¡Esta es una manualidad Art Attack!

 "En primer lugar acabemos con Sócrates, porque ya estoy harto de este invento de que no saber nada es un signo de sabiduría."

  - Isaac Asimov

Pongamos que tenemos esta molécula con forma de banda o cinta.(Fig 1)

Figura 1

Y supongamos que tenemos la super nave de Neil DeGrasse Tyson en Cosmos y nos reducimos a escala nanométrica (ojalá), ya que queremos conseguir un anillo digno de la mejor bisutería formado por UNA sola fila carbonada, en la que TODOS los átomos de oxígeno que contiene nuestra molécula quedasen en la superficie de nuestro anillo. Es mucho pedir, sí. No nos saldrá rentable, no. Pero soñar es gratis.

¿Cómo lo haríais?

 Si no nos detuviésemos a pensarlo por un momento, la respuesta más rápida sería: “Pues unimos los dos extremos y cortamos a lo largo del anillo”. Si esto fuese un examen sería la típica cagada a causa de no leer bien el enunciado y de la que te acuerdas durante meses mientras lloras en un rincón. Ya que haciendo esto no obtendriamos el anillo deseado, sino más bien un par de pendientes la mar de monos con la mitad de oxígenos en cada uno.

Pero, ¿y si giramos uno de los extremos 180 º y después los unimos? VOILÀ! ¡Tenemos una banda de Möbius química!. Si ahora cogemos nuestra banda de Möbius y la recortamos a lo largo tendremos nuestro exclusivo anillo molecular.

Figura 2: Formación de nuestra exclusiva bisutería nanométrica. Como se puede observar el ozono (O₃) actúa como tijera ‘cortando’ los dobles enlaces de la estructura de nuestra banda.

(Si resulta complicado de ver ¡no es ningún problema!, coged un folio, celo, tijeras y recortad dos tiras, que van a representar nuestra molecula problema. Si seguimos los pasos correctamente al unir los dos extremos de una tira con celo y recortando a lo largo deberíamos obtener 2 anillos pequeños, mientras que al recortar la banda que previamente hemos unido dando un giro de 180º a uno de los extremos, obtendremos un anillo grande con dos giros completos.)

La Banda de Möbius química fue primeramente propuesta independientemente por Wasserman y van Gulick en 1960. Pero no fue hasta 20 años más tarde que David M. Walba consiguió sintetizar esta banda de Möbius química (a la que él denominó como ‘escalera de Möbius), que es exactamente la molécula a partir de la cual hemos obtenido nuestro precioso anillo. 

Este tipo de estructuras dieron origen a un área de la ciencia que cayó en el olvido pero que no deja de ser por ello menos fascinante: la ‘Topología química’. Esta pequeña ramita del arbol de la ciencia consistió en el matrimonio de la química orgánica de síntesis y la topología geométrica (o topología de bajas dimensiones) .

Una pequeña descripción que le podríamos dar a esta Topología química ó Topología molecular es que se trata de una parte de la química matemática que trabaja en la descripción algebraica de compuestos químicos, de modo que permiten una caracterización única y fácil de ellos. 

Fue a raíz de el nacimiento de esta olvidada categoría científica que los anteriormente mencionados, Wasserman y van Gulick, describieron por primera vez la posibilidad de sintetizar compuestos del tipo catenano y rotaxano de base carbonada. (Figura 3)

Figura 3: Estructura de tipo rotaxano (izq) y estructura de tipo catenano (dcha)

Un rotaxano sería algo así como una mancuerna de estas para ponernos fortotes en la que hemos introducido una goma de pelo quedando esta 'atrapada' dentro. Por otro lado una estructura de tipo catenano es como una cota de malla, en la que cada aro sería un macrociclo. Si uno se para a pensar podría decir ' Un momento, pero el hecho de que estén unidos indirectamente, ¿no podría decir que de una manera u otra están enlazados?' Y así es, este tipo de estructuras han dado origen a un 'nuevo' tipo de enlace: El enlace mecánico.

Si continuaseis con vuestro muy acertado razonamiento veríais que su estabilidad, es decir, la dificultad que tendríamos para romper el enlace, ¡es la misma que la un enlace covalente!.

¿Pero cómo es esto posible? 

Muy fácil. Por ejemplo, en el caso del catenano si tenemos dos ciclos de carbono unidos entre sí a través de un enlace mecánico la energía necesaria para romperlo ¡sería la misma energía necesaria para la ruptura de un enlace Carbono-Carbono! Ya que si rompemos uno de los ciclos carbonados el enlace mecánico desaparece. (Figura 4)

Figura 4: Esquema de la ruptura del enlace covalente entre dos carbonos de uno de los ciclos que lleva a la consecuente ruptura del enlace mecánico. Está además extremadamente bien dibujado con un programa de modelación 2D y 3D de última generación (Paint).

Hasta principios de los años 80, los catenanos y rotaxanos, eran únicamente estudiados por sus propiedades geométricas, y en definitiva matemáticas. Por lo que fueron considerados por la mayoría de los químicos de la época más como curiosidades académicas con poco potencial, que algo con verdaderas aplicaciones prácticas (muy mal, quimicos de los 70. Muy mal). Con el aumento de interés en el campo de desarrollo de la química supramolecular, sin embargo, los químicos han sido capaces de aplicar sus nuevos conocimientos de las interacciones no covalentes a la síntesis química de nuevos fármacos, las denominadas máquinas moleculares, tintes 'ultraestables', y un sinfin de nuevas aplicaciones.

               ------------------------------------------------------------------------------------

A modo de extra quería proponeros otra manualidad Art Attack y así vemos algo del interés geométrico que han visto siempre los matemáticos en la cinta de Möbius y sus derivados. Así que os recomiendo que os arméis con papel, tijeras y celo y vayáis siguiendo los pasos que iremos viendo.

Antes hemos visto que ocurría al cortar una cinta circular recta (dos cintas más pequeñas) y al cortar una cinta de Möbius (una cinta más grande). Vamos a dar un paso más. 

Si cortamos a lo largo del anillo dos cintas circulares rectas unidas con celo en un punto de la siguiente manera:

El resultado es: ¡Un cuadrado!...Bueno, la verdad es que no suena tan interesante, sigamos.

¿Qué ocurriría si ahora cogemos y unimos una cinta recta con una de Möbius?:

El resultado tras cortalas es: ¡Otro cuadrado!... vaya por Dios. Qué poco emocionante. (O no)

Curioso que el giro de la segunda cinta no haya modificado el producto final ¿no?. Vamos a por un último experimento, a ver si obtenemos un resultado más vistoso.

Una cinta de Möbius puede tener distintas quiralidades. Es decir. A la hora de hacer nuestra cinta de Möbius con papel y celo podemos realizar el giro de 180º de uno de sus extremos hacia la derecha o hacia la izquierda. ¿Qué ocurriría si unimos dos cintas de Möbius con distintas quiralidades y cortamos a lo largo de ambas cintas?

Cortamos a lo largo y... 

:D

Parece que en 'El electrón manco' nos vamos ya preparando para San Valentín ;)

¡Un abrazo amantes de la ciencia y de la cultura!

                                                                                                                                                    D.

En busca de la Cámara Secreta.

“(Mi padre) me aconsejó que, cada pocos meses, me sentara en mi sillón de lectura durante una tarde entera, que cerrara los ojos y tratara de pensar en nuevos problemas para resolver. Me tomé este consejo muy en serio y me he alegrado siempre que lo he hecho”. 

Luis W. Álvarez en Adventures of a Physicist (1987).

Todos conocemos las conspiraciones alrededor de la muerte de JFK y estamos más que acostumbrados a oír que los dinosaurios desaparecieron de este punto azul pálido por la caída de un meteorito en la península de Yucatán (México) hace unos 65 millones de años, pero poca gente sabe qué personaje, fundamental para la Historia de la Ciencia, se preocupó de desvelar los misterios que hay detrás de este tipo de teorías. En este blog no discutiremos cómo fue realmente la muerte de JFK o la razón por la cual no tenemos un Tiranosaurio Rex como mascota, pero sí nos adentraremos en el corazón de las pirámides de Egipto…

En el año 1911 nació Luis Walter Álvarez en San Francisco (California), uno de los físicos experimentales más brillantes del siglo XX. Pocas veces uno se encuentra con la biografía de un científico tan particular. Desde pequeño Luis W. empezó a interesarse por temas de muy distinta naturaleza y, tras estudiar en la Universidad de Chicago y conseguir un cierto prestigio como físico, no dejó de interesarse por temas ajenos a su especialidad, lo cual a uno le parece bastante admirable. Por otro lado, hizo lo que un científico debe hacer, aprovechar su conocimiento para mejorar otras áreas, como Luis W. lo hizo para la Arqueología. 

Figura 1. Luis Walter Álvarez (1911-1988).

Tras varios años estudiando la naturaleza de la radiación y sus aplicaciones, fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1968 por su contribución decisiva a la física de partículas, y tras ello, en el esplendor de la Arqueología, trabajó con esfuerzo para desvelar los misterios de las pirámides de Egipto. 

Como todos sabemos, los faraones eran muy suyos y nunca quisieron que se supiera la metodología llevada a cabo para construir las pirámides, unos complejos funerarios que les garantizaban llegar a la otra vida con todos sus bienes. A 20 kilómetros de El Cairo, en Giza, podemos encontrar dos de las pirámides más grandes jamás construidas con 4500 años de antigüedad, las pirámides de Keops y de Kefrén. Se corresponden con un complejo funerario erigido para contener las tumbas de los faraones que les dan nombre, los cuales fueron pertenecieron al período histórico conocido como Reino Antiguo, entre el año 2550 y 2470 a.C.

Figura 2. Pirámides de Keops y Kefrén (Giza).

Cuando los arqueólogos intentaron con todos sus esfuerzos descubrir cada rincón construido de las pirámides, se dieron cuenta de que si no sabían entrar en los lugares secretos, nunca llegarían a conocer los misterios que éstas esconden. Es en este punto donde la física de partículas y Luis Walter Álvarez entraron en juego. 

La primera idea que se le vino a la cabeza al genial físico fue la de utilizar Rayos X y hacer, literalmente, una radiografía a las pirámides, aunque una radiografía especial. La primera hipótesis consistió en colocar una fuente de Rayos X en el interior de las pirámides y registrar los rayos X que atravesaran la roca. Los Rayos X son ondas electromagnéticas con una alta energía, capaces de llegar a las zonas más internas de los átomos e ionizarlos. Esta propiedad es la que los hace tan dañinos para los tejidos. En este proceso, la materia absorbe dichos rayos, de tal manera que cuanta más materia haya en el recorrido de los Rayos X, menor intensidad irán teniendo. En este sentido, la idea era registrar los Rayos X en la superficie de las pirámides y, si se observaban zonas donde la absorción de estos rayos era menor, significaría que dentro de las pirámides había una cámara secreta a nuestros ojos.

Figura 3. Hipótesis de los Rayos X. Al poner una película en las caras de la pirámide se registraría la radiación no absorbida por la roca. Zonas con mayor intensidad se relacionarían con cámaras ocultas.

El problema de esta metodología fue, por una parte, la poca penetración que tenían los Rayos X desde el interior de las pirámides hasta el exterior y, por otro lado, el gran tamaño de las películas fotográficas que habría que colocar sobre las caras de la pirámide para registrar dichos rayos. Por estos motivos, se tuvieron que buscar alternativas para descubrir dichas cámaras. 

En el año 1936 Carl D. Anderson (1901-1991), físico estadounidense, descubrió un tipo de partículas muy especiales, los muones. Estas partículas son muy parecidas a los electrones, pero con la particularidad de que pesan 200 veces más. Los muones se generan cuando la radiación cósmica, que se forma en las nebulosas y supernovas, llega a la atmósfera y choca con los núcleos de los átomos que la conforman. En este proceso, los protones existentes en dicha radiación colisionan con dichos núcleos formando nuevas partículas, de entre ellas el muón.

Figura 4. Proceso de formación de un muón (y otras partículas) cuando un protón de alta energía choca contra un núcleo atómico.

Pues bien, da la casualidad de que constantemente estas partículas están atravesando todo cuerpo que esté sobre la superficie de la Tierra, lo cual le sirvió de inspiración a Luis W. Álvarez para detectar las cámaras en las pirámides. 

En este caso, inspirándose por la hipótesis de los Rayos X, la idea fue colocar dentro de la pirámide un detector y registrar la cantidad de muones que atravesaban la pirámide, desde fuera de ésta. De una manera similar al uso de Rayos X, cuando los muones atraviesan la materia van perdiendo energía y la cantidad de éstos que llegarían al interior de la pirámide, tras atravesar las paredes, sería menor que la que hubiese fuera de éstas. En este sentido, si se supiese cuántos muones deberían llegar al interior de la pirámide, en ausencia de cámaras, se podría conocer si hay cámaras en la pirámide. 

Inicialmente, determinaron el número de muones que deberían llegar al detector en ausencia de cámaras ocultas, lo que les permitió realizar un “mapa numérico” en el que se representaban la cantidad de muones detectados en cada punto de la pirámide. Una vez conseguido ésto, el equipo de Luis W. Álvarez colocó un detector de cámara de chispas en una de las cámaras conocidas de la pirámide de Kefrén, la de Belzoni, registrando casi el mismo número de muones que los esperados en ausencia de cámaras ocultas. 

Figura 5. Mapa en el que se registran el número de muones que llegarían al detector en ausencia de cámaras ocultas.

Si hubiese habido alguna cámara oculta, al haber un hueco dentro de la pirámide, se hubiesen registrado más muones en el detector de los esperados, confirmando así que hay una cámara oculta. 

Figura 6. Hipotético mapa en el que se muestra la diferencia entre el número de muones registrados y los esperados en ausencia de cámaras para la zona noroeste. La zona señalada presenta mayor diferencia entre el número de muones registrados y los esperados, señal de que habría una cámara oculta.

Los resultados fueron negativos, y la técnica debió ser mejorada, pero permitió determinar inequívocamente que dentro de la pirámide de Kefrén no había ninguna cámara más, aparte de la de Belzoni. 

Actualmente se está empleando esta metodología, con ciertas mejoras, en la investigación arqueológica hasta tal punto de formarse el proyecto Scan Pyramids (publicado a finales de octubre de 2015) e intentándose obtener imágenes en 3D de diferentes pirámides como la de Seneferu en Dahshur, la pirámide de Zoser en la necrópolis de Saqqara y las pirámides de la necrópolis de Guiza y otros monumentos del Imperio Antiguo de Egipto.

Si queréis seguir investigando sobre cómo Luis W. Álvarez colaboró para el descubrimiento de nuevas cámaras en restos arqueológcos, sus estudios sobre el asesinato de JFK o cómo llegó a la hipótesis de la extinción de los dinosaurios, junto con su hijo, os invito a leer el artículo (en inglés) que se encuentra aquí. Por otro lado, si queréis informaros de las novedades de este tipo de técnicas, podéis visitar un artículo sobre el proyecto Scan Pyramids , o bien este otro del Smithsonian 

¡Saludos!