FÍSICA Y QUÍMICA DE LA VISIÓN

En el estudio de la visión desde un punto de vista físico y químico hay que tener en cuenta dos elementos:

1. La visión desde el punto de vista físico podemos simplificarlo a una cámara oscura.

2. La visión desde el punto de vista química podemos simplificarlo hablando de dobles enlaces de carbono.

Física de la Visión

Posiblemente nunca se sabrá con precisión quién y cuándo descubrió la cámara oscura pero su presencia a lo largo de la historia de la humanidad es constante.

Fue en la antigua Grecia donde surgió la preocupación por encontrar una explicación del fenómeno lumínico. Esto condujo a los filósofos a observar los efectos de la luz en todas sus manifestaciones. Aristóteles sostuvo que los elementos que constituían la luz se trasladaban de los objetos al ojo del observador con un movimiento ondulatorio. Para comprobar su teoría, construyó la primera cámara oscura de la que se tiene noticia en la Historia, describiéndola de la siguiente manera: "Se hace pasar la luz a través de un pequeño agujero hecho en un cuarto cerrado por todos sus lados. En la pared opuesta al agujero, se formará la imagen de lo que se encuentre enfrente".

En la segunda mitad del siglo XV, se volvió a tener noticia de la cámara oscura a través de Leonardo da Vinci (1452-1519), quien redescubrió su funcionamiento y le adjudicó una utilidad práctica por lo que se le ha otorgado el crédito de su descubrimiento. El italiano Leonardo da Vinci y el alemán Alberto Durero (1471-1528) emplearon la cámara oscura para dibujar objetos que en ella se reflejaban. A partir de ese momento se utilizó como herramienta auxiliar del dibujo y la pintura, extendiéndose rápidamente en Europa.

En el siglo XVI un físico napolitano, Giovanni Battista Della Porta (1535-1615), antepuso al orificio una lente biconvexa (lupa) y con ella obtuvo mayor nitidez y luminosidad en la imagen. A partir de este avance varios científicos se dedicaron a perfeccionarla.

Finalmente, se le asigna a Johannes Kepler (1571-1630) el ser el primero en acuñar el término Cámara Oscura. 

Pero, ¿cómo "funciona" la cámara oscura?... Para explicarlo, partamos de la imagen inferior:

La luz que llega a un objeto, en este caso un árbol, se refleja y algunos de los haces de luz logran entrar a la cámara a través del pequeño orificio y llegar hasta el fondo que es la pantalla sobre la que se forma la imagen. La imagen se forma invertida debido a que la luz viaja en línea recta (también se invierten izquierda y derecha por la misma razón). Al observar la figura queda claro entonces la razón de la inversión de la imagen, y por tanto, también nos sirve para comprobar experimentalmente que la luz viaja en línea recta.

El agujero de la cámara debe de ser lo más pequeño posible para permitir la entrada pequeñito de unos pocos haces de luz, cuanto más grande sea el orificio más difusa será la imagen formada.

El ojo humano funciona como una cámara oscura también, probablemente hemos oído que las imágenes que vemos se forman invertidas en la retina. En el caso del ojo además del pequeño orificio, que es la pupila, existen otros elementos orgánicos como el cristalino y la córnea, cuya función es enfocar cualquier objeto, este cerca o lejos, en la retina.

En el siguiente vídeo podemos observar cómo funciona una cámara oscura:

Química de la Visión

Los átomos pueden unirse entre sí mediante enlaces sencillos, dobles o triples. La existencia de dobles enlaces entre átomos de carbono y su rigidez hace posible que leas esta entrada de blog. El proceso de la visión es muy complejo pero vamos a intentar simplificarlo al máximo.

Podemos decir, de una manera muy simplificada, que el ojo humano es una esfera con una abertura en la parte frontal. Por esta apertura penetra la luz hasta el fondo del ojo que está recubierto por unas células en forma de conos y bastoncillos. Cada ojo tiene 7 millones de conos que se encargan de detectar los colores y 120 millones de bastoncillos que se encargan de detectar la luz blanca. Las moléculas de la visión se encuentran en la superficie de conos y bastoncillos, siendo la rodopsina la que tiene un papel fundamental.

La rodopsina está formada por dos partes:

- Una proteína, denominada opsina.

- Un aldehido, denominado retinal.

La molécula de retinal puede adoptar dos formas isómeras denominadas cis y trans. Como isómeros que son, tienen la misma fórmula molecular y solo se diferencian en la distribución espacial de los sustituyentes del doble enlace situado en el carbono número 11. Cuando la rodopsina absorbe luz, el retinal se isomeriza a su forma trans, que tiene la propiedad de separarse de la opsina.

Cuando las dos partes de la rodopsina se separan, el color rojo púrpura de la rodopsina desaparece y esto hace que la célula a la que estaba unida la rodopsina excite a otras células que mandan un mensaje al cerebro. En condiciones normales es necesario que se exciten unas cinco células para provocar la sensación de visión. Por tanto, se necesitan 5 fotones para estimular el ojo.

Todo este proceso vuelve a su posición inicial a través de otro conjunto de reacciones. Pero el proceso inverso es algo más lento, y por ello, la imagen formada en la retina perdura una décima de segundo (aproximadamente). Esta persistencia de la imágenes es la que nos hace percibir en movimiento las imágenes del cine cuando en realidad no son más que una secuencia de fotografías estáticas tomas a intervalos de tiempo de un treintavo de segundo.

Durante la regeneración de la opsina se pierde parte de retinal que necesita ser reemplazado por vitamina A de la corriente sanguínea, que hace de ésta una sustancia clave de la salud visual.

CAYENDO RAYOS

Los rayos son uno de los fenómenos de la naturaleza más espectaculares que podemos observar con cierta facilidad y regularidad. Aunque en general solemos considerar que un rayo es una descarga eléctrica que se produce entre una nube y el suelo, la verdad es que puede producirse en cualquier situación en la que una gran carga eléctrica sobrepase el potencial de ruptura del aire. Estas situaciones pueden ser erupciones de un volcán y tormentas de arena o nieve (muy poco frecuentes pero que ocurren). Por otro lado, si nos fijamos en la típica tormenta con nubes, los rayos pueden producirse por descargas en varias situaciones: nube-nube, interior de una nube (las más comunes de todas), nube-aire o nube suelo.

Erupción en 2015 del volcán Calbuco en Chile (Fuente BBC Mundo)

Pero fijémonos en aquella situación que observamos de manera más frecuente: rayos producidos por descargas entre las nubes y el suelo.

La producción de un rayo tiene una duración muy corta. Por ello, lo que a nuestros ojos aparece como un único proceso es la combinación en realidad de varios procesos (descargas) que duran unas decenas de milisegundos. En general, estas descargas iniciales suelen ser tres o cuatro aunque en algunas tormentas se han llegado a medir hasta 26 descargas. La pregunta siguiente parece obvia, ¿cómo se produce cada una de esas descargas?...

Representación de la Descarga Guía

Una de estas descargas se produce cuando se alcanza el potencia de ruptura del aire cerca de una nube. Esto produce que una columna de carga negativa, denominada Descarga Guía, se mueva hacia el suelo una velocidad ligeramente superior a los 100 m/s. Esta primera descarga tiene forma de escalera porque el movimiento se produce a saltos discretos de 50 m aproximadamente y con un intervalo de tiempo de unos 50 ms entre salto y salto. ¿Por qué este proceso es discontinuo?... La culpa la tiene la variación de la densidad atmosférica que se produce por los electrones libres presentes en el aire. Esta descarga guía tiene una anchura de unos cuantos metros y su luminosidad es muy limitada (no es el rayo que nosotros estamos acostumbrados a ver).

Cuando el extremo de la descarga guía se acerca al suelo, puede provocar un segundo potencial de ruptura en el aire cerca del suelo (esto suele ocurrir en el extremos de un objeto con punta como mástiles, antenas o pararrayos). El resultado es que una columna con carga positiva se desplaza hacia arriba produciendo lo que se conoce como Descarga de Retorno. Las descargas guía y de retorno al encontrarse (entre 20 y 200 m del suelo) producen un cortocircuito y los electrones se desplazan entre la nube y el suelo con el extremo de transferencia de electrones moviéndose hacia arriba a velocidades próximas a la mitad de la velocidad del sonido (aproximadamente, la velocidad del sonido es 340 m/s). Este hecho provoca que una gran corriente de electrones se mueva en una región de unos pocos centímetros. Esta corriente eleva la temperatura del aire muy rápidamente y se ionizan los átomos presentes en la atmósfera (fundamentalmente nitrógeno y oxígeno). Como consecuencia se produce el resplandor que todos estamos acostumbrados a ver.

Producida la descarga, el canal abierto mantiene su conductividad durante unos milisegundos. Si la nube presenta más carga negativa puede producirse una nueva descarga, y con ella, un nuevo rayo. Como el canal está abierto, no se produce descarga guía. Muy al contrario, se mueve de forma rápida y continúa y recibe el nombre de Descarga Rápida. Con la descarga rápida vuelve a producirse todo el proceso descrito anteriormente.

Rayo producido en una tormenta (Fuente National Geographic en Español)

¿Y el trueno?... Cuando la corriente atraviesa el canal abierto, el aire se transforma en plasma (con temperaturas medias de 30000 K). Esto hace que aumente la presión de forma repentina y el plasma se expande también rápidamente. Esta expansión produce una onda de choque en el aire que lo rodea y ya tenemos el trueno que llega a nuestros oídos.

La Tierra, en general, es un buen conductor eléctrico. Si no existen fenómenos tormentosos y las condiciones meteorológicas son buenas y estables, podemos aproximar el valor del Campo Eléctrico sobre la superficie de la Tierra a unos 100 N/C. Este campo eléctrico está dirigido hacia abajo porque la carga en la superficie terrestre es negativa. La gran concentración de carga en la nube tormentosa es la responsable del intenso campo eléctrico que se genera entre la nube y el suelo y que lleva a la producción de los rayos. Este campo eléctrico puede alcanzar valores de hasta 25000 N/C durante la tormenta.

En la siguiente imagen se muestra la distribución de carga en una nube tormentosa.

(Fuente: Física. Serway-Jewett)

La nube tormentosa se aproxima a un tripolo. La carga positiva de la zona superior y la carga negativa de la zona central son aproximadamente iguales pero la carga positiva en la zona baja de la nube suele ser ligeramente inferior. ¿Y cómo se carga la nube?... Actualmente no se conoce bien el mecanismo que produce la carga de una nube y es un campo de investigación abierto y en continuo desarrollo.

Vista la distribución de carga existente entre la superficie de la Tierra (negativa) y la atmósfera (positiva), ¿podríamos hablar de un condensador planetario?... En una aproximación sencilla, podríamos responder afirmativamente a esta respuesta. La superficie de la Tierra sería una de las placas y el aire sería la otra. Dado que la carga en la atmósfera no se sitúa toda a la misma altura debemos hacer otra simplificación. En general, los modelos de la atmósfera toman una altura para esta placa atmosférica de 5 km sobre la superficie terrestre.

¿Y que capacidad tiene este macrocondensador terráqueo?... Como siempre, haciendo aproximaciones para simplificar los cálculos, podemos considerar que nuestro condensador terráqueo es de casi 1 Faradio. Puede parecer poco pero los condensadores utilizados en los circuitos eléctricos empleados en nuestros dispositivos más comunes tienen una capacidad que está en el orden de los microfaradios y los picofaradios.

En el siguiente vídeo podemos ver cómo simular rayos con la ayuda de una bola de plasma:

MEZCLAS. LA TINTA NEGRA O EL HUMO

Una Sustancia Pura es aquella que tiene unas propiedades específicas que la caracterizan y que sirven para diferenciarla de otras sustancias. El mercurio, el agua o el azúcar son ejemplos de sustancias puras. A su vez,  las sustancias puras pueden ser Elementos o Compuestos. Compuestos químicos, son sustancias puras que se pueden descomponer en otras más simples por métodos químicos. El agua y el azúcar son ejemplos de compuestos químicos. Los elementos químicos son sustancias puras que no pueden descomponerse en otras más simples. El mercurio sería un ejemplo.

Por otro lado, podemos definir Mezcla como una sustancia que está formada por varios componentes (dos o más), que no pierden sus propiedades y características por el hecho de mezclarse ya que no se produce una reacción química entre ellos. Algunos ejemplos de mezclas son una ensalada, agua salada, azúcar y sal, etc.

De forma sencilla, una mezcla donde los componentes no se pueden diferenciar a simple vista recibe el nombre de Mezcla Homogénea o Disolución. En toda disolución se diferencian dos tipos de componentes: Disolvente y Soluto. El disolvente es la sustancia que se encuentra en mayor proporción en la disolución y únicamente hay uno por disolución. El soluto, por el contrario, es la sustancia que se encuentra en menor proporción y pueden existir uno o más en la disolución. El agua salada sería un buen ejemplo de disolución. Si, por el contrario, somos capaces de diferenciar los componentes que forman esa mezcla, se denominaría Mezcla Heterogénea. Una ensalada sería un buen ejemplo de mezcla heterogénea.

A la vista de todas estas definiciones, ¿dónde colocarías la tinta negra?... ¿Sustancia pura o Mezcla?... Échale un vistazo a este vídeo.

La técnica de separación llamada Cromatografía pone de manifiesto qué es la tinta negra: una disolución homogénea compuesta por varias sustancias (colorantes) disueltas. Durante el ascenso del disolvente (alcohol, agua o acetona, por ejemplo) los solutos que forman la mezcla se disuelven y son arrastrados por el disolvente que asciende por capilaridad. A medida que el líquido se desplaza, los solutos dejan bandas de color a diferente altura.

En el resultado de la cromatografía es muy importante la elección del disolvente. En la imagen superior observamos el resultado con agua (izquierda) y con alcohol etílico (derecha).

Otro ejemplo sencillo de aplicación de esta técnica es la separación de algunos de los pigmentos fotosintéticos de las hojas.

Si quieres ver la información completa, pincha en el siguiente enlace: Clorofila, Luz y Fotosíntesis

Y hablando de mezclas, ¿el humo que obtenemos al quemar un papel o el que sale de un cigarrillo, qué es?... ¿Un gas?... ¿Un líquido?... ¿Un sólido?... ¿Sustancia pura o mezcla?... Veamos el siguiente vídeo.

Estamos acostumbrados a ver cómo el humo asciende y, sin embargo, en el vídeo se observa como el humo cae dentro de la botella al igual que un líquido o un sólido. Veamos en primer lugar que esa sustancia llamada humo.

El humo en muchas ocasiones se define como un Coloide. Un coloide es un sistema formado por dos o más fases. La Fase Continua es la que se encuentra en mayor proporción y la Fase Dispersa en menor proporción. Sin embargo, su inclusión en este grupo de sustancias coloidales no está muy clara. Por una parte, las cenizas de la combustión ascienden por efecto de las corrientes de convección del aire caliente y acaban cayendo al suelo cuando se enfría. Esto significa que deberíamos estar hablando del humo como de una Suspensión en el aire. Por otro lado, el humo forma micelas estables en el aire (y que son en parte responsables de la expansión de un incendio) y esto sí es propio de los coloides.

Pero, ¿por qué cae el humo?... Como hemos indicado, el humo asciende por las corrientes de convección creadas por el aire calentado por la llama. Si ese aire caliente no existe, las partículas que forman humo caen en cascada como cualquier otro sólido.

Por último,  el humo nos puede ayudar a poner de manifiesto el Efecto Tyndall. Este efecto, descubierto en 1869 por el físico irlandés John Tyndall (1820-1893), es el fenómeno físico producido por partículas coloidales o suspensiones en un líquido o un gas y que se hacen visibles al dispersar la luz que incide sobre ellas. Los rayos de luz de los faros de un coche al atravesar la niebla o el color azul del cielo son también ejemplos de este efecto Tyndall. En el caso de la foto inferior, el humo concentrado dentro de la botella pone de manifiesto el haz de un láser verde

DDD 2016 (1º parte)

Bajo las siglas de la triple D se esconde un eslogan muy claro:

DIVULGAR DIVIRTIENDO DESINTERESADAMENTE

Esta idea es el núcleo de una serie de reuniones que se llevan celebrando desde hace 12 años por todos los rincones de España (Cartagena, Lleida,...). Todo el mundo tiene su pequeño hueco (4 minutos) en esta reunión que cumple doce años de existencia. El lugar elegido este año ha sido Córdoba y las fechas serán el 18, 19 y 20 de noviembre. 

El reto que proponen es muy ¿sencillo?, Divulgar Ciencia en 4 minutos...

Tuve la suerte de conocer a algunos de sus participantes y organizadores en las VI Jornadas de Ciencia para Tod@s de Úbeda el pasado mes de abril. Hablaron de esta jornadas y dándole vueltas y más vueltas decidimos saltar dentro del charco y ver qué pasaba...

¿De qué van nuestros 4 minutos científicos?... Sobre el Nitinol. El Nitinol es lo que se denomina una Aleación con Memoria de Forma descubierta en los años 60 y que tiene un curioso comportamiento (además de un gran número de aplicaciones). Un trabajo inicial que realizamos sobre este material lo publicó la página web CLICKMICA hace unos meses (pulsa más abajo para verlo). Aquí os dejo un vídeo ilustrativo:

Unidad Didáctica de CLICKMICA

Pero volvamos a las jornadas DDD. El formato es muy parecido al de un monólogo. Rápido, preciso y si se escapa alguna carcajada, mejor. Ahora que Famelab cada vez está teniendo más repercusión a nivel nacional, resulta que estos locos bajitos (como diría Joan Manuel Serrat) llevaban dando el cante por esta piel de toro unos cuantos años antes. Sin  hacer ruido, poco a poco, han llegado este año hasta las 80 comunicaciones desde todos los rincones de España. 80 comunicaciones a 4 minutos dan para muchos temas y mucha Ciencia.

Para conocer mejor los que son estas jornadas de divulgación científica aquí os dejo el vídeo de la primera charla de la jornada realizada el año pasado en Cartagena.

Más vídeos de la XI DDD: Jornadas de Divulgación de la Ciencia. CPR región de Murcia

Seguiremos informando...

UN CIELO AZUL Y UNA PUESTA DE SOL

La página web CLICKMICA, dependiente de la FUNDACIÓN DESCUBRE, ha publicado un trabajo que nació en este blog bajo el título ¿POR QUÉ EL CIELO ES AZUL?

Partiendo de este trabajo y ampliándolo más en el sentido químico, también se busca mostrar una aplicación de otros conceptos como la Dismutación o el efecto Tyndall. De paso, también podemos comprender por qué el agua de un vaso es transparente y, sin embargo, el agua de una piscina es azul. Por cierto, ¿cómo será el cielo visto por una abeja?...

Cono Tyndall (inicio del cielo azul químico)

Luz transmitida (puesta de Sol química)

El cielo azul llenando el cristalizador

El vídeo titulado Un cielo azul y una puesta de Sol (Simulación Química)

El trabajo completo se puede leer en el enlace:

UN CIELO AZUL Y UNA PUESTA DE SOL (SIMULACIÓN QUÍMICA)

ASTEROIDES TROYANOS

Bajo la denominación de Asteroides Troyanos se esconden algunos de los cuerpos más interesantes del Sistema Solar (aunque si uno lo piensa, ¿qué no es interesante en el Sistema Solar?...).

Vayamos a la definición más generalizada para estos cuerpos celestes: Asteroide que comparte órbita con un planeta en torno a los puntos de Lagrange estables L4 y L5, los cuales están situados 60° por delante y 60° por  detrás del planeta en su órbita. Los asteroides troyanos se encuentran distribuidos en dos regiones alargadas y curvadas alrededor de estos puntos.

Vayamos desgranando esta definición para tener una visión más completa de ella.

¿Qué es un asteroide?... Otra definición compleja que podemos dar como todo cuerpo rocoso, carbonáceo o metálico más pequeño que un planeta y mayor que un meteoroide que gira alrededor del Sol. Los asteroides se concentran en dos grandes posiciones el Cinturón Principal (entre Marte y Júpiter) y el Cinturón de Kuiper (más allá de la órbita de Neptuno). Lo curioso es que los asteroides troyanos no se parecen a los demás presentes en el cinturón Principal y el de Kuiper. Aunque el estudio de su origen está en pañales, los resultados conocidos sugieren que no pertenecen a otras partes del Sistema Solar y que pudieron surgir de una captura local. Si es así, significaría que estos asteroides podrían estar compuestos del material primordial del Sistema Solar.

¿Qué son los puntos de Lagrange?... El físico y matemático Joseph Louis Lagrange (1736-1813) realizó un estudio sobre unos de los problemas más importantes de la Física: El problema de los tres cuerpos. Lagrange, en su estudio, realizó una serie de simplificaciones (órbitas circulares y una de las masas más pequeña que las otras dos) y demostró que existían cinco posiciones que podían ser resueltas para este problema. Obtuvo lo que se conoce como Puntos de Lagrange (o Puntos L). Estos cinco puntos indican las posiciones estacionarias que puede ocupar un cuerpo pequeño respecto a dos grandes. Este descubrimiento, a pesar de ser una simplificación del problema real, ha dado importantes resultados astronómicos como el descubrimiento de los asteroides troyanos de Júpiter. Además, en la actualidad, estos puntos por sus especiales características son de suma importancia para colocar en ellos satélites artificiales de investigación (como SOHO, Planck o Herschel).

¿Qué planetas tienen asteroides troyanos?... La inmensa mayoría de los asteroides troyanos se han localizado en Júpiter pero Neptuno, Marte y la Tierra también poseen. En el caso de Júpiter, las investigaciones actuales indican que entre los dos grupos de asteroides troyanos existen tantos cuerpos como en el cinturón Principal de asteroides situado entre Marte y Júpiter.

Como hemos indicado, la Tierra tiene su propio asteroide troyano. Fue descubierto en 2010 por el telescopio espacial WISE. Este asteroide de unos 300 m  de diámetro recibe el nombre de 2010 TK7. El asteroide troyano que acompaña a Marte recibe el nombre de Eureka.

¿Por qué reciben el nombre de troyano?... La famosa Guerra de Troya es la responsable de este nombre. Según se fueron descubriendo, los asteroides troyanos de mayor tamaño fueron recibiendo el nombre de algunos de los héroes de esta guerra. Incluso, los dos grupos de asteroides troyanos que acompañan a Júpiter se clasifican como Campamento Troyano (detrás del planeta) y Campamento Griego (delante del planeta). El primero de los asteroides troyanos localizado fue Aquiles. Lo descubrió en 1906 el astrónomo alemán Maximilian Franz Wolf (1863-1932). Incluso, como en toda guerra, cada uno de los campamentos tiene un infiltrado o espía. En el campamento troyano, el infiltrado es Patroclo. En el campamento griego, el infiltrado es Héctor. El hecho de los infiltrados se debe a que Patroclo fue descubierto antes de establecer la regla de los campamentos. Posteriormente, para compensar este hecho, se colocó el nombre de Héctor en el campamento contrario.

En la actualidad se conocen más de 4000 asteroides troyanos en la órbita de Júpiter y se sabe que el grupo delantero tiene hasta un 40 por ciento más de cuerpos que el grupo posterior.

PREMIOS NOBEL 2016

La Pensadora

La llegada del mes de octubre suele ser sinónimo de premio Nobel. Aunque la entrega oficial de los mismos se realizará el 10 de diciembre, a principios de octubre ya empezamos a conocer los premiados y sus investigaciones. Desde aquí nos interesan especialmente los concedidos en los campos de Medicina, Física y Química que se hicieron públicos los días 3, 4 y 5 de octubre. Además, se busca siempre la perspectiva de género, ¿cuántas mujeres premiadas?... ¿cuáles son sus líneas de investigación?...

La controversia, por una razones u otras, siempre acompaña a estos premios. Tal vez, desde el punto de vista de la Ciencia, una de las reglas más controvertida es la que limita el número de premiados a tres por campo. Si en la actualidad la Ciencia se ha convertido en un trabajo  de coordinación entre distintos grupos investigadores, ¿cómo limitar el premio solo a tres?... ¿Quién es el más importante?... ¿Quién se queda fuera?... Por ejemplo, Freeman Dyson se quedó fuera del Nobel de Física en 1965 a pesar de sus importantes contribuciones al desarrollo de la Electrodinámica Cuántica, investigación premiada en esa ocasión.

También es famoso el oscurantismo que rodea a la decisión de nominar a unas u otras personas. Esta decisión permanece en secreto durante 50 años, y luego, se hace pública. De esta manera se han conocido más de un caso en el que las relaciones entre los nominados era un poco "extraña"... Eran del tipo "Tú me nominas a mí y yo a ti"...Por ejemplo, el presidente de los Estados Unidos, Franklin Delano Roosevelt,y su secretario de Estado, Cordell Hull se nominaron entre sí en 1938 para el Nobel de la Paz.

Pero vayamos con los premios Nobel de 2016. Podemos empezar diciendo que, nuevamente, ninguna mujer se encuentra entre los galardonados en Medicina, Física y Química.

En el caso de Medicina, es el Nobel donde la presencia femenina es más constante. El año pasado, entre los premiados se encontraba Youyou Tu por sus descubrimientos en la lucha contra la malaria. Este año el premiado ha sido Yoshinori Ohsumi por su descubrimiento sobre el mecanismo que rige la limpieza de restos moleculares. 

En el caso de la Química, los premiados este año han sido Jean-Pierre Savage, Sir J. Fraser y Bernard L. Feringa por el desarrollo y síntesis de máquina moleculares (mil veces más delgadas que un pelo). Para encontrar una galardonada en este campo, tenemos que irnos hasta 2009 y encontrar a Ada E. Yonath que fue reconocida por sus estudios sobre estructura y función de los ribosomas. ¿Y antes de ella?... Dorothy Crowfoot Hodgkin ¡en 1964!

¿Y en Física?... Aquí ya la cuestión de género clama al cielo (o a los juzgados). Este año los premiados han sido David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane y J. Michael Kosterlitz por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia a nivel cuántico. La último laureada en este campo fue Marie Goeppert Meyer ¡en 1963! ¿y antes?... ¡Marie Curie en 1903!

Parece, curiosamente, que las Ciencias Básicas como la Química y la Física no son campos proclives para las investigadoras. O al menos, eso parece con respecto a los premios Nobel. Sin tirar mucho de la manta podemos encontrar investigadoras muy importantes en estos campos: Margarita Salas, María Regí, María Blasco, Silvia Torres Castilleja o Mildred Dresselhaus.

En 2013, cuando se iban a cumplir 50 años desde la última laureada en el campo de la Física, se publicó en artículo Blind Ambition que dejaba las cosas muy claras. En una encuesta realizada a 15000 personas, hombres y mujeres, dedicadas a la investigación en el campo de la Física lo dejaba claro: Las mujeres no tienen las mismas oportunidades de acceso a las investigaciones de más alto nivel (la que reciben premios como el Nobel).

Para leer más sobre este artículo, pincha en el siguiente enlace: BLIND AMBITION

Pero hay más elementos que apoyan esta idea de desigualdad de oportunidades en el campo de la Ciencia, y en especial en el campo de la investigación, para la mujer. El último informe SHE FIGURES de la Comisión Europea lo deja bien claro. Cada vez hay mayor número de mujeres con una elevada cualificación profesional en el campo de la investigación pero esto no se traduce en la ocupación de puestos de relevancia directiva en este campo.

Para leer más sobre este informe, pincha en el siguiente enlace: SHE FIGURES 2015

PLASMA: THE FOURTH STATE

The website SCIENCE IN SCHOOL has published my article Plasma: The fourth state.  This idea was born here, El Espíritu de Galileo.

You can read it if you click here: Plasma: The fourth state

Do you remember this video?...

This is the new version for Science in School

LA MEJOR ESCUELA

Ahora que estamos a punto de iniciar un nuevo curso escolar, siempre es bueno llenarse de buenas sensaciones, prepararnos para permanecer incombustibles al desaliento y no retroceder (aunque fuese para tomar impulso...) cuando el viento sople fuerte. Pero que nadie dude que habrá grandes momentos durante el curso. En general, las cosas no son tan negras (ni tan blancas) como algunos se empeñan en afirmar. 

Desconfía de aquellos que te enseñan

listas de nombres, fórmulas y fechas

y que siempre repiten modelos de cultura

que son la triste herencia que aborreces.

No aprendas sólo cosas, piensa en ellas

y construye a tu antojo situaciones e imágenes

que rompan la barrera que aseguran existe

entre la realidad y la utopía.

Vive en un mundo cóncavo y vacío;

juzga como sería una selva quemada;

detén el oleaje en las rompientes;

tiñe de rojo el mar;

sigue a unas paralelas hasta que te devuelvan al punto de partida;

coloca al horizonte en vertical;

haz aullar a un desierto;

familiarízate con la locura…

Después sal a la calle y observa:

es la mejor escuela de tu vida.

José Agustín Goytisolo

Buen curso escolar a todo el mundo y...  ¡Nos vemos en la trinchera!

Y si las cosas se nublan, podemos ir al laboratorio para crear nuestro propio cielo azul...

TIERRAS RARAS DE LA TABLA PERIÓDICA

Nunca un nombre fue tan poco apropiado. Ni son terrosos, ni tienen propiedades raras. Sí podemos decir que son un conjunto de elementos químicos muy desconocidos pero la verdad es que parece que todo se une contra ellos:

- Su ubicación en la Tabla Periódica. Están fue de ella en una línea exterior.
- Sus aplicaciones, aunque importantes, son bastantes desconocidas.
- Sus nombres no ayudan a recordarlos precisamente.

Pasen y vean qué son esas denominadas Tierras Raras...

Los miembros de las Tierras Raras son: Escandio, Ytrio, Lantano, Cerio, Praseodimio, Neodimio, Prometio, Samario, Europio, Gadolinio, Terbio, Disprosio, Holmio, Erbio, Tulio, Iterbio y Lutecio.

El nombre de Tierra Rara no responde a que sean sustancias terrosas, ni mucho menos. El nombre de Tierra se le asignó debido a que la extracción de sus menas óxidadas correspondientes fue una tarea bastante complicada. La forma típica de realizar la extracción era disolver el mineral con ácido y formar una disolución que contuviera una mezcla de sales. A continuación, se realiza una evaporación lenta de la misma. De esta forma se consigue la cristalización de cada sal por turnos mientras el resto permanece en disolución. La repetición de este proceso (en algunos casos, miles de veces) extrae la sal deseada. A partir de ella, se puede obtener el elemento químico buscado

Algunos de los elementos tienen nombres muy parecidos. Por ejemplo, Terbio e Iterbio. Ambos reciben ese nombre en honor a la localidad sueca de Itterby donde fueron descubiertos. El Ytrio también fue descubierto en esa localidad. Y Suecia también tiene el honor de ser país que descubrió otros elementos que forman parte de las Tierras Raras: Escandio, Lantano, Cerio, Holmio y el Tulio.

Otro ejemplo de elementos con nombres parecidos son el Praseodimio y el Neodimio. Ambos fueron descubiertos juntos. Y se les nombró como "dimio" de la palabra griega didymos que significa gemelo. Al ver que el Praseodimio formaba una capa de óxido verde al contacto del aire, se le añadió a su nombre ese color. 

Si hay un científico asociado al estudio de las Tierras Raras, ese es Carl Gustaf Mosander (1979 - 1858). Este químico sueco descubrió el Escandio, Erbio y Terbio. Además, descubrió lo que él denominó como Didimio que finalmenente resultaría ser la combinación de dos elementos químicos diferentes: Praseodimio y Neodimio.

Los usos de los elementos de este grupo son muy variados. El Neodimio, Holmio y Disprosio se emplean en la construcción de láseres. El Samario forma parte de los imanes permanentes más potentes que se conocen (utilizados en nuevos motores eléctricos y discos duros). El Iterbio y el Terbio se emplean en los dispositivos magneto-ópticos utilizados en los ordenadores. El Europio, junto al itrio, se utilizan en las pantallas de color para producir los tonos de rojo. Otra importante aplicación en la que participan son las turbinas eólicas y los trenes de levitación magnética de alta velocidad. Sus electroimanes están fabricados con una aleación de Neodimio y Boro. Otros miembros de esta familia intervienen en la refinación del petróleo, la fabricación fibras ópticas y cerámicas superconductoras, la industria nuclear o las comunicaciones por microondas. Su importancia puede observarse en la siguiente gráfica que nos muestra el aumento progresivo de su extracción desde 1950.

Veamos ahora una de las aplicaciones que más llama la atención. El Europio, forma parte de las medidas de seguridad presente en los billetes de curso legal de la Unión Europea. Si cogemos, por ejemplo, un billete de 5 € y lo colocamos bajo la luz ultravioleta podemos observar formas y colores que no se observan normalmente. Freak  Suijver y Andries Meijerink, de la Universidad de Utrecht, en 2002, tras un trabajo de investigación determinaron que la luz roja emitida bajo la acción ultravioleta se debía a iones del elemento Europio enlazado en un complejo con dos moléculas de tipo acetona. Obviamente, hay mucho más tras esas medidas de seguridad. Mucha Química y compleja.

Por último, el Neodimio, en forma de imanes ha permitido que en las clases de Física y Química mostremos de una forma sencilla muchas de las leyes que constituyen el Electromagnetismo:

También estos imanes nos sirven para poner de manifiesto efectos como la levitación diamagnética:

¿POR QUÉ EL CIELO ES AZUL? ¿Y EL MAR?...

Hay muchas preguntas que pueden parecer tontas, y en muchas ocasiones, pueden ser finalmente las más interesantes de responder. ¿Por qué el cielo es azul?... es, tal vez, una de esas preguntas tontas que no nos planteamos por lo cotidiano que es para nosotros. El cielo azul siempre está ahí, día tras día. Cuando se plantea esa pregunta a la gente, en muchas ocasiones, nos encontramos con esta respuesta: El cielo es azul porque se refleja el mar que es azul. Lamentablemente, la respuesta no es esa y no es tan sencilla… Vamos a intentar darle respuesta.

El color azul del cielo está relacionado con dos elementos: la composición de la luz solar y la humedad de la atmósfera. Si dejamos pasar un rayo de sol por un prisma de vidrio la luz se abre en un abanico de colores (fenómeno denominado Dispersión) por Refracción de la luz. Como resultado de esta Dispersión se observa la gama de colores conocida en el Arco Iris: violeta, azul, verde, amarillo y rojo. El color violeta es el que se separa más de la dirección del rayo incidente blanco y el color rojo el que menos. La desviación es máxima para los rayos de longitud de onda corta (violeta y azul), y mínima para los de longitud de onda larga (amarillos y rojos), que prácticamente no son desviados. Los rayos violetas y azules, una vez desviados, chocan con otras partículas suspendidas en el aire y nuevamente varían su trayectoria. Este proceso se realiza de forma sucesiva. Es decir, la radiación azul y violeta realiza un movimiento en zigzag a lo largo de la atmósfera antes de alcanzar la superficie terrestre. Cuando esta radiación violeta y azul llega a nuestros ojos ya no parece venir directamente de su fuente, el Sol, sino que llegan de todas las regiones del cielo. Esa es la razón por la que el cielo nos parece azul. Pero, ¿por qué el Sol aparece de color amarillo?... Como se ha indicado, la radiación amarilla y roja sufre una desviación muy baja y llegan, prácticamente, en línea recta desde el Sol hasta nuestros ojos.

Pero entonces, el color del cielo debería ser violeta por ser esta longitud de onda la más corta de todas. No lo es por dos razones:

- La luz solar contiene más radiación azul que violeta.

- El ojo humano es más sensible a la luz azul que a la violeta.

Esta última idea nos lleva a otro punto interesante. El color del cielo debe de depender del ojo que mira. En función de las características fisiológicas del ojo de las distintas especies para captar mayor o menor franja de radiación solar, el color del cielo se modificará.

Resumiendo: El color azul del cielo se debe a la mayor difusión en la atmósfera de las ondas cortas de la radiación luminosa. El color del sol es amarillo-rojizo y no blanco, porque si a la luz blanca procedente del Sol se le elimina el color azul-violeta, se obtiene una luz de color amarillo-roja.

Simulación química del cielo azul y de la puesta de Sol

Observa el siguiente vídeo:

Reacción química implicada:

Na₂S₂O₃ (s)  +  2 HCl (aq)  === 2 NaCl (s)  +  SO₂ (g)  +  S (s)  +  H₂O(l)

¿Por qué ocurre lo que observamos?

Al añadir ácido clorhídrico al tiosulfato de sodio se forma, entre otros productos, azufre elemental. Este azufre es coloidal. El rayo de luz se hace visible en la disolución como un “cono Tyndall” azulado debido a la luz dispersada por las partículas del coloide. La luz azul es dispersada más eficazmente que la roja, de manera que la luz transmitida que alcanza la pantalla se vuelve roja y luego pierde intensidad  gradualmente, conforme las partículas del coloide aumentan en número hasta llegar a obstruir toda la luz transmitida. Esto provoca un efecto parecido al de una puesta de Sol.

Como se ha indicado, el color que más se dispersa es el violeta pero por la fisiología de nuestro ojo apreciamos mejor el azul. Entonces, ¿eso significa que el cielo podría tener otros colores en función del “ojo que mira”?... (Sería igual para una abeja que para un ser humano, por ejemplo).

Podemos plantear una nueva cuestión, ¿por qué el agua del mar es azul?... Nuevamente, alguien podría comentar que es por la reflexión del cielo sobre ella. Otra vez, la respuesta no es correcta. La respuesta es exactamente igual que la del cielo. En este caso, las moléculas de agua son las encargada de producir la dispersión de la luz (igual que antes el aire el responsable). Entonces, ¿por qué en un vaso el agua es transparente?... Para producirse el fenómeno de la dispersión de la luz, es necesario tener una zona amplia de acción. Por ello, en el vaso no apreciamos este fenómeno pero en una piscina sí empieza a ser apreciable.

Para saber más…

Una explicación más profunda, pero que alcanza la misma conclusión, requiere basarse en la interacción entre la radiación electromagnética y la materia en forma de átomos. Por un lado, la luz es una onda electromagnética y por otro, la atmósfera está llena de partículas que poseen tienen un tamaño igual o inferior al de la longitud de onda de la luz incidente (como por ejemplo, átomos aislados o pequeñas moléculas). En la interacción entre la luz y la materia, la onda luminosa cede parte de su energía a la corteza atómica de la partícula que comienza a oscilar. Es decir, la radiación luminosa incidente se debilita al ceder parte de su energía. Esta energía no se queda almacenada en la atmósfera, pues cualquier átomo o partícula pequeña cuya corteza se agita, y se acaba radiando en forma de onda electromagnética al entorno en cualquier dirección. Este proceso de cesión y remisión de energía por partículas de tamaño atómico se denomina Difusión de RAYLEIGH (en honor al físico británico y premio Nobel John William Strutt (1842-1919), tercer barón de Rayleigh). En su estudio, Lord Rayleigh determinó que la intensidad (I) de la luz dispersada por una pequeña partícula en un haz de luz de longitud de onda (λ) e intensidad (Io) viene dada por:

Dónde R es la distancia a la partícula, θ es el ángulo de dispersión, n es el índice de refracción de la partícula y d es el diámetro de la partícula.

Como consecuencia de esta ecuación, la luz dispersada es inversamente proporcional a la longitud de onda, llegamos a la misma conclusión. La radiación violeta (con menor longitud de onda) es la más difundida y la menos difundida, será la radiación roja (por su mayor longitud de onda). El resultado es que la luz que nos llega desde el Sol en línea recta, al alcanzar la atmósfera se difunde en todas direcciones y “llena” toda la atmósfera con la tonalidad azulada.

Para saber más sobre el color rojo del Sol en las puesta de Sol...

Para saber más sobre el color del cielo para una abeja y para el ser humano...

Por lo tanto, es de esperar que para una abeja el cielo presente una tonalidad violeta más que azul. Por tanto, podemos decir que El color del cielo depende del ojo que mira.