Un copo de nieve de Wisconsin, capturado y fotografiado por K. Libbrecht y P. Rasmussen. [Más]

'Sería de hecho extraordinario si la Naturaleza se fortaleciera a sí misma en contra de avances posteriores en el conocimiento detrás de las dificultades analíticas de los muchos problemas del cuerpo.' (Max Born, 1960)

Una molécula de agua por si sola no es muy interesante. Un oxigeno. Dos hidrógenos. ¿Que más se puede decir? Pero pon 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-reparadoras inmunes a meteoroides y a erupciones solares. Lo que sea.|

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

Los físicos pueden tratar fácilmente con una o dos partículas. Las leyes de Newton, por ejemplo, describen el movimiento de un planeta alrededor del sol tan simple y bonito que hasta los niños pueden resolver las ecuaciones. Ahora añade otro planeta; los tres cuerpos (sol, planeta y planeta) tiran de cada uno mientras se mueven. El 'problema de los tres cuerpos' es complicado; los ordenadores han de resolverlo exactamente.

Hay un problema de los tres cuerpos en mecánica quántica también. La ecuación de Schrodinger es fácil de resolver para dos partículas, por ejemplo un electrón y un protón en un átomo de hidrógeno. Añade un electrón mas y, una vez mas, se necesita un ordenador.

Ahora imagínate, no tres, sino 10²³ partículas. Ese es el número de átomos o moléculas en algo como una cucharada de agua. Tiran de cada uno, se adhieren entre sí, se estrellan entre ellos. El número de interacciones en un momento determinado es para alucinar.

'Es imposible resolver las ecuaciones con exactitud para tal sistema,' dice el físico Peter J. Lu de la Universidad de Harvard. 'Con 10²³ partículas, tienes que escribir una condición para cada interacción. Así, por supuesto, puedes hacer aproximaciones porque el cálculo exacto esta lejos, muy lejos de las habilidades de cualquiera (o de cualquier ordenador.)'.

La Estación Espacial Internacional. [Más]

¿Que haces cuando incluso las supercomputadoras no pueden hacer las matemáticas? Entrar en la Estación Espacial Internacional (ISS).

Lu y su asesor de su tesis doctoral el profesor David Weitz están testando un dispositivo a bordo de la ISS que pudiera tener éxito, en cierta medida, donde las supercomputadoras han fallado.

Es sencillo: Coge un recipiente de 'materia pegajosa orgánica”, dice Lu, y se mezcla con millones de esferas de Plexiglás. Añade algunas espirales moleculares, billones, y haz flotar la mezcla en el espacio. Este “dispositivo” es una mezcla coloidal, y es un buen modelo para la interacción de muchas partículas.

Los coloideos son sistemas de pequeñas partículas suspendidas en fluido. (Zumo de naranja con pulpa en un ejemplo cotidiano.) Los físicos han sabido durante mucho tiempo que los coloideos fabricados con cuidado podían ser usados 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 multitud, con una gran ventaja:

Un coloide a bordo de la estación espacial Mir, fotografiado en 1998. El nombre del experimento era BCAT-2. [Más]

'Podemos ver los coloideos,' 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 están limitadas. 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 ISS, permanecen en suspenso, interaccionando tanto tiempo como los físicos quieran observarlas.

¿A que tipo de átomos y moléculas imitan los coloideos?
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 coloideos de diferentes tamaños, y variar sus ratios para desarrollar unas estructuras de cristales diferentes que imiten materiales reales.' Las posibilidades son infinitas.

El astronauta Mike Foale fotografía coloideos a bordo de la ISS. [Más]

Pero la investigación es solo el principio. Hace pocos meses, Weitz, Lu y colegas de la Universidad de Edimburgo (liderados por el Profesor Peter Pusey) han estado trabajando con seis coloideos simples abordo de la ISS. Los astronautas hacen el trabajo real; Weitz et al. envían instrucciones desde la tierra. El nombre del experimento es BCAT-3, abreviatura de Test-3 de Aleación de Coloide Binario.

Uno de los coloideos, 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 as 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 coloideos se muestra como un modelo prometedor para los fluidos supercríticos.
Un fluido supercrítico es un estado de materia de alta presión, 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 palas 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.

Fluctuaciones de punto crítico observadas en BCAT-3 a bordo de la ISS. [Más]

Es de interés especial 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 sido capaces de observar estos tipos de estructuras en BCAT-3, y están desarrollando nuevas percepciones dentro de los fenómenos críticos.

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