la transición del orden a corto al desorden a largo? ¿habrá fases cristalinas, cuasicristalinas? ¿Qué ocurre a medio rango? Un indicio del aspecto que pueden tener las respuestas a estas cuestiones lo proporciona un grupo de investigadores encabezados por Jinwoo Hwang, de la Universidad de Wisconsin en Madison (EE.UU.), con los resultados que han publicado en Physical Review Letters sobre un vidrio metálico. Estructura a nanoescala de un vidrio metálico. Zonas de estructura cúbica (centro) e icosaédrica (bordes) en un vidrio metálico Los vidrios metálicos (VM) tienen características técnicas muy interesantes: son metales, son fuertes, y resisten muy bien la corrosión y el desgaste. Pero pueden romperse de pronto. El conocimiento que se tiene de su estructura es muy limitado como para poder explicar estas características. El trabajo de Hwang et al., del que damos la referencia más abajo, sugiere que estos materiales contienen más orden de lo que sugiere su nombre. Los especialistas en materiales sospechan que los VM tienen algún tipo de es...

Hwang, J., Melgarejo, Z., Kalay, Y., Kalay, I., Kramer, M., Stone, D., & Voyles, P. (2012) Nanoscale Structure and Structural Relaxation in Zr_{50}Cu_{45}Al_{5} Bulk Metallic Glass. Physical Review Letters, 108(19). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.195505

El canto del quetzal en las escaleras de las pirámides mayas

2012-05-15T03:30:41Z

Son varias las pirámides de la civilización maya que presentan fenómenos acústicos curiosos e intrigantes. Por ejemplo, dar aplausos frente a sus escaleras exteriores produce un eco parecido al canto del quetzal, un ave emblemática y mística para los mayas. La siguiente capsula breve, en español, es del Discovery-Channel: Efectivamente, este fenómeno acústico también lo [...] Related posts: El salto que pasará a la Historia ¿Cómo hacer que el Big Ben dé trece campanadas al llegar la medianoche? Pirámides y extraterrestres… ¿Pa qué?...

Declercq, N., Degrieck, J., Briers, R., & Leroy, O. (2004) A theoretical study of special acoustic effects caused by the staircase of the El Castillo pyramid at the Maya ruins of Chichen-Itza in Mexico. The Journal of the Acoustical Society of America, 116(6), 3328. DOI: 10.1121/1.1764833

Una estructura tipo grafeno para el hidrógeno sólido.

2012-04-10T05:36:29Z

Diagrama de fases del hidrógeno Estamos tan acostumbrados a ver la posición del hidrógeno en la tabla periódica en lo más alto de la columna de metales alcalinos que no nos paramos a pensar en lo que esto significa: ni más ni menos que debería ser, en determinadas condiciones, un metal. El hidrógeno metálico consistiría en protones muy próximos entre sí (por debajo de la distancia de Bohr) con los electrones compartidos entre todos; si los protones forman una red cristalina hablamos de hidrógeno metálico sólido y si no existe esta red, de líquido. Este estado sólo se alcanzaría a muy altas presiones y se cree que podría existir en el interior de Júpiter, Saturno y algunos planetas extrasolares recientemente descubiertos. La búsqueda del hidrógeno metálico comenzó en el siglo XIX. En 1935 los físicos Eugene Wigner y Hillard Huntington predijeron que el hidrógeno debería convertirse en un sólido metálico a altas presiones, aproximadamente de 25 GPa (gigapascales), pero experimentos posteriores no encontraron trazas de una transición metálica. Experimentos más recientes han empleado presiones mucho mayores. Destaca el experimento que en 2011 realizaron Mijail Eremets e Ivan Troyan del Instituto Max Planck (Alemania) y en el que los autores afirmaron haber encontrado la presencia del hidrógeno metálico a 260 GPa; estos resultados, sin embargo, no han sido confirmados y han sido recibidos, en general, con escepticismo. El reto de conseguir hidrógeno metálico no sólo tiene interés desde el punto de vista puramente científico, también desde el técnico ya que sus aplicaciones potenciales son muy interesantes. Por ejemplo, se cree que el conocimiento de la estructura y características de este material podría ayudar a conseguir superconductores a temperatura ambiente o, dicho más propagandísticamente, la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas. En este camino hacia el hidrógeno metálico el grupo de investigadores encabezado por Ross Howie, de la Universidad de Edimburgo (Reino Unido), ha descubierto una nueva fase de hidrógeno sólido. Publican sus resultados en Physical Review Letters. Se conocen tres fases sólidas del hidrógeno que pueden crearse superenfriando el gas: la fase I es una estructura de alto empaquetamiento de moléculas de hidrógeno que conservan la capacidad de rotar libremente la fase II es similar a la I pero con menor libertad de rotación, lo que describiríamos como ordenación de la orientación la fase III se caracteriza por un debilitamiento de los enlaces H-H por lo que puede considerarse parcialmente atómica, es decir, no completamente molecular. El punto crítico en el que estas tres fases se intersectan está muy bien definido pero nadie sabe con seguridad qué ocurre más allá de la fase III, a presiones más altas. Esta zona es la que han explorado Howie et al. Los investigadores sometieron muestras de hidrógeno y deuterio a presiones de hasta 315 GPa en un yunque de diamante a una temperatura de 300K. Empleando espectroscopia Raman midieron las variaciones en la frecuencia del vibrón (vibración intramolecular), esto es, determinaron la fortaleza de los enlaces H-H y, por tanto, hasta qué punto el hidrógeno seguía siendo molecular. A 220 GPa detectaron que la frecuencia del vibrón principal disminuía rápidamente a la vez que aparecía un segundo vibrón que mantenía la frecuencia original. ¿Cómo interpretar estos resultados? Para eso están los teóricos. Los investigadores encontraron en la teoría de las fases sólidas del hidrógeno de Chris Pickard y Richard Needs publicada en 2007 una predicción que encajaba bastante bien con los datos experimentales: capas de hidrógeno formando anillos irregulares con la estructura del grafeno, lo que explicaría la baja frecuencia del vibrón principal, salpicadas con moléculas de hidrógeno diatómico sin enlazar, que corresponderían a la frecuencia original del vibrón secundario. Según la teoría, a más altas presiones los anillos se harían simétricos y adquirirían un comportamiento semimetálico. Estructura propuesta para la fase IV del hidrógeno sólido Para producir estos resultados los científicos desarrollaron métodos para impedir la difusión del hidrógeno en los yunques de diamante realmente novedosos y que serán de gran utilidad en posteriores investigaciones. Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XIV Edición del Carnaval de Química que organiza Educación química. Referencia: Ross T. Howie, Christophe L. Guillaume, Thomas Scheler, Alexander F. Goncharov, & Eugene Gregoryanz (2012). Mixed Molecular and Atomic Phase of Dense Hydrogen Physical Review Letters, 108 (12)...

Ross T. Howie, Christophe L. Guillaume, Thomas Scheler, Alexander F. Goncharov, & Eugene Gregoryanz. (2012) Mixed Molecular and Atomic Phase of Dense Hydrogen. Physical Review Letters, 108(12). info:/

La resonancia bien entendida: el puente de Tacoma Narrows

2012-03-26T03:30:47Z

La resonancia es uno de los fenómenos físicos más espectaculares y divertidos. Lo notamos cuando cantamos en la ducha, pulsamos el botón del microondas o empujamos el columpio del niño. Su estructura interna es bastante sencilla: una fuerza externa periódica con la frecuencia adecuada, un sistema que no quiere moverse de donde está, quizá algo [...] Entradas relacionadas No hay entradas relacionadas....

Billah, K. (1991) Resonance, Tacoma Narrows bridge failure, and undergraduate physics textbooks. American Journal of Physics, 59(2), 118. DOI: 10.1119/1.16590

Feldman, B. (2003) What to Say About the Tacoma Narrows Bridge to Your Introductory Physics Class. The Physics Teacher, 41(2), 92. DOI: 10.1119/1.1542045

Green, D., & Unruh, W. (2006) The failure of the Tacoma Bridge: A physical model. American Journal of Physics, 74(8), 706. DOI: 10.1119/1.2201854

Científicos usan novedosa técnica de microscopía para observar el funcionamiento cerebral

2012-02-03T12:54:35Z

Neuronas de ratones vivos fueron capturados en video con una resolución de 70 nanómetros. Uno de los grandes retos de las neurociencias es estudiar el funcionamiento del cerebro a nivel neuronal y en tiempo real. Novedosas técnicas han aparecido en el mercado, por ejemplo: la microscopía confocal y multifotón. Estas técnicas son muy parecidas ya que en ambas se usa una luz puntual (láser) para excitar la muestra marcada con moléculas fluorescentes. En el microscopio confocal, el láser es continuo, y la luz emitida por la muestra es recibida a través de colimadores especiales (‘pinhole’) para eliminar la luz desenfocada y los destellos, generándose imágenes en tres dimensiones y con un alto nivel de contraste. En el microscopio multifotón, el láser es pulsante y sólo escanea un plano focal a la vez, evitando así la necesidad de usar el pinhole; además usa un detector externo para aumentar la sensibilidad. El problema con estas técnicas es que al láser le toma un buen tiempo escanear toda la muestra y, durante el proceso, se generan radicales libres que podrían dañar las células. Por otro lado, la resolución de estos dos microscopios está limitada por la longitud de onda de la luz empleada en el análisis (400nm a 700nm). Esto quiere decir que estructuras celulares del orden de los 200nm para abajo no podrían ser observadas. Aquí más información. Con el fin de superar estos inconvenientes, científicos del Instituto Max Planck (Alemania) liderados por el Dr. Sebastian Berning, han desarrollado una técnica basada en la microscopía de depleción por emisión estimulada (STED, stimulated emission depletion microscopy), una técnica que permite alcanzar una resolución del orden de los 60nm, para estudiar el funcionamiento neuronal en tiempo real. El estudio fue publicado el 3 de Febrero en Science. En 1873, el físico y uno de los pioneros en la óptica moderna, Ernst Abbe, descubrió un paradigma dentro de la microscopía: la incapacidad de los microscopios basados en lentes ópticas de discernir detalles que sean menores a la mitad de la longitud de onda de la luz (que va de los 400 a 700nm), un límite de resolución impuesto por la difracción. La microscopía STED permite superar este inconveniente usando dos láser: El primer láser excita las moléculas fluorescentes de la muestra tal como lo hace un microscopio confocal [En la figura: Exc PSF]. El segundo láser (compuesto por fotones de menor energía) sale un instante después del primero y es el encargado de atenuar la emisión de la fluorescencia periférica al punto de excitación del primer láser [En la figura: STED PSF]. De esta manera se genera una especie de rosquilla, donde el punto central será el único que emita fluorescencia [En la figura: Eff PSF], aumentando así la resolución de la microscopía. Lo primero que hicieron Berning y sus colegas fue modificar genéticamente a un ratón para que produzca la proteína fluorescente amarilla (EYFP: Enhanced Yellow Fluorescent Protein) dentro del citoplasma de sus neuronas. Luego, anestesiaron al ratón y le hicieron un pequeño agujero de 2mm de diámetro en el cráneo (trepanación), justo sobre la corteza somatosensorial, el cual cubrieron con una pequeña lámina de vidrio. Finalmente, ubicaron el microscopio STED sobre la lámina y empezaron a tomar imágenes del cerebro en funcionamiento cada 10 segundos para crear el siguiente video: 2012 ©Science DOI:10.1126/science.1215369 [Supporting Online Material] En el video podemos ver que las conexiones neuronales a través de las dendritas presentan un comportamiento muy dinámico, moviéndose y cambiando de forma a cada minuto. Según los autores, esta técnica permitirá investigar a fondo cómo se da el desarrollo cerebral in situ, determinar las conexiones defectuosas presentes en cerebros de ratones diseñados para expresar enfermedades neurológicas humanas y observar el efecto de ciertas sustancias psicoactivas y compuestos destinados a aliviar el dolor, quitar el insomnio, aliviar la depresión, etc., en la sinapsis. Referencia: Berning, S., Willig, K., Steffens, H., Dibaj, P., & Hell, S. (2012). Nanoscopy in a Living Mouse Brain Science, 335 (6068), 551-551 DOI: 10.1126/science.1215369 Esta entrada participa en el VII Carnaval de Tecnología albergado este mes en el blog Zemiorka. BioUnalm...

Berning, S., Willig, K., Steffens, H., Dibaj, P., & Hell, S. (2012) Nanoscopy in a Living Mouse Brain. Science, 335(6068), 551-551. DOI: 10.1126/science.1215369

Estudio revela las propiedades mecánicas de la telaraña

2012-02-03T08:09:02Z

Comportamiento elástico no-lineal es la clave de su resistencia y estabilidad. Las propiedades de la seda de las arañas son espectaculares. Con un grosor menor al de un cabello humano puede llegar a ser más resistente que una fibra de acero del mismo espesor, a parte de ser cientos de veces más elástico. Por esta razón, muchos científicos en el mundo está buscando la forma de sintetizarla en el laboratorio; una tarea sumamente complicada por ahora. Esta vez no hablaremos de ella (ya lo hicimos en un post anterior), sino que nos enfocaremos en la maravilla que con ella construyen: la telaraña. Pese a todos estudios realizados sobre la seda de las arañas, hasta ahora se desconoce en que medida contribuye sus propiedades mecánicas a la integridad y desempeño de las telarañas aéreas. Para dar una respuesta a esta interrogante, científicos estadounidenses liderados por el ingeniero Steven Cranford del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), han desarrollado modelos en computadora de las telarañas aéreas para entender su funcionamiento cuando son sometidos a diferentes tipos de estrés mecánico. Los resultados publicados el 2 de Febrero en Nature revelan que es el comportamiento elástico no lineal de las fibras las responsables de su resistencia y estabilidad. Los tejidos y fibras naturales se caracterizan por tener un comportamiento elástico no lineal. Esto quiere decir que a presiones ligeras, la deformación es proporcional a la fuerza ejercida. Pero, una vez superada una determinada presión (umbral de deformación), la estructura no se deforma más y adquiere un comportamiento rígido. El comportamiento no lineal de la seda de las arañas es debido a su composición química: estructuras beta plegadas cristalizadas (que da la rigidez) embebido en fase proteica semi-amorfa (que da la elasticidad). Para sus simulaciones, Cranford y sus colaboradores usaron las propiedades mecánicas de la seda de una araña muy común, la Nephila clavipes (o araña de seda dorada). Diseñaron una telaraña típica en espiral apoyado sobre ocho hilos radiales [Figura inferior b] y las sometieron a diferentes situaciones de estrés. Tal vez muchos de ustedes se habrán dado cuenta que las telarañas no son regulares, sino que tienen ciertas imperfecciones o huecos dentro de sus estructuras. ¿Tendrá esto alguna finalidad? Para responder la pregunta se incluyeron estas imperfecciones en sus simulaciones [figura superior c]. En las pruebas d1, d2 y d3, se quitaron secciones espirales; y en la prueba d4, se quitó una sección radial. Los investigadores observaron que se podía remover hasta el 10% de los hilos sin afectar la respuesta mecánica de la seda, es más, la capacidad de carga aumentó entre un 3 y 10% cuando se incluían estas imperfecciones. Como siguiente experimento, Cranford y su equipo estudiaron la deformación de la telaraña al someterla a distintos tipos de estrés mecánico. Los resultados fueron elocuentes. Cuando se aplicaba la fuerza a los hilos espirales, la deformación fue muy localizada [Figura inferior e]. Sin embargo, cuando se aplicó la misma fuerza a los hilos radiales, la deformación fue más extendida [Figura inferior f]. Gracias a esto la energía era disipada eficientemente y, en ambos casos, los hilos se rompían sólo en el punto de estrés. Los resultados fueron confirmados experimentalmente. La pregunta que quedaba ahora era si el comportamiento de la telaraña se debía a las propiedades mecánicas de la seda o a la estructura de su diseño. Para ello hicieron dos modificaciones a la simulación original. Cambiaron el comportamiento elástico no lineal de la seda original, por uno elástico lineal (la deformación es proporcional a la fuerza todo el tiempo) y por otro elástico-perfectamente plástico (la deformación primero es elástica y luego perfectamente plástica donde pequeñas tensiones provocan deformaciones irreversibles, por ejemplo: la plastilina). Los resultados mostraron que la deformación y resistencia fue similar en los tres modelos. Sin embargo, la diferencia sustancial se observó cuando los hilos se rompieron. Las telarañas hechas con hilos con comportamientos lineal y elástico-plástico, sufrieron un daño más generalizado —el segundo más que el primero [Figura inferior]— aunque la ventaja era que había una mejor distribución de la tensión y un incremento del 34% en la resistencia de la telaraña. Pero, en la naturaleza, los hilos radiales y los espirales tienen distintas propiedades mecánicas. Los radiales son más gruesos y rígidos (hilo Dragline) y son los encargados de aumentar la capacidad de carga y dar soporte a la red, mientras que los espirales son más elásticos y viscosos y se encargan de la captura. Para ver el efecto de los diferentes tipos de hilos, los investigadores añadieron estas modificaciones a su simulación y los probaron con los tres comportamientos del experimento anterior. Los resultados fueron similares. Finalmente, el último experimento consistía en aplicar una fuerza global (ya no puntual como en las pruebas anteriores). Para ello simularon la respuesta de la telaraña a vientos de diferentes velocidades. El efecto también fue probado en los tres tipos de comportamiento elástico. A bajas velocidades de viento (10m/s), los tres comportamientos respondieron de la misma manera. Sin embargo, a mayores velocidades, la deformación de la telaraña fue mayor en el modelo original (no lineal) que en los modelos lineal y elástico-plástico....

Cranford, S., Tarakanova, A., Pugno, N., & Buehler, M. (2012) Nonlinear material behaviour of spider silk yields robust webs. Nature, 482(7383), 72-76. DOI: 10.1038/nature10739

Decoración islámica cuasiperiódica con regla y compás.

2012-02-02T12:05:11Z

Torre Azul de Magarheh (Irán) Hace unos meses y con motivo de la concesión del premio Nobel de química a Daniel Shechtman, hablábamos del arte geométrico islámico y cómo los patrones de diseño bidimensionales correspondían a las pautas de los cuasicristales. Esos patrones se habrían formado por teselación con azulejos, de abajo a arriba. Ahora Rima al Ajlouni, de la Tech University de Texas (EE.UU.), afirma haber encontrado ejemplos perfectos de estructuras cuasiperiódicas en la decoración de tres edificios medievales islámicos y demuestra que la construcción de los mismos no se realiza por teselación, apuntando que es necesario tan sólo regla y compás. Los resultados se publican en Acta Crystallographica Section A [1]. Desde que se descubriesen los cuasicristales en los años 80 del siglo XX tanto científicos como especialistas en artes decorativas se habían dado cuenta de la semejanza entre la decoración de algunos lugares de culto islámicos y las estructuras geométricas cuasiperiódicas. Una característica fundamental compartida es que las pautas son diferentes dependiendo del tamaño de la región observada. En 2007 Peter Lu (Harvard) y Paul Steinhardt (Princeton) informaron [2] en Science de que habían encontrado un ejemplo de patrón geométrico del siglo XV en Isfahán (Irán) que representaba una teselación de Penrose casi perfecta. Tal y como explicamos en Arte islámico y cuasicristales, los investigadores concluían que los artesanos probablemente hubiesen creado los patrones usando un conjunto de azulejos de distintas formas, cada uno decorado con líneas que se unían para formar la estructura final. Es decir, que el motivo se construía por leyes locales, con azulejos que se podían dividir y solapar. Ninguno de los métodos propuestos por distintos investigadores ha conseguido explicar, sin embargo, como estos artesanos terminaban proporcionando una armonía general a sus diseños. Madraza al Attarin de Fez (Marruecos) Al Ajlouni afirma haber encontrado tres ejemplos de patrones cuasiperiódicos sin imperfecciones en edificios medievales islámicos. El primer patrón es el conocido como “rueda de carro” y es característicos de la arquitectura selyúcida (un imperio que se extendió desde Turquía a Afganistán). Al Ajlouni encuentra ejemplos en el Santuario de los Imames (Darb-i Imam, 1453), precisamente el edificio que más estudiaron Lu y Steinhardt, y la Mezquita del Viernes (también llamada mezquita jameh, o gran mezquita; alrededor de 1100), ambos en Isfahán. El segundo patrón aparecería en las paredes interiores del patio de la madraza al-Attarin (1323) de Fez (Marruecos, 1323). Finalmente, el tercero, también estudiado por Lu y Steinhardt aparece en la paredes externas de la Torre Azul (Gunbad-i Kabud, 1197) en Maragheh (Irán). La autora muestra en el artículo que los antiguos diseñadores islámicos fueron capaces de resolver los problemas a rangos grandes que origina la cuasiperiodicidad. En los tres ejemplos considerados, Ajlouni reconstruye los patrones y muestra que el tamaño de la figura “semilla” central es proporcional al tamaño del marco general del patrón. No sólo eso, también demuestra que pueden construirse empleando tan sólo regla y compás. "Semilla" y desarrollo del patrón de la Torre Azul de Magarheh Si bien el hallazgo es interesante, lo es más desde el punto de vista matemático, revelando el nivel alcanzado por los artesanos islámicos, que químico o de ciencia de los materiales, como pretende la autora. La estructura de los cuasicristales ya ha sido determinada con gran precisión, experimental y matemáticamente (la cuestión candente es cómo crecen de esta manera, pero este es otro tema). Referencias: [1] Al Ajlouni, R. (2012). The global long-range order of quasi-periodic patterns in Islamic architecture Acta Crystallographica Section A Foundations of Crystallography, 68 (2) DOI: 10.1107/S010876731104774X [2] Lu, P., & Steinhardt, P. (2007). Decagonal and Quasi-Crystalline Tilings in Medieval Islamic Architecture Science, 315 (5815), 1106-1110 DOI: 10.1126/science.1135491...

Al Ajlouni, R. (2012) The global long-range order of quasi-periodic patterns in Islamic architecture. Acta Crystallographica Section A Foundations of Crystallography, 68(2). DOI: 10.1107/S010876731104774X

Lu, P., & Steinhardt, P. (2007) Decagonal and Quasi-Crystalline Tilings in Medieval Islamic Architecture. Science, 315(5815), 1106-1110. DOI: 10.1126/science.1135491

Físicos vuelven invisible un suceso en el tiempo

2012-01-07T17:47:02Z

Usando materiales que modifican la velocidad de la luz crean un hoyo temporal donde cualquier suceso puede ser ocultado. Tener una capa de invisibilidad temporal sería el sueño de cualquier asaltante de bancos o museos porque le permitiría hacer todas sus fechorías sin que nadie se diera cuenta de ello. Así que, para todos los malhechores que leen diariamente el blog les traigo una “excelente noticia”. Físicos de la Universidad de Cornell (Estados Unidos) han demostrado experimentalmente que crear hoyos temporales es posible. Según un estudio publicado el 4 de Enero en Nature, el grupo de investigadores liderados por el Dr. Moti Fridman lograron ocultar sucesos durante 50 picosegundos (0.00000000000005 segundos). Nosotros podemos ver objetos, y por lo tanto, sucesos gracias a la luz. La materia tiene la propiedad de interactuar con ella, ya sea absorbiéndola, reflejándola, dispersándola o refractándola. Entonces, si logramos modificar estas propiedades podríamos modificar la forma en cómo detectamos un determinado objeto. Estoy seguro que muchos recordaremos haber visto en los dibujos animados o en el Chapulín Colorado la famosa “pintura invisible”. Bastaba untarte un poco de ella para desaparecer completamente. Bueno, si bien no existe dicha pintura, existen materiales artificiales (metamateriales) con índices de refracción negativos o que cambian a lo largo de toda su estructura, haciendo que la luz, en vez de chocar contra ella y dispersarse —como lo haría típicamente al toparse con cualquier objeto— lo rodee tal como lo hace una corriente de agua cuando hay una piedra en medio. La luz seguirá su rumbo como si no hubiera nada en frente, creando una capa de invisibilidad espacial. Entonces, si pudiéramos crear un hueco en medio de un rayo de luz, ¿todo lo que esté o pase durante el tiempo que dure ese hueco sería invisible ante nuestros ojos?. Sí, porque la luz no interactuará con el objeto y, por lo tanto, no modificará ninguna de sus propiedades. Esto fue precisamente lo que hicieron los investigadores de la Universidad de Cornell. Fridman y sus colegas usaron una lente de tiempo dividida (STL) y un medio dispersivo. Seguro se estarán preguntando ¿qué es una lente de tiempo? Bueno, si recuerdan sus cursos de óptica, las lentes normales (lentes ópticas) son dispositivos que convergen (concentran) o divergen (separan) los rayos de luz espacialmente. Las lentes de tiempo hacen lo mismo, pero no en el espacio, sino en el tiempo. Sabemos que la luz visible está compuesta por diferentes longitudes de onda, cada una cae dentro de un rango de color específico. Así que este tipo de lentes hace que la luz cambie de color en diferentes momentos en el tiempo. La STL, por su parte, hace esto pero de dos formas, una mitad separa los colores azules y la otra los colores rojos, en diferentes momentos. Luego, la luz separada en colores pasa a través de un medio dispersivo el cual modifica la velocidad de la luz según su color. El primer medio dispersor hace que los rayos de luz roja se vuelvan más lentos que los azules creándose un hueco. Todo lo que ocurra en este hueco será invisible porque no habrá luz que interactúe con el suceso. Luego, para regenerar el rayo de luz y sea apreciado como si nada hubiera pasado, el sistema se repite pero de forma inversa. El medio dispersivo esta vez hará que los rayos de luz azul sean más lentos y otra STL volverá a unir los rayos de luz para regenerar el original. Este video lo explica de manera detallada: Sin dudas es un bonito experimento que demuestra la factibilidad de crear una capa de invisibilidad temporal. El estudio ya había sido pre-publicado en el mes de Julio del 2011 vía ArXiv.org y el blog Aventura de la ciencia lo comentó en aquel entonces. Como pueden ver los investigadores usaron un pulso de rayo láser verde el cual atravesó la lente de tiempo dividida y el medio dispersivo (fibra de modo simple) con el que lograron generar una capa de invisibilidad temporal de 50 picosegundos (50 veces la milésima de la millonésima de la millonésima parte de un segundo). El suceso que ocultaron durante este periodo de tiempo fue un pulso de luz con la capacidad de interactuar con el rayo láser. Los resultados mostraron que la amplitud del evento se redujo en más de 10 veces. Ahora los físicos buscan combinar las capas de invisibilidad espacial con la temporal y lo creen poder hacer porque ambas actúan en dimensiones físicas diferentes. La principal aplicación que se le puede dar es mejorar la seguridad de la transmisión de información a través de las redes de fibra óptica, así que Fridman y sus colegas están buscando crear capas de invisibilidad temporal mucho más largas, del orden de los micro y, por qué no, de los milisegundos. P.D: Siento desilusionar a mis lectores asaltantes que llegaron hasta este punto de la historia. Referencias: Fridman, M., Farsi, A., Okawachi, Y., & Gaeta, A. (2012). Demonstration of temporal cloaking Nature, 481 (7379), 62-65 DOI: 10.1038/nature10695 Boyd, R., & Shi, Z. (2012). Optical physics: How to hide in time Nature, 481 (7379), 35-36 DOI: 10.1038/481035a Video vía Scientific American Blogs. Esta entrada participa en el VI Carnaval de la Tecnología celebrado este mes en Scientia. BioUnalm...

Fridman, M., Farsi, A., Okawachi, Y., & Gaeta, A. (2012) Demonstration of temporal cloaking. Nature, 481(7379), 62-65. DOI: 10.1038/nature10695

Boyd, R., & Shi, Z. (2012) Optical physics: How to hide in time. Nature, 481(7379), 35-36. DOI: 10.1038/481035a

Desarrollan técnica para detectar esporas de ántrax en sobres cerrados

2012-01-04T22:17:02Z

Científicos usaron una variante de la espectroscopía Raman. Desde el 11 de Septiembre del 2001, Estados Unidos ha reforzado las medidas de seguridad de sus aeropuertos y servicios postales ante la amenaza de cualquier atentado terrorista. Una forma típica de ataque es a través de agentes infecciosos sumamente virulentos y cuyo tratamiento es ineficiente o inexistente (bioterrorismo). Tal es el miedo que hace poco se ha puesto una moratoria a la publicación de dos artículos —uno en Science y otro en Nature— sobre el desarrollo en el laboratorio de una cepa de la gripe H5N1 sumamente virulenta. El problema es que las técnicas empleadas para detectar cualquier tipo de espora o partícula viral dentro de sobres y cartas son ineficientes. La resolución obtenida o la interferencia con otros compuestos presentes dentro (Ej.: papeles, polvo y otros químicos no peligrosos) dificultan el trabajo. Un grupo de investigadores estadounidenses liderados por el Dr. Rajan Arora de la Universidad de Wisconsin han logrado detectar la presencia de esporas de ántrax dentro de sobres cerrados usando una variante de la espectroscopía Raman según un artículo publicado el 3 de Enero en PNAS. De manera sencilla, la espectroscopía Raman se basa en el cambio de la frecuencia de los fotones de luz al interactuar con las moléculas. Esto dependerá de la rotación y vibración de los enlaces. Cada molécula tiene un patrón específico de dispersión que permite identificarlo. El problema es que el papel y todo lo que haya dentro de los sobres interfieren con la luz incidente y la señal emitida por el componente de interés disminuyendo considerablemente su intensidad o creando un ruido de fondo. La solución llegó en el 2002 cuando Scully et al. mejoraron la intensidad de la señal usando la espectroscopía de dispersión anti-Stokes Raman coherente (CARS). Esta técnica genera un estado de máxima coherencia molecular que se da cuando las moléculas oscilan a una amplitud máxima y todas al unísono. En el presente estudio, Arora y sus colaboradores combinaron CARS con la microscopía Raman coherente para reducir la interferencia del medio y aumentar la rapidez de detección de esporas de ántrax dentro de sobres cerrados. Para ello usaron pulsos cortos de dos rayos láser combinados y enfocados sobre la muestra permitiendo obtener un espectro de dispersión de buena resolución. Para demostrar la eficacia de la técnica, los investigadores pusieron dentro de unos sobres cerrados un poco de ácido dipicolínico (DPA), el principal componente de las esporas del ántrax, y lograron identificar claramente su patrón de dispersión. Para complicar la cosa, mezclaron el DPA con polvo de tiza, para ver si la técnica era capaz de diferenciarlos. Como era de esperarse, la microespectroscopía CARS lo pudo hacer aunque la intensidad de la señal se redujo de manera considerable. Además, la técnica no sólo permitió identificar los componentes sino determinar su ubicación y hasta concentración dentro del sobre. La velocidad de análisis es de aproximadamente 100ms por campo de observación, no muy rápida como para analizar un sobre entero de forma instantánea. Sin embargo, esta técnica puede emplearse junto a otras como la microscopía óptica de transmisión para hacer el CARS sólo en regiones sospechosas del sobre. Referencia: Arora, R., Petrov, G., Yakovlev, V., & Scully, M. (2012). Detecting anthrax in the mail by coherent Raman microspectroscopy Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1115242108 BioUnalm...

Arora, R., Petrov, G., Yakovlev, V., & Scully, M. (2012) Detecting anthrax in the mail by coherent Raman microspectroscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.1115242108

El mundo subatómico de la biología: Biología cuántica

2012-01-01T20:45:51Z

Los seres vivos no somos más que un conjunto de átomos maravillosamente organizados, así que estamos gobernados por sus leyes y principios. Sin embargo, el mundo subatómico no se parece en nada al que los biólogos están acostumbrados estudiar. En el presente artículo trataré de ver en qué medida puede afectar el comportamiento de las partículas subatómicas al mundo vivo que conocemos, sin adentrarnos en conceptos ni ecuaciones complicadas (no soy físico y sería muy difícil para mí explicarlos), tratando de que al menos les quede una idea —algo reduccionista— de cómo ciertos aspectos complejos de la vida pueden llegar a ser netamente físicos. Los orígenes Hace un poco más de 80 años, el físico alemán Werner Heisenberg propuso los conceptos centrales de la física cuántica que buscaba explicar ese misterioso mundo de los átomos, donde los fotones y los electrones se comportan de una manera realmente extraña, a veces lo hacen como onda y otras como partícula, fenómenos que no pueden ser explicados usando las leyes de la mecánica clásica de Newton. Heisenberg dio una brillante salida a este problema planteando su famoso principio de la incertidumbre. En él decía que es imposible determinar el estado de una partícula. En otras palabras, no podemos cuantificar exactamente la masa, energía, posición y momento lineal (cantidad de movimiento), en un determinado instante porque los valores no son fijos sino que están dentro de un rango, donde habrán valores que serán más probables de obtener que otros. El problema es que cuanto más nos acercamos a un valor probable para una propiedad, más nos alejamos del valor probable para otra propiedad. Tal vez este concepto nos parezca extraño —lo fue hasta para el propio Albert Einstein— porque vivimos en un mundo macro, donde las cosas pueden ser medidas con facilidad y casi de manera “exacta”, la única limitante es la precisión del equipo que usemos. Sin embargo, a nivel atómico, el impacto de la incertidumbre es muy grande. Pero no sólo la incertidumbre es significativa en dimensiones espaciales pequeñas sino también en dimensiones temporales pequeñas y esto es relevante para la biología, donde muchos procesos moleculares (Ej.: reacciones enzimáticas, excitación de fotorreceptores o transporte de electrones) se dan en periodos de tiempo extremadamente cortos, a nivel de los femtosegundos (1fs = 0.000000000001s). Entonces, si no podemos determinar la posición exacta de un electrón o el nivel de energía que tenga, cómo podemos estudiar las reacciones bioquímicas a nivel molecular. La respuesta la dio el físico austriaco Erwin Schrödinger —sí, aquel que perdió su gato y ofrecía una jugosa recompensa por quien lo encontrara vivo y muerto—. Él desarrolló una ecuación en la que consideraba a la incertidumbre, en cualquier sistema, como la probabilidad de encontrar una partícula en un lugar y momento determinado. Cuando un electrón interactúa con otro —tal como se da en una reacción química— deja de tener una posición incierta (descrita por una función de onda) para adquirir una posición definida. A esto los físicos llaman colapso de la función de onda, un concepto que vimos en el video anterior. Por si no lo sabías, Schrödinger fue considerado el padre de la biología cuántica tras publicar su libro “What is life?” (“¿Qué es la vida?”) en 1944. Sin embargo, una solución alternativa y sencilla de la ecuación de Schrödinger fue planteada por Walter Kohn en la década de 1960’s llamada Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). En vez de analizar cada electrón del sistema en base a su función de onda, se combinó a todos los electrones en una única función de densidad. Esto simplificaba enormemente los cálculos porque ya no había que determinar la posición de cada electrón en una molécula, el cual nos da 3N variables (donde N es el número de electrones), sino todos eran analizados a la vez en función a su densidad electrónica que depende sólo de 3 variables. La DFT no pudo ser aprovechada hasta entrada la década de 1990’s, cuando el poder computacional se incrementó considerablemente permitiendo hacer todos estos cálculos de manera más rápida. No obstante, a pesar de las supercomputadoras que tenemos en la actualidad, pocos átomos pueden ser analizados de manera simultánea (hasta 100 por vez). Mecánica cuántica en sistemas biológicos La biología cuántica puede considerarse como la evolución natural de la biofísica, esa rama que estudia el comportamiento y la dinámica de las moléculas y estructuras más elementales de los seres vivos (Ej.: el plegamiento de las proteínas, la elasticidad del ADN, la fuerza protón motora, las cadenas transportadora de electrones, la fluidez de la membrana celular, la naturaleza de los impulsos eléctricos, la percepción de los colores, etc.). Se dice que es una evolución natural porque la biofísica actual aún se basa en los principios establecidos por la mecánica newtoniana, algo que como vimos párrafos atrás ya no puede ser aplicado a un nivel tan elemental como es el mundo de las moléculas y los átomos. Brújula biológica Un ejemplo del efecto cuántico en los sistemas biológicos se da en el sistema de navegación de ciertas aves, tortugas y hasta en la mosca de la fruta (magnetorrecepción). Los criptocromos son unos fotorreceptores que capturan la luz de longitudes de onda que van de 380 a 450nm (entre la UV y la azul). Por un mecanismo aún desconocido, cada vez que un fotón de esta longitud de onda golpea los criptocromos se genera un par de electrones con espines (momento angular o rotación) entrelazados, una propiedad típica de la mecánica cuántica. El entrelazamiento cuántico se da cuando dos partículas comparten una propiedad mutuamente dependiente, de manera instantánea y sin importar la distancia a la que se encuentren. Por ejemplo (tomado y adaptado de Cuentos Cuánticos), tenemos una partícula verde, la cual está conformada por dos componentes: una subpartícula amarilla y una azul. Si desintegramos la partícula verde en sus dos componentes esenciales y uno lo guardamos en nuestra casa y el otro lo mandamos a Júpiter, hasta no observar el color del componente que nos tocó, no sabremos el color del otro, ¿cierto?. En este caso podemos afirmar que nuestro componente —y el que está en Júpiter— es amarillo y azul a la vez (estado de coherencia), pero en el momento que observemos uno de los dos, y por azar me da azul, puedo afirmar rotundamente que el otro es amarillo (estado entrelazado). Esto quiere decir q...

Rinaldi, A. (2011) When life gets physical. EMBO reports, 13(1), 24-27. DOI: 10.1038/embor.2011.236

Breithaupt, H. (2006) The costs of REACH. REACH is largely welcomed, but the requirement to test existing chemicals for adverse effects is not good news for all. EMBO reports, 7(10), 968-971. DOI: 10.1038/sj.embor.7400816