Frase célebre

"La investigación es el proceso de recorrer callejones para ver si tienen salida." 
(Marston Bates)

viernes, 26 de junio de 2015

Un hidrogel que se comporta como el cartílago

En el campo de la bioingeniería, los hidrogeles son considerados como materiales multiuso. Consisten en redes de polímeros hidrófilos entrelazados y suelen ser blandos, biocompatibles y muy absorbentes. Se pueden utilizar como cápsulas para la aplicación controlada de fármacos, como películas delgadas en las lentes de contacto e incluso como sensores en los alcoholímetros.

En la ingeniería de tejidos (o medicina regenerativa), los hidrogeles se usan a menudo como soportes para las células que van a reemplazar los tejidos. Ahora Takuzo Aida, Yasuhiro Ishida (ambos del instituto de investigación RIKEN de Japón) y Takayoshi Sasaki (Instituto Nacional de Ciencias de Materiales de Japón) y sus equipos de investigadores han diseñado un hidrogel que puede hacer las funciones del tejido mismo.
Elbow joint - deep dissection (anterior view, human cadaver)
Vista del cartílago articular (articular cartilage) de la articulación
del codo. [Imagen original de Anatomist90 (Own work) 
[CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]

El nuevo material se comporta como el cartílago articular que lubrica las articulaciones: puede soportar una carga pesada a lo largo de una dirección, a la vez que estirarse y deformarse con facilidad en las otras. En el cartílago real, el comportamiento lubricante es el resultado de la interacción compleja entre las células, las fibras de colágeno y una multitud de proteínas extracelulares. En la versión sintética, es el producto de una receta más sencilla: los investigadores mezclaron copos de óxido de titanio en una solución de moléculas precursoras del hidrogel y lo sometieron al campo intenso de un imán superconductor, que hizo el resto.

Un hidrogel de este tipo se prepara mediante un proceso de cuatro pasos. Se mezclan nanohojas de óxido de titanio con una solución de moléculas precursoras del hidrogel; se aplica un campo magnético que orienta las hojas en capas espaciadas de forma regular; las moléculas precursoras se polimerizan para envolver las nanohojas en una matriz de hidrogel; finalmente, se quita el campo magnético. La repulsión culombiana entre las nanohojas cargadas negativamente endurece el material en la dirección normal a las capas, pero permite que se pueda estirar y deformar fácilmente a lo largo del plano de las capas.

Sin embargo, para que pueda llegar a ser una solución viable como sustituto del cartílago, el nuevo hidrogel tendrá que verificar que es capaz de soportar ciclos de carga mucho más duros que los que se usaron en las mediciones preliminares de los investigadores. Y dado que el mecanismo que hace posible el comportamiento anisótropo del material depende de interacciones electrostáticas, se debería estar seguro de que sus propiedades se mantendrían en el entorno altamente iónico del interior del cuerpo. De momento, Aida y sus colaboradores han demostrado que, después de una semana inmerso en suero fisiológico, el hidrogel retiene sus propiedades estructurales y mecánicas.

El equipo de investigadores también considera que el hidrogel podría usarse como aislador de vibraciones. La anisotropía mecánica del material hace que la energía vibracional se concentre en modos paralelos a las capas de titanato. Como experimento de prueba, pusieron un plato de cristal equilibrado sobre pilares de hidrogel que se apoyaban a su vez sobre una mesa que podía oscilar mecánicamente. Cuando el eje rígido del hidrogel está alineado verticalmente, el plato permanece nivelado, incluso si tiembla la mesa. Cuando se cambian los pilares por un hidrogel más convencional, el plato se tambalea y la esfera que estaba encima para verificar el equilibrio se cae.

Esta capacidad de aislar las vibraciones es especialmente relevante y prometedora para países que suelen sufrir terremotos, como Japón, país de origen de los investigadores.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/3/10.1063/PT.3.2707

sábado, 13 de junio de 2015

Preciosos fenómenos ópticos: los halos

El fenómeno óptico conocido como halo se forma cuando la luz del Sol o de otra fuente es refractada por los cristales de hielo de la atmósfera de la Tierra. Aunque normalmente se encuentran en los cirros, nubes altas y ligeras, los cristales conocidos como prismas de hielo a veces se pueden hallar cerca del suelo.

Los halos se observan con mayor frecuencia que los arcoíris. Y de las muchas configuraciones de halos, el más común es el halo circular o de 22°. Este tipo de halo se produce cuando los cristales de hielo hexagonales presentan una amplia distribución de orientaciones; lo de los 22° hace referencia al ángulo con el que los cristales desvían la luz en el borde interior del círculo.

En la foto, tomada en una tarde fría en una playa escocesa, se pueden apreciar varias características asociadas a los cristales de hielo de la atmósfera, entre los que destaca el halo circular que rodea el sol.
Ice halos above Foveran beach - geograph.org.uk - 675126
Halo circular sobre una playa de Escocia. [Autor de la foto: 
Martyn Gorman [CC BY-SA 2.0], via Wikimedia Commons]
La Organización de las Naciones Unidas (ONU) ha declarado el año 2015 como el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz. Uno de los principales proyectos de la celebración se denomina "Light: Beyond the Bulb" (Luz: Más allá de la bombilla). Desarrollado por el Observatorio Chandra de Rayos X y patrocinado por SPIE con apoyo de la Unión Astronómica Internacional, el proyecto muestra la diversidad de la ciencia basada en la luz que se está investigando en la actualidad en todo el espectro electromagnético, en todas las disciplinas científicas y en todas las plataformas tecnológicas.

Que la luz nos acompañe siempre.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/2/10.1063/PT.3.2698

domingo, 31 de mayo de 2015

Seguridad cuántica para las tarjetas de crédito

Entre las muchas características extraordinarias que distinguen la mecánica cuántica de la mecánica clásica está el llamado teorema de imposibilidad de clonación cuántica. Resumidamente, viene a decir que es imposible duplicar perfectamente un estado cuántico desconocido.

La criptografía cuántica trata de explotar esta propiedad para así poder mantener las comunicaciones seguras y a salvo de posibles oídos ajenos. Pues bien, ahora Pepijn Pinkse y sus colaboradores de la Universidad de Twente y de la Universidad Técnica de Eindhoven han demostrado cómo proporcionar una identificación física a prueba de fraudes utilizando autentificación de seguridad cuántica (QSA por sus siglas en inglés).

Las claves en su experimento consistían en finas capas de pintura blanca que recubrían las "tarjetas" que se deseaba autentificar. Cuando un pulso de luz (con sólo unos pocos fotones) se enfoca sobre una clave, el patrón de la luz reflejada depende de la forma espacial del pulso de fotones, que se puede programar, y de las posiciones al azar e irreproducibles de más de un millón de nanopartículas de óxido de zinc que se encuentran en la pintura.

Después de medir y anotar esa dependencia en un "registro" inicial de la clave, los investigadores podían examinar la misma con un pulso de forma arbitraria y comparar así la respuesta esperada con lo que realmente se observaba. La clave correcta se distinguía claramente de una clave incorrecta, e incluso de un intento optimizado de falsificación basado en información robada del registro.

Y otras características que añaden atractivo a la técnica QSA es que no depende de datos secretos guardados en algún sitio y que se puede implementar con la tecnología actual. Como vemos, la seguridad cuántica está cada vez más cerca.

Bank cards
Foto original de MediaPhoto.Org (mediaphoto.org Own work) [CC BY 3.0], via Wikimedia Commons.

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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/2/10.1063/PT.3.2676

sábado, 16 de mayo de 2015

El cometa de Rosetta tiene mucho deuterio

Los planetólogos han sospechado desde hace tiempo que los cometas y los asteroides trajeron agua y compuestos orgánicos a la Tierra durante una época conocida como el Bombardeo Intenso Tardío, cientos de millones de años después de que se formara el planeta. Pero la contribución de los cometas y su procedencia todavía son temas discutidos.

Para distinguir entre las diferentes posibilidades, un buen método es comparar la proporción entre el deuterio y el hidrógeno (D/H) del agua del mar con la que se encuentra en distintos conjuntos de cometas. En los aproximadamente doce cometas investigados hasta el momento, se piensa que las ratios D/H observadas representan los valores locales donde y cuando los componentes del cometa se condensaron.

Comet 67P on 19 September 2014 NavCam mosaic
Cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko.
[Imagen original de ESA/Rosetta/NAVCAM,
CC BY-SA IGO 3.0 [CC BY-SA 3.0-igo], undefined]
La última medida isotópica procede de la sonda espacial Rosetta (de la Agencia Espacial Europea), que está ahora orbitando alrededor del cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko, de 4 km de anchura. Utilizando el espectrómetro de masas de la Rosetta, Kathrin Altwegg (Universidad de Berna, Suiza) y sus compañeros han medido la relación D/H de la delgada atmósfera del cometa, siendo su valor tres veces el de la Tierra.

Este valor tan alto es un duro golpe contra la teoría de que los cometas del cinturón de Kuiper trajeron el agua a la Tierra, teoría que había sido reforzada hace tres años cuando el telescopio espacial Herschel descubrió un cometa (103P/Hartley 2) cuya relación D/H coincidía con la de la Tierra. A semejanza del Hartley 2, se piensa que el cometa Churiumov-Guerasimenko se originó en el cinturón de Kuiper, más allá de la órbita de Neptuno.

Altwegg y sus colaboradores especulan que la inconsistencia de estos valores podría reflejar orígenes distintos, a pesar de que ahora sean parte de la misma familia. La nueva medida apunta a los asteroides condríticos, cuyas ratios D/H son sistemáticamente más parecidas a las de la Tierra, como la fuente más probable de nuestros océanos. Seguiremos investigando...
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/2/10.1063/PT.3.2675

viernes, 1 de mayo de 2015

La explosión de una estrella supermasiva

En el centro de casi todas las galaxias se encuentran agujeros negros supermasivos, con masas millones o miles de millones de veces la del Sol. Y esos agujeros negros alimentan quásares lejanos y brillantes que ya existían cuando el universo sólo tenía mil millones de años. Sin embargo, comprender cómo se pudieron formar tales agujeros negros supermasivos tan pronto en la historia del universo es un reto.

Algunos modelos teóricos sugieren que se pudieron originar como estrellas supermasivas (de unas 10 000 masas solares o más) que colapsan en agujeros negros y después aumentan mediante acrecimiento y fusiones de galaxias hasta alcanzar los tamaños observados ahora.

A través de nuevas simulaciones con superordenadores, Ke-Jung Chen (de la Universidad de California en Santa Cruz) y sus compañeros han revelado que algunas estrellas primordiales de unas 55 000 masas solares podrían acabar no como agujeros negros (como predicen los modelos), sino que morirían como supernovas sumamente energéticas. Debido a que estas estrellas masivas queman helio en su núcleo, los efectos de la relatividad general pueden hacer que sean dinámicamente inestables, dando lugar a un rápido colapso del núcleo de la estrella y alimentando un fuego termonuclear explosivo. Entonces, la estrella explota de forma tan violenta y completa que no quedan restos masivos.

En la imagen se puede ver una simulación en dos dimensiones del interior de una estrella supermasiva de 55 500 masas solares un día después del comienzo de la explosión. La circunferencia exterior es ligeramente mayor que la órbita de la Tierra. En el núcleo interior de helio se producen reacciones nucleares que convierten el helio en oxígeno y dan lugar a violentas inestabilidades del fluido que aceleran la reacción. En unas pocas horas, la explosión habrá liberado suficiente energía como para dispersar por completo la estrella. Se espera que este resultado siga valiendo para tres dimensiones.

Explosion of supermasive star
Imagen de Ken Chen, Universidad de California en Santa Cruz (UCSC).

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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/1/10.1063/PT.3.2666

jueves, 16 de abril de 2015

Una pared inteligente para móviles y tabletas

La mayoría de nuestras oficinas y hogares están llenos de microondas (que no vemos y que son emitidas por el aparato de wifi o cualquier otra estación base) que esperamos que interaccionen con nuestros aparatos inalámbricos, tales como los móviles, los portátiles y las tabletas. Unas antenas sofisticadas que están dentro de esos dispositivos ayudan a capturar las ondas que rebotan múltiples veces por la estancia. A pesar de ello, a menudo la recepción es desigual en el mejor de los casos.
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Imagen de LTSTS (Own work) [CC BY-SA 3.0 or 
Public domain], via Wikimedia Commons

Para mejorar la recepción, Mathias Fink, Geoffroy Lerosey y sus compañeros del Instituto Langevin de París están tratando de optimizar el entorno. Utilizando ideas de la acústica de regresión temporal y de los moduladores espaciales de luz de la óptica, crearon paneles de metamateriales que se pueden adaptar y que enfocan las señales inalámbricas hacia un aparato, por ejemplo un móvil.

El prototipo de modulador espacial de microondas (SMM por sus siglas en inglés) tiene 102 píxeles de celda unitaria, cada uno con dos resonadores y un circuito de realimentación dirigido al móvil. Cuando una onda con una frecuencia resonante incide sobre un píxel, el resonador secundario ajusta el píxel para que refleje con un cambio de fase de 0 o π, dependiendo de cómo el móvil haya ajustado el circuito de realimentación.

Los investigadores llevaron a cabo sus pruebas con un SMM de 0,4 m2 montado sobre una pared en una oficina con un sistema de reverberación complejo. El SMM incrementaba la señal global que llega al móvil en más de un orden de magnitud, incluso cuando el SMM, la fuente y el teléfono se hallaban fuera de la visual de cada uno de los otros.

Cuando el SMM cambia las fases, las ondas se cancelan en el teléfono. Según Fink, una "pared inteligente" de este tipo no solo reduce la energía necesaria para las comunicaciones inalámbricas, sino que los SMM pueden modificar los frentes de onda de las microondas en el campo de la física fundamental.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/news/10.1063/PT.5.7116

miércoles, 1 de abril de 2015

Diseño de sonido para coches eléctricos

El interior de un vehículo eléctrico puede resultar extrañamente silencioso sin un motor de combustión, y al mismo tiempo ser molesto por los componentes de sonido de alta frecuencia, que no resultan familiares. Las opciones para introducir sonidos virtuales no tienen límites, pero como demuestran Soogab Lee y sus colegas de la Universidad Nacional de Seúl, la psicoacústica y la teoría musical de la armonía pueden ofrecer una guía.

Tanto la sonoridad como la agudeza, que está relacionada con la proporción de componentes de alta frecuencia, pueden afectar negativamente a la creación de una sensación agradable. Por otro lado, para aumentar la impresión dinámica, los investigadores querían que los sonidos estuvieran relacionados con la velocidad. Se ha comprobado que son más agradables los sonidos del motor armónicos, cuyas frecuencias se encuentran en proporciones simples; por ello, el equipo de Seúl se centró en tonos relacionados armónicamente con el componente de alta frecuencia dominante que se produce en el interior del coche durante la aceleración.

Los investigadores emplearon en sus estudios a 27 voluntarios, que evaluaron cinco combinaciones de tonos añadidos (disponibles aquí) teniendo en cuenta su impresión general y describiendo después los sonidos en términos de pares de atributos: agradable–desagradable, tranquilo–dinámico, suave–duro, ruidoso–silencioso, claro–sordo y lujoso–barato.

Dos de las cinco combinaciones tuvieron una puntuación más alta para los apartados de lujo y agradabilidad que el sonido base y fueron los que más gustaron en general. Para una de ellas, el tono original y los añadidos tenían una proporción de frecuencias de 5:3:1, similar a la de un clarinete. La otra combinación, con subarmónicos que estaban tres y cuatro octavas por debajo del original, se consideraba más dura y sonora, pero también más dinámica. Esta última combinación era la preferida de los doce voluntarios a los que les gustaban los coches deportivos.

HK Central Star Ferry Multi-storey Carpark EV Electric Vehicle Charging white automobile 9-Dec-2012
Coche eléctrico recargándose. [By Epattloamer (Own work) [CC BY-SA 3.0 or GFDL], via Wikimedia Commons]
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/68/1/10.1063/PT.3.2645
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