La importancia de los rayos X

Hace 160 000 años murió un niño en el norte de África y su mandíbula fue hallada hace unos años bien conservada en Jebel Irhoud, una cueva de Marruecos donde se han hecho hallazgos arqueológicos significativos. Sorprendentemente, se sabe que el niño murió cuanto tenía unos 2839 días. Y lo sabemos porque los dientes humanos crecen con microscópicos incrementos de esmalte diarios, que pueden verse claramente en una microtomografía de rayos X del diente del niño.

En realidad, este tipo de tomografías es uno de los métodos más precisos hasta la fecha para identificar cambios graduales en el registro fósil humano; y estos cambios son cruciales para comprender los orígenes de la anatomía actual. La reconstrucción tomográfica de un fósil es solo uno de los múltiples ejemplos en los que los métodos de rayos X pueden determinar de forma no destructiva y con gran detalle la composición estructural o química de los materiales.

Otros ejemplos incluyen el descubrimiento de pinturas escondidas bajo famosas obras maestras y de pruebas matemáticas escritas con tinta ya desvanecida en el Palimpsesto de Arquímedes; el seguimiento del movimiento migratorio de los peces mediante la medida de la acumulación de metales en sus otolitos; y el análisis de la madera para determinar las fechas de famosas erupciones volcánicas.

Radiografía de la mano de Albert von Kölliker
tomada por Wilhelm Röntgen en 1896. (Foto
original de W. Röntgen; versión actual creada
por Old Moonraker).

Los métodos modernos de rayos X también abarcan fenómenos transitorios tan diferentes como insectos tragando y respirando en tiempo real, electromigración en nanocables, rápidas transiciones de fase, turbulencia en microrreactores y ondas de choque en gases.

En todos estos casos, el detector de rayos X pone el límite a lo que se puede hacer. Idealmente, los detectores deberían ofrecer una alta resolución espacial, temporal y energética. Pero en la práctica tienen que ser diseñados para optimizar la resolución de algunos aspectos, a menudo a costa de la resolución de otros.

Además, aunque los detectores de rayos X han mejorado por regla general en los últimos años, en gran parte gracias a mejoras en los sistemas electrónicos, no han avanzado al mismo ritmo que las fuentes y la óptica de los rayos X. Cuando Wilhelm Röntgen investigó por primera vez los rayos X en 1895, usó un tubo de Crookes para generarlos y emulsiones de película fotográfica para registrarlos; la fotografía de la mano de su mujer es un ejemplo famoso. Los tubos de Crookes ya no se usan, pero las emulsiones fotográficas siguen con nosotros.

La utilidad de los rayos X hace que el desarrollo de los detectores no se haya estancado, sino que aún se siguen mejorando guiados por la necesidad de mayores resoluciones en algunos aspectos de la medida.
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Fuente:
http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/65/12/10.1063/PT.3.1819

Sistema de radioterapia compacto

Los sincrotrones producen unos haces de rayos X estrechos e intensos que son ideales para eliminar tumores. Con diámetros de solo 10-100 μm, estos haces distribuyen la dosis adecuada con gran precisión. Además, por causas de momento desconocidas, la alta intensidad de estos haces es más efectiva destruyendo tumores, a la vez que menos dañina para el tejido sano, que los haces de menor intensidad que normalmente se usan en radioterapia.

Pero los sincrotrones son grandes, caros y escasos. Así que, para sortear estas desventajas, Sha Chang y Otto Zhou (Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill) están desarrollando un método compacto y práctico para llevar a las clínicas lo que se conoce como radioterapia de microhaces.

Su estrategia es producir rayos X a través del choque de electrones altamente energéticos contra un ánodo de tungsteno, de modo similar a las cámaras dentales y otros aparatos médicos de rayos X. Pero, en lugar de obtener los electrones por evaporación a partir de un cátodo metálico, usan el efecto de campo para extraer los electrones de un cátodo hecho de nanotubos de carbono. Gracias al pequeño diámetro de los nanotubos, los haces de rayos X que resultan, aunque menos intensos que los de los sincrotrones, son casi igual de estrechos.

Para probar si la tecnología es práctica, hicieron una simulación de un aparato capaz de tratar ratones de laboratorio. El aparato virtual consiste en un conjunto de 12 o más unidades ordenadas en forma circular y que dirigen sus haces hacia el centro del círculo. En efecto, el aparato puede distribuir una dosis capaz de acabar con un tumor a volúmenes muy definidos dentro de un ratón fantasma.

Y ahora están probando su primer prototipo. Más efectivo, menos dañino, ¿qué más podemos pedir?

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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i9/p18_s3

Pelos de platino para una piel artificial

La piel humana es única como sensor mecánico, ya que no sólo detecta la magnitud de la fuerza de contacto, sino también los detalles sobre cómo se ha aplicado la fuerza. De este modo, sabemos si nos clavan algo, si nos pellizcan, si nos tocan suavemente o si nos dan un tirón.

Ahora unos investigadores de la Universidad Nacional de Seúl han diseñado una piel electrónica que puede distinguir de modo similar el modo en que se la toca. La piel consiste en dos láminas finas de polímero, cada una revestida de nanofibras capilares recubiertas de platino. Cuando las láminas se colocan como en la ilustración, las nanofibras (que miden un micrón de largo y una décima de micrón de ancho) se entrelazan para formar contactos Pt-Pt que cierran un circuito electrónico.

El área de contacto total (y, por tanto, la resistencia) cambia cuando se somete a la lámina a una tensión mecánica. La presión, la torsión o la cizalladura producen cada una marcas electrónicas diferentes; e incluso si se aplican las tres al mismo tiempo, la tensión detectada se puede separar en sus partes componentes.

En pruebas de laboratorio, la piel artificial era tan sensible como para seguir el movimiento de insectos y detectar el impacto de una gota de agua. De esto modo, estos sensores delgados y flexibles podrían usarse como prótesis o monitores médicos; por ejemplo, si se pone como una venda alrededor de la muñeca, el aparato podría medir las pulsaciones fácilmente. ¿Se te ocurren otros usos?
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i9/p18_s1

Sensores que pueden "oler"

Para que una máquina pudiera imitar el sentido del olfato de una persona (o mejor, de un perro), tendría que poder determinar la presencia de un cierto vapor químico en pequeñas cantidades, así como qué sustancia química es. Los nanotubos de carbono y otros nanomateriales son capaces de hacer la primera parte. Su pequeño tamaño hace que la presencia de sólo unas pocas moléculas de gas sea suficiente para cambiar sus propiedades eléctricas. Pero, distinguir entre diferentes moléculas es ya algo más difícil.

Ya en el 2005 un grupo de investigadores descubrieron que sensores rodeados de diferentes hebras sencillas de ADN mostraban diferentes respuestas (medidas a través de la conductividad del nanotubo) a las mismas sustancias químicas de los aromas. Los sensores respondían a los olores en segundos, recobraban su conductividad de equilibrio cuando el aroma desaparecía y mantenían una respuesta reproducible durante docenas de ciclos.

Y ahora tratan de resolver el problema de distinguir entre moléculas muy similares. Con secuencias de ADN adecuadamente escogidas, se pueden crear sensores que distinguen entre moléculas orgánicas que difieren en un simple átomo de carbono e, incluso, entre moléculas que son enantiómeros. Aunque es algo fácil para el sentido olfatorio humano, no lo es tanto para los sensores electrónicos.

Los triángulos negros y de rayas representan enlaces
químicos que se extienden por encima y por debajo
del plano de la página, respectivamente.

La figura muestra un par de enantiómeros: d-limoneno y l-limoneno. Uno huele a limón y el otro huele a pino. Con una secuencia de ADN concreta, la conductividad a través del nanotubo de los sensores aumentaba (hasta un 40%) en presencia de d-limoneno y disminuía igualmente en presencia del l-limoneno. El mismo sensor también podía distinguir, aunque no tan bien, entre los dos enantiómeros de la carvona: uno huele a menta y el otro a comino.

El siguiente paso sería probar los sensores fuera del laboratorio, en diferentes condiciones atmosféricas (humedad, por ejemplo) y en presencia de olores de fondo. Por otro lado, y a pesar del buen resultado de los sensores, aún no se sabe exactamente por qué los sensores con nanotubos rodeados de ADN funcionan. Comprender el proceso permitiría simular las respuestas cuantitativamente.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i6/p22_s1

Coches eléctricos de batería: ¿aquí ya?

En un simposio que tuvo lugar en Berkeley a principios de junio sobre la acumulación de energía, se planteó la cuestión de la viabilidad actual de los vehículos totalmente eléctricos. Y la respuesta general fue que, a pesar de sus muchas ventajas potenciales, estos coches no van a poder reemplazar al coche normal de una familia en el próximo futuro. Al menos, en Norteamérica, donde las distancias son tan grandes.

De momento, los vehículos eléctricos de batería (VEB)^[1] son una meta a la que nos vamos acercando, pero todavía no estamos lo suficientemente cerca. Utilizar tales coches con lo que algunos llaman una "red verde" eliminaría la dependencia del petróleo importado y reduciría las emisiones de CO₂. Sin embargo, la autonomía sigue siendo un gran problema, así como el coste demasiado alto, a pesar de que la electricidad suele ser menos cara que la gasolina para una autonomía dada.

Los investigadores están de acuerdo en que la química de iones de litio usada actualmente en las baterías de los coches eléctricos^[2] está alcanzando su madurez, por lo que sólo se pueden esperar pequeñas mejoras en la densidad de energía y el coste, que han de ser mayor y menor, respectivamente, para un uso generalizado de los VEB. Estas baterías son apropiadas para los coches híbridos y medianamente apropiadas para los vehículos híbridos enchufables.

En resumen, parece que hace falta encontrar un nuevo tipo de baterías de alta densidad. De momento, se están investigando dos procesos químicos diferentes como alternativa: litio-oxígeno (litio-aire) y litio-azufre. Teóricamente, ambos ofrecen mucha más densidad de energía de lo que sería posible con las baterías de iones de litio en el máximo de su desarrollo. Sin embargo, las dificultades técnicas a la hora de hacer una batería con una adecuada capacidad de recarga usando cualquiera de estos nuevos procesos químicos son enormes.

Las investigaciones tratan de resolver los grandes problemas relativos al cátodo, el ánodo y el electrolito. Hay estudios que incluyen el uso de nanotubos, nanohilos, nanoesferas y muchos otros nanomateriales. Pero lo cierto es que todavía hace falta mucha investigación para llegar a vislumbrar el camino que tomará la fabricación de baterías para vehículos.
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Fuente:
http://www.aps.org/publications/apsnews/201207/electriccars.cfm

1. ^{^} Vehículos que sólo utilizan la electricidad para moverse.
2. ^{^} Así como en los ordenadores portátiles y teléfonos móviles, por ejemplo.

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.

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.

Material inspirado en las alas de la mariposa

Cuanto más observamos la naturaleza, tanto más entendemos lo mucho que aún podemos aprender de ella. Por ejemplo, las alas del macho de la mariposa Ulises o de montaña azul (Papilio ulysses) presentan unas nanoestructuras que han inspirado a los científicos (S.-H. Yun et ál., Appl. Phys. Lett.) a crear una oblea de silicio que repele el agua y apenas refleja la luz.

Las alas de la mariposa tienen unas estructuras en varias capas que crean múltiples trampas para el aire y la luz. El aire atrapado en una superficie rugosa reduce significativamente el arrastre en un líquido que se mueve, propiedad que se conoce como superhidrofobia. El problema es que las superficies artificiales superhidrófobas suelen ser inestables (debido a flujos capilares y a otras perturbaciones externas), por lo que rápidamente pierden el aire atrapado. No obstante, Sang-Ho Yun y su equipo han tomado una oblea de silicio de diez centímetros, la han perforado creando microporos y han construido nanoconos en los bordes de los poros. El proceso les ha llevado unos diez minutos y el material es capaz de permanecer estable durante un año.

Reproducción hecha por el artista del material, en el que el tamaño entre los picos es 1 μm aproximadamente. También puede verse un dibujo de la mariposa Ulises.

Las gotas de agua rebotan en la superficie, mientras que una fina neblina se va convirtiendo en gotas esféricas que acaban cayendo del material. Además, es capaz de absorber casi perfectamente luz con longitudes de onda mayores de 750 nanómetros. Estas dos propiedades juntas son bastante prometedoras para aparatos electroópticos integrados, como células fotoeléctricas, detectores de imagen infrarroja, aparatos de cultivo celular y sensores químicos.

Fuente: http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i1/p17_s1