Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

febrero 14, 2014

El grafeno: una maravilla en su lápiz

Tiene sólo un átomo de espesor, está formado por uno de los elementos más comunes del universo y aún no tiene diez años de edad... pero tiene el potencial de cambiar profundamente nuestras vidas.

Un trozo de grafito (arriba), un transistor de grafeno (abajo) y
el dispensador de cinta adhesiva de Andre Gein con el cual
se logró aislar el grafeno en 2004. (Foto D.P. de Gabriel
Hildebrand, Museo del Nobel, vía Wikimedia Commons)
No pasa un mes sin que las noticias científicas traigan nuevas posibles aplicaciones del grafeno, una forma de carbono aislada en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov en la Universidad de Manchester, Inglaterra.

El grafeno es más fuerte que el diamante, es uno de los mejores conductores del calor conocidos, conduce la electricidad 20 veces mejor que el cobre y tiene otras muchas propiedades singulares.

El carbono es la base de toda la vida, y uno de los elementos más sorprendentes, gracias a su enorme capacidad de unirse con muchos otros elementos y consigo mismo, formando millones de compuestos, entre ellos las proteínas que nos forman, las vitaminas, las hormonas, las enzimas o el ADN que transmite la información genética de generación en generación. Somos esencialmente carbono.

Los átomos de carbono se pueden unir entre sí de muy distintas formas. En estructuras irregulares es el carbón común, llamado carbono amorfo. Cuando forma una estructura en la cual cada átomo está unido a otros cuatro formando tetraedros que a su vez componen una sólida red tridimensional, es el diamante, el mineral natural más duro que existe

Hay otras formas en que se pueden unir los átomos de carbono. Los fulerenos son formaciones esféricas similares a las estructuras geodésicas creadas por Buckminster Fuller (de ahí su nombre). Los nanotubos son largos cilindros formados por una red hexagonal de un átomo de espesor, o la nanoespuma de carbono.

Y la forma más conocida y común del carbono es el grafito, que conocemos principalmente por nuestros lápices. Al escribir vamos depositando carbono en el papel. El grafito está formado por capas de una estructura regular en forma de malla hexagonal, como las utilizadas comúnmente en las jaulas de aves de corral donde cada átomo está unido a otros tres.

El grafeno es una capa de grafito de un solo átomo de espesor que había sido propuesta como una posibilidad teórica en 1947. En 1984 había especulaciones teóricas sobre la enorme conductividad eléctrica que tendría de existir. Y en 1987 se utilizó por primera vez la palabra “grafeno”.

Obtener una capa de grafito individual era un desafío tecnológico enorme, y varios grupos de investigadores empezaron a intentarlo desde la década de 1970. Además, nadie sabía si realmente se podría conseguir esa capa o resultaría totalmente inestable y se colapsaría de inmediato en alguna de los otras formas como nanotubos o fulerenos.

Según relatan Geim y Novoselov, empleaban distintos procedimientos tecnológicamente complejos para tratar de separar una capa de una muestra de grafito, con resultados poco alentadores: las más delgadas tenían unos 10.000 átomos de espesor. En el laboratorio, utilizaban cinta adhesiva común y corriente para limpiar las superficies de las muestras de grafito que utilizaban en sus experimentos. Un colega ucraniano, Oleg Shklyarevskii señaló que las escamas de grafito que quedaban en la cinta adhesiva parecían más finas que las obtenidas con procedimientos de laboratorio. Geim y Novoselov empezaron a utilizar la cinta adhesiva para obtener grafeno, algo que consiguieron en 2003, publicando sus resultados en 2004.

El grafeno no era inestable, era estable y resultaba un material extremadamente fuerte. Y, como habían propuesto los teóricos, tenía una enorme capacidad de conducción de cargas debido a un efecto cuántico llamado “de Hall”. Esa fue la primera característica del nuevo material, que era además prácticamente transparente.

En realidad, como se ha visto después, cada vez que escribimos con un lápiz de grafito producimos un poco de grafeno... los trazos oscuros implican que hay muchas capas de grafito, los más claros nos dicen que hay menos capas y, por allí ocultas, hasy algunas escamas de este material. Pero entonces no se sabía.

Desde su descubrimiento, la exploración de las posibilidades del grafeno lo han convertido en uno de los materiales más rápidamente desarrollados de la historia, lo cual además promovió que en 2010, sólo seis años después de que su logro, Andre Geim y Konstantin Novoselov fueron galardonados con el Premio Nobel de Física.

Las peculiaridades del grafeno lo hacen un material con gran promesa en muy distintas aplicaciones. En 2008 se presentó el más pequeño transistor creado hasta la fecha, de grafeno, con un átomo de espesor y 10 átomos de ancho. Estos transistores, que sustituirían a los de silicio habituales en nuestros ordenadores, permitirían microprocesadores mucho más rápidos, que usen menos energía y despidan mucho menos calor. Al ser casi totalmente transparente (más del 97%) y muy flexible, sería ideal para hacer con él pantallas táctiles para nuestros dispositivos digitales, en lugar del óxido de estaño e indio que se utiliza en la actualidad.

Su transparencia y conductividad también lo convierten en un excelente candidato para utilizarse en paneles solares más eficientes y económicos, algo indispensable para que la energía solar se convierta en una opción más viable como energía limpia y sustentable.

Una de las aplicaciones inesperadas del grafeno es que ayuda a mejorar la producción de ADN que se realiza mediante el procedimiento llamado RCP, y que es el que se utiliza para multiplicar una pequeñísima muestra de ADN para poderla analizar, labor de gran relevancia en áreas como la paleontología y la criminalística. También se está explorando su utilización en los procesos de secuenciación genética, con la posibilidad de hacerlos más rápidos y menos costosos.

Utilizado como filtro, el grafeno guarda una gran promesa para diversos procedimientos industriales, ya que deja pasar el vapor de agua pero no otros líquidos y gases, lo que puede ser útil en procesos de destilado o desalinización de agua.

Con el entusiasmo por aprovechar el grafeno en muchas aplicaciones más como sensores o sistemas de control térmico, y buscando aplicaciones para otras características singulares como el cambio en el campo magnético que exhibe el grafeno cuando se le somete a tensión, es muy posible que en poco tiempo empecemos a encontrar el grafeno en nuestra vida diaria.

Fuera de los lápices, claro.

Grafeno sex

Una de las iniciativas de la Fundación de Bill y Melinda Gates es la creación de condones más fáciles de usar y más finos, para promover su uso con fines de prevención de enfermedades de transmisión sexual y de control de la natalidad. A fines de 2013, la fundación concedió unos 75.000 euros a un equipo de científicos de Manchester para que desarrollen un nuevo diseño de condones que utilizan grafeno mezclado con látex.

febrero 12, 2014

Severo Ochoa y las enzimas

Las enzimas, fundamentales para todos los procesos químicos de la vida, fueron el área de trabajo del último científico español que ha obtenido un Premio Nobel en el terreno de las ciencias.

Monumento a Severo Ochoa en la
Facultad de Medicina de la Universidad
Complutense de Madrid. Escultor:
Víctor Ochoa.
(Foto D.P. vía Wikimedia Commons) 
Como uno de los dos premios Nobel de Medicina o Fisiología (junto con Santiago Ramón y Cajal), Severo Ochoa es uno de los nombres más conocidos de la ciencia española, y de los pocos, si no el único, que ha sido objeto de una biopic, o película sobre su vida.

Nacido en Luarca, Asturias, donde reposan sus restos frente al mar, en 1905, Ochoa se vio inspirado por la figura de Ramón y Cajal, primero, para conseguir su doctorado en medicina en la Universidad de Madrid en 1929, pero sin intención de ejercer la medicina, sino como punto de partida para dedicarse a la investigación. La primera publicación científica de Ochoa data de ese año, exactamente, dedicada a la creatina, una sustancia que estimula el crecimiento de los músculos. El joven médico exploraba las fuentes de energía necesarias para la contracción de los músculos.

Su trabajo sobre la bioquímica y la fisiología de los músculos continuó en Heidelberg, a donde fue como investigador en el laboratorio de Otto Fritz Meyerhof en el instituto Kaiser Wilhelm. El asturiano volvió a su universidad en 1931 como profesor, para luego pasar dos años trabajando en Londres donde volvió su atención hacia el estudio de las enzimas. Una vez más volvió a Madrid en 1934, pero en 1936, debido al estallido de la Guerra Civil Española, sale definitivamente del país, primero regresando al laboratorio de Meyerhof y después a Oxford. La Segunda Guerra Mundial, finalmente, lo empuja a dejar Europa para establecerse definitivamente en los Estados Unidos.

Las enzimas

Las enzimas que se convirtieron en la pasión de toda la vida de Severo Ochoa son grandes moléculas producidas por los seres vivos que funcionan como catalizadores, es decir, como mediadores que aceleran las reacciones químicas. Dos moléculas que pueden unirse (o una molécula que puede descomponerse) necesitan una determinada cantidad de energía para llevar a cabo tales reacciones químicas. Un catalizador interviene para reducir la energía necesaria, facilitando la reacción química sólo con su presencia, sin desgastarse o agotarse.

Un catalizador metálico, por ejemplo, es el platino del convertidor catalítico que reduce las emisiones dañinas de los motores de combustión interna. Al quemarse el monóxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y los hidrocarbonos en presencia de una pequeña cantidad de platino, experimentan reacciones químicas que las convierten en sustancias no contaminantes: nitrógeno, oxígeno, agua y bióxido de carbono. El platino no se desgasta ni se reduce en este proceso.

Las enzimas hacen lo mismo pero en los seres vivos. El ejemplo más común de enzimas, utilizadas en toda cultura humana, son las que tienen las levaduras, y que se utilizan para fermentar pan, vino y cerveza, facilitando la conversión de los azúcares de distintos productos en alcoholes.

Es fácil ver que las enzimas son uno de los principales componentes de la vida tal como la conocemos en nuestro mundo, ya que permiten sintetizar o crear materiales que necesitamos (por ejemplo, uniendo aminoácidos para crear proteínas), o degradándolos (como al digerir las proteínas de nuestros alimentos para descomponerlas en aminácidos que podamos utilizar) o bien produciendo energía para el funcionamiento de todo organismo.

Como ejemplo de algunas de los miles de enzimas que están activas en el cuerpo humano tenemos a la sucrasa, que digiere azúcares complejas y almidones; las proteasas, que digieren las proteínas de las carnes, nueces, huevo y queso o la lipasa, que descompone algunas grasas. La presencia o ausencia de determinadas enzimas puede ser determinante en muchos procesos. Por ejemplo, las personas que son intolerantes a la lactosa no pueden crear la enzima llamada, precisamente, lactasa, y por tanto no pueden digerir este azúcar comúnmente presente en la leche.

El trabajo de Ochoa lo llevó a aislar una enzima, procedente de una bacteria con la que consiguió crear ARN sintético por primera vez en la historia, un logro que abrió muchas puertas para la investigación genética. En un principio, se creyó que esta enzima era la ARN-polimerasa, que es necesaria para producir copias (transcripciones) en ARN utilizando el ADN como plantilla. El estudio relatando sus trabajos se publicó en 1955. Por entonces, un científico que había sido su alumno, Arthur Kornberg, consiguió igualmente producir ácido desoxirribonucleico sintético. El trabajo de ambos permitió entender cómo se forman las moléculas de ADN y ARN a partir de moléculas más pequeñas. Fue por ello que en 1959 se les informó que se les concedía el Premio Nobel de Medicina o Fisiología “por sus descubrimientos del mecanismo en las síntesis biológicas del ácido ribonucleico y ácido desoxirribonucleico”.

En 1960 se descubrió que esa enzima no era realmente ARN-polimerasa, sino que tenía el nombre de polinucléotido fosforilasa, y que en el interior de la célula no era la responsable de la transcripción del ARN, aunque podía crear moléculas de ARN fuera de la célula, mientras que las investigaciones lograron identificar a la ARN-polimerasa.

Pero esto no significaba demérito alguno al trabajo del asturiano. La enzima aislada y utilizada por Severo Ochoa fue utilizada para crear distintos tipos de ARN sintético que colaboraron de modo decisivo a descifrar el código genético.

Mientras tanto, el científico se había unido al Colegio Universitario de Medicina de Nueva York, en el que permaneció como director del Departamento de Bioquímica hasta su jubilación en 1974.

La jubilación, sin embargo, no detuvo su trabajo. Entre 1974 y 1985 fue investigador del Instituto Roche de Biología Molecular en Nueva Jersey. En 1975, además, al término de la dictadura franquista, volvió al fin a España, donde celebró sus 70 años de edad con una memorable reunión de científicos y artistas que culminó en Figueras, en la casa de Salvador Dalí.

Finalmente, a partir de 1985 fungió como asesor de política científica y volvió a dar clases, ahora en la Universidad Autónoma de Madrid, donde siguió trabajando hasta su muerte, por neumonía, a los 88 años de edad, en 1993.

Severo Ochoa por toda España

El nombre de Severo Ochoa es común en los callejeros de toda España, en calles, avenidas, plazas y bulevares. También llevan su nombre escuelas de todos los niveles y centros de investigación, y varios premios, uno de ellos concedido por la fundación que legó a España. Y al menos 5 estatuas o monumentos: en el CSIC y la Universidad Complutense de Madrid, el campus de Cantoblanco de la Universidad Autónoma de Madrid, el Hospital Clínico Universitario de Salamanca, Gijón y su natal Luarca.