El vientre de la serpiente

No hay duda de que las serpientes son buenas escaladoras. Y ahora se ha desvelado un nuevo aspecto de sus habilidades. En el Instituto Tecnológico de Georgia, Hamidreza Marvi y su equipo descubrieron que las serpientes pueden alternar la forma de las escamas de su vientre dependiendo de si tienen que trepar por un árbol o deslizarse rápidamente por una superficie. El truco que usan las serpientes es modificar el ángulo de ataque de las escamas para cambiar el coeficiente de fricción.

Existen diversos factores que afectan la capacidad de una serpiente para deslizarse. Los biólogos ya habían identificado pequeñas microestructuras en la superficie de cada escama del vientre. Estas estructuras son direccionales, diseñadas para agarrarse al suelo e impedir que la serpiente se deslice hacia atrás. Pero los físicos vieron que tenía que haber también algún otro aspecto que la serpiente pudiera controlar conscientemente.

Para comprobarlo, pusieron serpientes vivas sobre planos inclinados resbaladizos y midieron el ángulo en el que la serpiente pierde adherencia y se desliza. Las pruebas se hicieron primero con una serpiente totalmente despierta y después con otra anestesiada con isoflurano. Las serpientes dormidas se deslizaban a ángulos mucho menores que las que estaban totalmente conscientes, lo que prueba que debe haber algún modo mediante el cual la serpiente controla su fricción.

Las serpientes tienen en el vientre un músculo que recorre toda su longitud y puede hacer que las escamas se pongan de punta. Los investigadores descubrieron que un cambio de sólo 5 grados puede afectar el coeficiente de fricción de la serpiente en hasta un 50 por ciento. Cuando está escalando, las escamas de la serpiente se ponen perpendiculares a la superficie y se van clavando en ella a medida que trepa. Sin embargo, cuando necesita deslizarse rápidamente por un plano, pone las escamas paralelas a su cuerpo, reduciendo así la fricción.

Interesante, ¿verdad?
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201205/plants.cfm

Nuevo aparato para detectar bombas

Limpiar una zona donde ha habido un conflicto puede llevar mucho tiempo. Sobre todo encontrar bombas no explotadas, minas terrestres y municiones de guerra, que suelen permanecer enterradas durante años hasta que son desenterradas de alguna forma. Hay cientos de miles de kilómetros cuadrados con bombas que no han explotado. Para encontrar estos peligros escondidos, un equipo de la BAE Systems ha desarrollado un aparato que hace uso de lo que llaman métodos de inducción electromagnética transitoria (TDEM por sus siglas en inglés). Con este aparato pueden distinguir entre las municiones de guerra enterradas y la basura inofensiva, que suele ser el principal problema. El aparato consta básicamente de 25 bobinas sobre una plataforma cuadrada que se puede arrastrar por el suelo. Parece una cortacésped del tamaño de una mesa de pimpón. Se envían pulsos eléctricos a través de las bobinas, lo que genera campos magnéticos que, a su vez, inducen una ligera corriente en cualquier pedazo de metal enterrado que esté debajo del aparato. El objeto enterrado emite a su vez su propio campo magnético característico que es recogido por las bobinas del detector. Es el mismo principio de los detectores de metales que se usan en las playas. Pero, por medio de sus múltiples bobinas, nuestro detector no sólo mide la presencia de otro campo magnético, sino también su forma. Analizando el modo en que el campo se relaja, el aparato puede caracterizar la conductividad, la forma y el tamaño del objeto enterrado, características todas importantes para su identificación. Obtenidos estos datos, se pueden comparar con las características de municiones conocidas y determinar qué podría haber bajo la superficie. También es posible detectar artefactos explosivos improvisados1, tan frecuentes en los conflictos de Irak y Afganistán, gracias a que tienen formas bien definidas. La pega es que hay que estar cerca de un objeto para poder detectarlo. Se han hecho pruebas con cartuchos de mortero vacíos con bastante éxito. Más difícil, de momento, es identificar si un objeto de metal está hueco, otra característica clave  de las bombas no explotadas. Por otro lado, también necesitan reducir el tamaño del aparato, ya que no es muy práctico para bosques y otros espacios estrechos.

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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201205/tdemdevice.cfm

1. ^{^} También llamados IED por sus siglas en inglés.

Los asombrosos materiales arácnidos

La seda de araña es una sustancia asombrosa, más fuerte que el acero y más elástica que la goma. Además, se ha descubierto que tiene propiedades eléctricas. Una combinación perfecta para hacer con ella cables muy pequeños y flexibles. Si adherimos nanopartículas de oro y carbono a la seda de araña, aquellas mantienen su conductividad eléctrica, mientras la seda conserva sus propiedades mecánicas.

Los cables minúsculos de oro son rígidos, lo que no es ideal para hacer cables. Sin embargo, los cables de seda de araña bañados en oro son flexibles y elásticos, y se pueden usar para hacer sistemas electrónicos flexibles.

La pega es que la seda de araña es más difícil de recolectar que la seda de los gusanos de seda. Las arañas no se pueden mantener cerca porque tienden a atacarse entre sí. El único modo de industrializar esta aplicación es sintetizar seda de araña artificial^[1]. Peggy Cebe de la Universidad Tufts ha dado el primer paso mediante la síntesis de polímeros basados en la seda de la araña de seda de oro.

Los polímeros que ella y su equipo han sintetizado son muy cortos, "apenas un polímero" según su descripción. No obstante, a nivel básico, las moléculas son las mismas. Las moléculas más largas que han podido producir son de unas 13 000 u^[2], mientras que los polímeros que constituyen la seda de araña son de cientos de miles de unidades de masa atómica.

Sintetizar moléculas más largas es más difícil, pero los polímeros que el equipo ha desarrollado ya se pueden usar para algo. Por ejemplo, para hacer nódulos huecos microscópicos que se pueden emplear en la administración de fármacos. ¿Se te ocurren otros posibles usos?
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201205/plants.cfm

1. ^{^} Algunos lo han denominado el Santo Grial de la física de materiales.
2. ^{^} Símbolo de la unidad de masa atómica (v. diccionario).

Los métodos de la física y el cáncer

Hoy tengo otros dos ejemplos de cómo los físicos están ayudando en la lucha contra el cáncer, aplicando los métodos que les son propios. Por un lado, Krastan Blagoev aplica la física teórica al análisis de los datos clínicos sobre el cáncer; por otro, Lydia Sohn está desarrollando nuevas técnicas para la detección y el seguimiento visual del cáncer, a la vez que estudia la mecánica fundamental de las células cancerosas.

Echemos un vistazo primero al trabajo de Lydia Sohn. El CCR7 es un biomarcador^[1] que aparece en la superficie de las células de cáncer de mama; su alta manifestación suele asociarse con menor supervivencia por parte de los pacientes. Pues bien, Sohn y su grupo son los primeros en tratar de identificar la distribución espacial de estos marcadores. Para ello, usaron una técnica llamada STORM (microscopía de reconstrucción óptica estocástica), que permite apilar imágenes de la misma área de la muestra y reorganizarlas en una imagen de dos o tres dimensiones con resolución nanoscópica; de este modo, pueden estudiar la distribución de los biomarcadores de forma individual. Ahora harán crecer células del cáncer de mama en diferentes microentornos. Con esto pretenden averiguar cómo las fuerzas mecánicas y las señales químicas afectan a la distribución espacial de los marcadores como el CCR7, lo cual podría dar pistas para comprender cómo su presencia está conectada con la supervivencia del paciente. 

Blagoev, por su parte, piensa que los físicos teóricos podrían no sólo ser útiles sino necesarios para desvelar las fuerzas que provocan el crecimiento de los tumores cancerosos. El ritmo de crecimiento de los tumores depende de las características de las células madres del cáncer^[2]. Si el crecimiento fuera lineal, se parecerían más a las células madres adultas, que se dividen en una célula madre y una segunda célula progenitora que produce unas pocas generaciones de células hijas antes de morir. Por el contrario, el crecimiento exponencial sugiere un mayor parecido con células madres embrionarias, que se dividen en dos células nuevas que sobreviven más tiempo y siguen dividiéndose. Las nuevas terapias deberían aplicarse a estas células que se dividen.

El siguiente paso es demostrar que este crecimiento exponencial ocurre en todos los pacientes, para lo que Blagoev dice haber encontrado una técnica para adaptar los datos de los pacientes en un único análisis. Los físicos teóricos se especializan en el análisis de sistemas complejos, como es éste. La esencia de la física es crear teorías simples; la idea aquí sería tratar de buscar las cosas comunes más que las diferencias entre los distintos cánceres para facilitar el análisis.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201205/cancerresearch.cfm

1. ^{^} V. diccionario.
2. ^{^} En realidad, todavía no está claro si estas células cancerosas son técnicamente células madres.

Nanoimpresión tridimensional

La impresión tridimensional (o 3-D) lleva desarrollándose con rapidez durante los últimos 25 años. En lugar de ir sustrayendo material para obtener la forma deseada, esta técnica se basa en crear formas tridimensionales mediante la adición de material en patrones específicos. Se pueden fabricar objetos en un gran rango de escala: desde piezas de avión a implantes dentales o transductores piezoeléctricos. Normalmente, los productos se fabrican de capa en capa. Pero ahora, Jürgen Stampfl y sus colegas de la Universidad de Tecnología de Viena han demostrado una técnica de impresión tridimensional en la escala nanoscópica que no solo evita esta limitación, sino que es bastante más rápida.

La técnica se basa en la polimerización por dos fotones. Se utilizan pulsos de femtosegundos de duración de un láser de 800 nm que se enfocan hacia un volumen de resina sensible a la luz. El pulso puede provocar la polimerización de la resina, pero el proceso requiere la absorción de dos fotones; lo cual sólo sucede en el punto focal, donde la intensidad es suficientemente fuerte. A medida que el láser recorre el material, va dejando una línea solidificada de unos cientos de nanómetros de grosor. Mientras que las técnicas que fabrican la pieza capa por capa restringen el proceso a la superficie del material, la polimerización por dos fotones puede darse en cualquier parte del volumen de la resina. De esta forma se pueden crear grandes salientes como la cola del coche de carreras del dibujo.

Reproducción esquemática del objeto fabricado por el equipo de Viena.

La polimerización por dos fotones era normalmente un proceso lento, del orden de milímetros por segundo. Pero el equipo de Viena llegó a fabricar el coche de carreras del dibujo, de 285 μm de longitud, en sólo cuatro minutos, con una velocidad media de polimerización mayor de 80 mm/s. Y esto gracias a la incorporación de un nuevo sistema de fotopolímeros con una estructura mecánica ajustada con precisión. Para estructuras mayores, los investigadores anticipan velocidades incluso más altas, de hasta 5 m/s.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i4/p80_s1