Las Reglas del Montón

Un experimento a bordo de la Estación Espacial Internacional está ayudando a los físicos a descifrar el comportamiento de grupo de átomos y moléculas.

Por sí sola una molécula de agua no es muy interesante. Un oxígeno. Dos hidrógenos. ¿Que más se puede decir? Pero coloca muchas moléculas de agua juntas... Obtienes copos de nieve, arco iris, hielo duro, lluvia fina refrescante, agua infinitamente flexible.

Átomos y moléculas en masa pueden hacer casi de todo y los físicos lo saben. De hecho, sueñan con ello. Al combinar los tipos exactos de moléculas bajo las condiciones idóneas, debería ser posible fabricar, por ejemplo, aleaciones de metal irrompibles, superconductores a temperatura ambiente, cubiertas de naves espaciales auto-reparables inmunes a meteoroides y a erupciones solares. Cualquier cosa.

La promesa de "materiales según diseño" es estupenda, pero hay un problema: Grupos de moléculas, como aglomeraciones de gente, pueden ser difíciles de predecir. Sólo en casos idealizados los físicos disponen de reglas simples, como la ley del gas ideal, para ayudarles a describir sistemas de muchas partículas. A veces esas reglas funcionan bien. Las maravillas de los materiales según diseño, sin embargo, se encuentran mas allá de lo ideal.

Los físicos fácilmente pueden manejar una o dos partículas. Las leyes de Newton, por ejemplo, describen el movimiento de un planeta alrededor del sol de forma tan simple y elegante que hasta los niños pueden resolver las ecuaciones. Agregue luego otro planeta; los tres cuerpos (sol, planeta y planeta) se atraen entre sí mientras se mueven. El "problema de los tres cuerpos" es complicado; es necesario utilizar computadores para resolverlo con exactitud.

En mecánica quántica también existe el problema de los tres cuerpos. La ecuación de Schrodinger es fácil de resolver para dos partículas, por ejemplo un electrón y un protón en un átomo de hidrógeno. Agregue un electrón más y, de nuevo, se necesita un computador.

Ahora imagínese, no tres, sino 1023 partículas. Este es el número de átomos o moléculas en algo como una cucharada de agua. Se atraen unas a otras, se adhieren entre sí, se estrellan entre ellas. El número de interacciones en un momento determinado es alucinante.

"Es imposible resolver las ecuaciones con exactitud para este sistema," dice el físico Peter J. Lu de la Universidad de Harvard. "Con 1023 partículas, para cada interacción es necesario derivar un término de la ecuación. Llegamos entonces a la conclusión de que deben hacerse aproximaciones porque el cálculo exacto está mas allá de las habilidades de cualquier científico (o de cualquier computador)".

¿Que hacer cuando incluso los supercomputadores no pueden resolver las matemáticas? Recurrir a la Estación Espacial Internacional (EEI).

Lu y su asesor de tesis doctoral, el profesor David Weitz están probando un dispositivo a bordo de la EEI que pudiera tener éxito, en cierta medida, donde los supercomputadores han fallado.

Es sencillo: Tome un recipiente de "materia pegajosa orgánica", dice Lu, y mézclelo con millones de esferas de Plexiglás. Agregue algunas espirales moleculares, miles de millones, y haga flotar la mezcla en el espacio. Este "dispositivo" es una mezcla coloidal, y es un buen modelo para la interacción de muchas partículas.

Los coloides son sistemas de pequeñas partículas suspendidas en fluido. (Jugo de naranja con pulpa en un ejemplo común.) Los físicos han sabido durante mucho tiempo que los coloides fabricados con cuidado pueden ser utilizados para simular multitudes de átomos o moléculas. Las partículas coloidales se ordenan ellas mismas como cristales; fluyen como fluidos; se expanden y contraen como un gas. Exhiben todo los comportamientos de agrupaciones, con una gran ventaja:

"Podemos ver los coloides," dice Lu. Mientras que es imposible observar átomos o moléculas individuales, las partículas coloidales son lo suficientemente grandes para verlas a través de un microscopio normal. Sus interacciones, y las estructuras que forman, pueden ser observadas directamente. ¡No se necesita ningún supercomputador!

En la Tierra las simulaciones coloidales tienen limitaciones. Las partículas tienen peso por la acción de la gravedad, tienden a posarse en el fondo del recipiente. Sin embargo, al flotar a bordo de la EEI, permanecen en suspenso, interaccionando tanto tiempo como los físicos quieran observarlas.

¿A que tipo de átomos y moléculas imitan los coloides?

Depende de la composición del coloide. Algunas esferas coloidales pueden contener carga, "así podemos hacer que se atraigan o se repelan" como los iones, dice Lu. "Podemos también mezclar coloides de diferentes tamaños, y variar sus proporciones para desarrollar estructuras de cristales diferentes que imiten materiales reales." Las posibilidades son infinitas.

Pero la investigación sólo está comenzando.

Desde hace unos meses, Weitz, Lu y colegas de la Universidad de Edimburgo (liderados por el Profesor Peter Pusey) han estado trabajando con seis coloides simples abordo de la EEI. Los astronautas hacen el trabajo real; Weitz y su grupo envían instrucciones desde la tierra. El nombre del experimento es Prueba-3 de Aleación de Coloide Binario (BCAT-3, abreviatura de Binary Colloid Alloy Test-3).

Uno de los coloides, el favorito de Lu, está hecho de esferas de Plexiglás de 400 nanómetros, espirales poliméricas (largas moléculas en forma espiral como un Slinky), y un fluido orgánico parecido a la gasolina. Las esferas son sustitutos de los átomos o moléculas. Las espirales poliméricas fuerzan a las esferas a interactuar. Lu explica: " Las espirales poliméricas actúan como un gas ideal. Se mueven todas por el liquido, aplicando presión a las esferas mas grandes. Cuando dos esferas se aproximan entre sí, el hueco entre ellas se hace demasiado pequeño para las espirales. Dentro del hueco, la presión baja y las esferas son atraídas. Al controlar el tamaño y la concentración de las espirales poliméricas, podemos controlar la fuerza de las interacciones entre las esferas de Plexiglás".

Esta mezcla de coloides parece ser un modelo prometedor para los fluidos supercríticos.

Un fluido supercrítico es un estado de materia de alta presión y alta temperatura mejor descrito como un "gas líquido", y como un maravilloso disolvente. El agua se muestra supercrítica en algunas turbinas de vapor -- y tiende a disolver las puntas de las aspas de las turbinas. El dióxido de carbono supercrítico se usa para quitar cafeína de los granos de café, y a veces para limpieza en seco de prendas de vestir. El combustible líquido de los cohetes es también supercrítico cuando sale de la cola de una nave espacial.

De especial interés es el "punto crítico" -- la presión y la temperatura en donde una sustancia llega a ser supercrítica. Cerca del punto crítico, la materia fluctúa. Las burbujas y gotas, algunas tan pequeñas como unos pocos átomos, algunas tan anchas como el recipiente en sí, aparecen y desaparecen, se mezclan y de separan. Weitz y Lu han podido observar estos tipos de estructuras en BCAT-3, y están llegando a nuevas conclusiones sobre los fenómenos del punto crítico.

Es sólo el principio, dice Lu. Si desea diseñar un fluido supercrítico... ¡buena suerte! Aunque quizás un día todo lo que se necesite sea un buen coloide.

Fuente: Ciencia en Nasa