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.

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

Separación de partículas sin filtros

Un grupo de investigadores de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA) ha desarrollado un nuevo método en el campo de los microfluidos para separar partículas del mismo tamaño (en la escala de los micrones) pero diferente forma. La novedad del método está en su simplicidad.

Mientras otros métodos de separación por forma implican configuraciones complicadas, pantallas deflectoras o algún tipo de campo externo que rompa la simetría, el método de UCLA se basa en las diferentes maneras en que las partículas ruedan libremente por un canal rectangular. Los dos pares de paredes del canal están suficientemente próximos (unas decenas de micrones) como para que el gradiente de velocidad transversal del flujo se extienda hasta el centro del canal.

Cuando las partículas siguen el flujo, el gradiente de velocidad las empuja hacia las paredes, mientras una fuerza inducida por estas las empuja hacia dentro. Para varillas y otras partículas con proporciones similares, predomina la fuerza hacia fuera más que para esferas y partículas con proporciones más iguales.

El resultado es un gradiente de forma a lo largo del flujo que se puede utilizar para enviar la parte central del flujo por una salida y la parte exterior por otra. Simplemente con una pasada, el grupo de UCLA extrajo el 96% de las esferas de una mezcla 50-50 de esferas y varillas.

Glóbulos rojos; los de forma de hoz tienen
la anemia falciforme. (Foto atribuida a
Drs. Noguchi, Rodgers y Schechter,
de NIDDK; US government agency,
http://www.cc.nih.gov/ccc/ccnews/nov99/)

Aplicaciones posibles de la técnica incluyen: la separación de glóbulos rojos sanos de los enfermos y deformados; la clasificación de nanopartículas artificiales; y la segregación de organismos unicelulares en diferentes estados de división celular. De hecho, el equipo de UCLA ha confirmado que su método puede separar las células de la levadura que se reproducen por gemación de las que no.

Como decía Leonardo da Vinci, "la sencillez es la máxima sofisticación".
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/65/11/10.1063/PT.3.1779

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).

Un nanobarril de ADN con la mercancía

(Este artículo es continuación de Papiroflexia con el ADN. Te recomiendo que lo leas primero).

Representación esquemática del nanobarril con y sin el ADN.

El dispositivo que comentábamos en el artículo anterior consiste en un recipiente con forma de barril similar al que aparece en el dibujo. Las dos mitades del barril tienen un extremo unido de forma articulada, mientras que el otro extremo se puede cerrar con un par de cierres de ADN. Cada uno de estos cierres consiste en dos hebras de ADN parcialmente complementarias (una naranja y la otra azul en el dibujo), que se unen y mantienen el barril cerrado. Cada cierre está diseñado para abrirse cuando encuentra un antígeno concreto (en rojo) que se halla en la superficie de las células blanco. Dentro del barril se encuentran los anticuerpos (en rosa) sujetos por hebras de ADN modificadas químicamente (en amarillo). Cuando se abren ambos cierres, los anticuerpos quedan expuestos y pueden neutralizar las células blanco.

El uso de dos cierres es importante, ya que puede no haber un único antígeno que caracterice las células blanco, pero sí puede ser posible con una combinación de dos antígenos. Por otro lado, gracias a la rigidez de la papiroflexia con ADN (poco usual entre los nanomateriales), los anticuerpos no son expuestos cuando sólo uno de los cierres se abre. Church y sus colaboradores* diseñaron seis nanobarriles diferentes, cada uno con una combinación diferente de cierres, y los probaron en seis líneas de células cancerosas, cada una con una combinación distinta de antígenos. Los barriles sólo se abrían cuando las células tenían los antígenos adecuados para desbloquear ambos cierres.

No obstante, tratar el cáncer en un ser humano o un animal es mucho más complicado que atacar células cancerosas en el laboratorio. Los nanobarriles de ADN tienen que evitar ser expulsados del cuerpo a través del hígado y el bazo hasta llegar al sitio del tumor. Y en el caso de un tumor sólido, es necesario alcanzar células más profundas, no sólo las de la superficie. Cuando se resuelvan estas pegas, los nanobarriles pueden convertirse en un verdadero medio terapéutico.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i4/p20_s1

* De la Escuela de Medicina de Harvard.

Papiroflexia con el ADN

La papiroflexia* con ADN consiste en doblar una sola hebra larga de ADN para crear una forma rígida que se mantiene fija mediante muchas hebras cortas. En 2006, Paul Rothemund (Instituto de Tecnología de California) hizo una demostración en la que usó esta técnica para crear smileys** y otras formas caprichosas. Desde entonces, los investigadores han desarrollado estructuras más funcionales, como cajas que se pueden abrir y cerrar con llaves de ADN y nanomáquinas que recogen cargamentos de nanopartículas en respuesta a señales químicas procedentes del entorno de la máquina.

Ahora George Church y su equipo de la Escuela de Medicina de Harvard (o HMS por sus siglas en inglés) han aplicado la papiroflexia con ADN para crear un dispositivo capaz de llevar un cargamento molecular a una clase específica de células.

Proporcionar un medicamento a células de un tipo concreto mientras se minimiza el efecto sobre otras células es una importante meta de la medicina. En particular, en el tratamiento del cáncer, a menudo es difícil encontrar el equilibrio entre eliminar suficientes células cancerosas y dejar intactas suficientes células sanas. Existen diversas estrategias, en diferentes estadios de desarrollo, para superar esta dificultad, mediante el uso de nanomateriales y otras tecnologías. El trabajo de Church y su equipo puede representar otro posible enfoque.

En el próximo artículo veremos con más detalle en qué consiste este trabajo.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i4/p20_s1

* También llamado origami o cocotología.
** Representación esquemática de una cara sonriente.

Nanopartículas reparadoras

Siguiendo el ejemplo de los glóbulos blancos, los científicos han aprendido a usar indicadores bioquímicos específicos para administrar medicamentos a las partes del cuerpo que más los necesitan. Pero un grupo de teóricos de la Universidad de Pittsburgh (liderados por Anna Balazs) se han dado cuenta de que algo similar se puede emplear también para reparar materiales inanimados.

De modo similar a las enfermedades biológicas, el daño en un material se puede distinguir a menudo por una marca química, como por ejemplo un cambio en la energía superficial. Hace cinco años, Balazs y su equipo describieron cómo se pueden explotar esos indicadores para administrar nanopartículas reparadoras a los sitios dañados.

Y ahora, junto con el grupo experimental de Todd Emrick de la Universidad de Massachusetts Amherst, han decidido comprobar la teoría en el laboratorio. Prepararon una emulsión de aceite en agua en la que cada gota de aceite contenía una gran cantidad de nanopartículas de seleniuro de cadmio* (CdSe) y estaba encerrada en una fina capa de surfactante. Cuando la emulsión se desliza sobre la superficie oxidada (y por tanto hidrófila) de una lámina de silicona, las microcápsulas conservan su carga de nanopartículas. Pero cuando encuentra una grieta (cuya superficie no está oxidada, por lo que es hidrófoba), las nanopartículas igualmente hidrófobas van saliendo para cubrir el interior de la grieta.

Dependiendo de la grieta, se necesitarán más o menos microcápsulas para reparar el daño. Por otro lado, las nanopartículas de CdSe, al ser fluorescentes, ayudan a identificar dónde estaban las grietas, que aparecen como rayas de un rojo brillante en la imagen.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i3/p22_s3

* Gracias a Marisa por la nomenclatura del compuesto.

Cirugía tumoral guiada por imágenes

Cuando se trata de extirpar tumores, cualquier aparato que mejore la apreciación de los bordes del tumor durante la operación es un gran avance. Y eso es lo que hace el nuevo sistema que han ideado H. Jiang (de la Universidad de Florida, Gainesville) y L. Yang (de la Universidad de Emory, Atlanta) basado en la tomografía molecular de fluorescencia (o FMT por sus siglas en inglés), aunque aún está en fase de prueba.

Las técnicas más conocidas, como la tomografía de resonancia magnética (TRM) y la tomografía computarizada (TC), pueden proporcionar una imagen del tumor maligno antes de la operación, pero ninguna de ellas puede usarse durante la operación. En cambio, el aparato de Gainesville-Emory está pensado para utilizarse en el quirófano, lo que permitiría que el cirujano pudiera ver el contorno del tumor mientras opera, evitando así dañar tejido sano.

Al paciente (o, de momento, al ratón de laboratorio) se le inyecta una dosis de nanopartículas que se adhieren a la superficie del tumor y emiten fluorescencia en el infrarrojo cercano. El problema es que los fotones con esas frecuencias, aunque pueden penetrar hasta un centímetro en el tejido, se dispersan enormemente, lo que dificulta el escaneado del tumor. Para poder formar una imagen tridimensional útil, hay que emplear un escáner sensible y compacto que sea capaz de enfocar el tumor desde varios ángulos, para luego reconstruir la imagen con un algoritmo sofisticado.

Con este fin, el escáner de Gainesville-Emory consiste en 25 fibras ópticas agrupadas como un puñado de lápices. Diez de las fibras envían luz (en el espectro del infrarrojo cercano) al objetivo; las otras quince recogen la luz fluorescente que proviene del objetivo y la envían a un detector de CCD. Al mover las fibras sobre el objetivo, se obtiene la imagen. En una prueba reciente, el escáner de FMT proporcionó imágenes de tumores que estaban a 5 mm por debajo de la piel de un ratón, con una precisión lateral de 0.5 mm y axial de 1.5 mm.

Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v64/i12/p23_s2

La física nuclear ayuda a detectar cáncer de mama

Ya lo sabíamos, pero aquí va otro ejemplo de cómo la física puede ayudar a mejorar la vida diaria. Edward Flynn es un físico nuclear que trabajó en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) durante 38 años. Cuando a su esposa le diagnosticaron un cáncer de mama, la experiencia única que había adquirido mediante los años de investigación le fueron particularmente útiles para enfrentarse al problema. La cuestión era si podría desarrollar una mejor herramienta de detección utilizando nanopartículas y sensores magnéticos.

Se puso manos a la obra y creó una técnica en la que se le inyectan al paciente nanopartículas de óxido de hierro cubiertas de anticuerpos, los cuales se adhieren a células cancerosas específicas presentes en un tumor. Después se somete al paciente a un pequeño campo magnético que alinea las nanopartículas metálicas; y cuando se apaga el campo, las nanopartículas emiten una señal magnética que es detectada por unos sensores SQUID (v. Diccionario). La medida de esta señal muestra a los doctores cuántas partículas metálicas hay (y, por tanto, cuántas células cancerosas) y en qué parte se encuentran.

Este sistema requiere sólo un número muy pequeño de células cancerosas, aproximadamente 100.000, frente a los varios millones de células que se necesitan para una mamografía, por lo que permite que se detecten los tumores mucho antes. Según Flynn, se puede detectar un tumor de cáncer de mama con 100% de precisión hasta tres años antes que con una mamografía. Asimismo, permite monitorizar el tratamiento más de cerca, ya que se puede medir el número de células presentes y así ayudar a los médicos en la detección de la metástasis.

Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201110/profiles.cfm?renderf