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El gran poder de los materiales

lunes 11 de febrero de 2019 - 08:58 UTC

Un siglo y medio después de que Julio Verne desplegara su maravillosa y fértil inventiva en una novela tan visionaria como Viaje al centro de la Tierra, siguen sin tenerse todas las claves para comprender qué pasa realmente en el interior de nuestro planeta. Aunque se sabe ya bastante ‒entre otras cosas, que el núcleo lo conforman mayoritariamente hierro y níquel ‒, todo aquel material que aporte nueva y valiosa información a los geofísicos para entender cómo se comportan las capas interiores del globo terráqueo, bienvenido sea.

Uno de esos materiales es una nueva fase del óxido de hierro, la fase épsilon (Fe203), conocida pero muy poco estudiada, que responde de distinta manera a medida que se profundiza hasta el centro del planeta. A unas decenas de kilómetros de profundidad, las propiedades del óxido de hierro no son iguales a las que posee en la corteza terrestre. Cambian totalmente. En este punto, y a pesar de las altas presiones (de 30 a 40 gigapascales) y elevadas temperaturas a las que está sometido, es totalmente estable. Ha cambiado su estructura y puede decirse que es como un nuevo material.

Además de esta valiosísima aportación, se ha descubierto también que “potencialmente” puede existir, ‒siempre a presiones elevadas‒, una nueva fase de este material que por ahora es completamente desconocida, y que podría ser de gran utilidad debido a las “interesantes” propiedades magnéticas que posee. Este hallazgo, que alumbra excepcionales posibilidades de estudio para la geodinámica, acaba de ser distinguido como uno de los ‘scientific highlight’ de 2018 por el sincrotrón europeo, el ESRF.

El responsable de este proyecto, y de tantos otros significativos en el campo de la física, es el investigador de la Universidad de La Laguna y catedrático de Física Aplicada Alfonso Muñoz, que con seis sexenios de investigación a sus espaldas ha dedicado gran parte de su trayectoria profesional a desvelar cómo se comportan determinados materiales cuando son sometidos a altas presiones. Una carrera de fondo brillante a la que suma logros sin parar.

Publicada en la prestigiosa revista Nature Comunications y en otras web de ciencia igualmente reputadas, esta investigación, tan reveladora como compleja, requirió de varios estudios interdisciplinares y de colaboraciones de ámbito internacional. “Nosotros hicimos una parte de las simulaciones mecanocuánticas y otra parte del equipo realizó los experimentos en el sincrotrón europeo, ‒donde trabajaba una antigua alumna de la ULL, la doctora Virginia Monteseguro‒, y en el español, ya que ambos centros permiten hacer determinaciones de rayos X y otras técnicas, con una precisión y una finura que no era posible hace 50 años”, explica Muñoz.

Los sincrotrones

Y es que una parte importante del trabajo realizado se centró en las simulaciones (ese viaje al interior de la Tierra) realizadas en el sincrotrón español (ALBA) y el europeo (ESRF), dos macroinstalaciones donde los protones y electrones alcanzan, casi, la velocidad de la luz. Hablar de un sincrotrón es hablar de un acelerador de partículas capaz de desentrañar estructuras moleculares y conocer a fondo la materia que se investiga: una potente herramienta con la que la comunidad científica ha podido dar pasos de gigante en el mundo de la nanociencia y la nanotecnología.

La fase épsilon el óxido de hierro es, no obstante, solo uno de los muchos materiales que centran los proyectos e investigaciones que dirige este físico, absolutamente convencido de que los materiales transforman la vida de las personas: “Hacemos física de materiales en condiciones extremas porque se están buscando materiales emergentes e interesantes para la humanidad. No hay que perder de vista que los materiales han cambiado la forma de vida del ser humano; cambiaban la tecnología de la época y el ser humano vivía mejor”.

Tal es así que “en casi una década estamos generando más nuevos materiales que los utilizados desde el principio de los tiempos hasta el siglo XX. La revolución microelectrónica ha cambiado nuestra forma de vivir”, un hecho constatable al observar detenidamente un teléfono móvil, fabricado con materiales de todo tipo, inexistentes hace 30 años, y generados a raíz de una demanda constante por parte de la actual sociedad de consumo.

Mediante la mecánica cuántica (el estudio del movimiento de las micropartículas) y las simulaciones se puede llegar a entender por qué suceden determinadas cosas. Es, como dice Muñoz, una manera de “profundizar en los experimentos” que, en muchos casos, tendrán aplicaciones tecnológicas y en otros no. Pero eso, en definitiva, es hacer investigación básica. “A veces vemos que un material tiene potencialmente una brecha de energía que puede servir para un detector de un nanosensor, o ser sensible a pequeños cambios de temperatura pueden tener aplicaciones en medicina”.

Sin embargo, la investigación es “una carrera a largo plazo”, lenta y multidisciplinar. “Nosotros no somos como los políticos, que en cuatro años tienen que dar resultados”, comenta sin dejar de reconocer que los investigadores tampoco han de perder de vista las necesidades que tiene la sociedad actual. “Por eso tratamos de dar ese ‘feed back’ que nos piden, y no solo artículos publicados, por muy importantes que sean. Las ideas están ahí y acaban entrando en la cadena de producción al cabo de unos años. Lo que hacemos ha de servir para algo”.

Los nanomateriales

De los grandes materiales a los pequeños, cuyas propiedades son distintas al estar en una escala diminuta (nanométrica), lo que explica los impresionantes avances de los últimos años. “A pesar de que sabíamos que la naturaleza lleva millones de años usando la nanotecnología, nunca habíamos bajado tanto a esa escala”, donde las posibilidades son casi infinitas: las nanopartículas de oro se están empezando a utilizar para impedir que las células cancerosas se extiendan y produzcan metástasis. Y así, multitud de aplicaciones médicas capaces de dar diagnósticos tempranos o regenerar órganos, y que no hacen más que evidenciar el extenso y prometedor ‘nanomundo’ que está aún por descubrir.

Sin duda, la demanda de los materiales ha cambiado el desarrollo de regiones en todo el mundo: con China produciendo casi la totalidad de tierras raras del planeta (imprescindibles en la fabricación de imanes empleados en informática, medicina o electrónica), se buscan alternativas válidas, ya que “casi toda la tecnología médica que tenemos pasa por los materiales semiconductores y superconductores. Técnicas como la resonancia magnética nuclear tienen una capacidad de diagnosis espectacular”. No obstante, “casi todo está por hacer en nanotecnología; de hecho, ya se está indagando qué sucede con los materiales del interior de la corteza terrestre”.

Una forma muy plástica de comprender el gran poder de los materiales es hacerlo a través de la conversión del grafito en diamante. En su estado normal es carbono, como el de las minas de los lápices, pero generado en el interior de la tierra, y a altas presiones y temperaturas, es un diamante de extrema dureza, además de ser uno de los mejores disipadores de calor existente. Un claro ejemplo que Alfonso Muñoz usa para ilustrar cómo cambian las propiedades de los materiales en condiciones extremas, objeto de los proyectos que lidera en su grupo de investigación.

La actividad, en este sentido, es muy amplia: mantienen colaboraciones con varios grupos experimentales, en estos tres últimos años han publicado varios estudios en Nature Comunications, están presentes en numerosas organizaciones europeas y en diversos comités, como el Comité del Grupo de Investigación de Alta Presión, del que fue miembro durante tres años, o el Comité de EHPRG, el European High Pressure Research Group, del que forma parte desde 2017.

Ahora mismo están muy interesados en “compuestos de interés geológico”, como la tilleyita, un mineral que estudian en colaboración con grupos de científicos de Edimburgo y Valencia. Y hay otros, como por ejemplo, los compuestos topológicos, los vanadatos o los fosfatos, que poseen propiedades mecanocuánticas bastante sorprendentes. “Los aislantes topológicos son semiconductores en volumen, pero en superficie se comportan como metales; hay otros materiales que sometidos a altas presiones se convierten en superconductores”, y quién sabe si “podrían solucionar la vida en el futuro”.

Más de 250 artículos de investigación publicados sobre materiales y nanomateriales en condiciones extremas (en sus aspectos estructurales, electrónicos y dinámicos) avalan una trayectoria durante la que ha visto cómo han logrado fraguarse importantes proyectos de colaboración internacional con centros de primera línea: “Aunque no tenemos los mismos medios que otros centros académicos, hemos tenido una presencia en el ámbito internacional que nos ha permitido liderar”.

Congreso internacional

Una prueba de ese liderazgo es la celebración, en 2020 y en Tenerife, de la conferencia internacional que está organizando, y que es el compendio de las conferencias organizadas cada año el Grupo Europeo de Investigación de Alta Presión (EHPRG), cuyas citas el pasado año, ‒en Portugal‒, y este año en la República Checa, reúnen a los principales investigadores europeos, americanos y asiáticos en este campo.

Este congreso, del que es ‘chairman’, es una de las tantas actividades que Muñoz realiza en su día a día. Aparte de las clases, las investigaciones en curso, los TFG y TFM, los proyectos a evaluar, las conferencias y estancias en el extranjero (la última en Mumbai), reconoce que en su despacho tiene destornilladores y cables de red por si se rompe un disco duro y tiene que ser él mismo quien lo arregle. “Aquí lo arreglas tú, tienes que poder hacer de todo”.

No es que se haya vuelto a los tiempos a los que llegó a la Universidad de La Laguna, en 1989, cuando compró un ‘microvax’ por siete millones de pesetas que funcionaba las 24 horas y permitió que mucha gente pudiese hacer su tesis doctoral. Ahora, en su lugar hay, entre otras, una supercomputadora con 176 procesadores y 1.000 gigas de memoria, y las cosas en la Sección de Física han cambiado mucho. “Hay mucha gente valiosa, pero tanto la Universidad de La Laguna como otras universidades españolas, carecen de una cierta cultura de investigación. Si miras las más potentes del país, las de Barcelona o Madrid, el ratio de los que investigan es bastante más elevado”.

Malta Consolider

“En este país nadie ha pensado a largo plazo en la investigación. Tener gente preparada es bastante importante. Los daños causados por la crisis, en este sentido, van a tardar bastantes años en solucionarse. En España se está despreciando mucha gente joven, muy formada, que se han tenido que acabar marchando”. En este sentido, atrás quedaron los años en que en España se invertía más en investigación y se generaban grupos altamente competitivos, como el proyecto Malta (proyectos consolider de excelencia promovidos por el Estado), del que la Universidad de La Laguna fue miembro junto a otros grupos nacionales.

Este proyecto, en concreto, uno de los que Muñoz considera, quizá más importantes a lo largo de su trayectoria, duró seis años y aglutinó a investigadores que

trabajaban en campos que iban desde tecnología de los alimentos, a la física, la química o la astrobiología. Hoy en día, los colectivos que lo integraban siguen conectados a través de una especie de red que supone el mantenimiento de diversas reuniones, y luchan por ampliar el número de grupos.

Aunque esa era dorada de la investigación en España se terminó y aún no hay atisbos de que pueda volver, lo cierto es que la respuesta de los científicos españoles a la crisis ha sido “excepcional”. “Incluso recibiendo menos dinero que el resto de países europeos, en pocas décadas hemos pasado de tener cero publicaciones a estar en el décimo puesto en número de publicaciones e impacto en la ciencia mundial. Y eso con una pequeña inversión con la que es imposible competir con los países que ocupan los primeros lugares”.

Cuando se habla de ‘ranking’ de este tipo, este profundo admirador del físico canario Blas Cabrera, ‒que llegó a La Laguna procedente de la Universidad Autónoma de Madrid, tras su ‘postdoc’ en EEUU‒, lo tiene muy claro: la importancia o no de la investigación es una cuestión de cultura. “Mientras los anglosajones recurren casi siempre a científicos y los franceses consideran que sus investigadores e ingenieros son parte del PIB de su país, en España muchos piensan todavía que estamos en nuestra torre de marfil”.

Nada más lejos de la realidad para este investigador y profesor de Física que a pesar de sus innumerables logros profesionales (tantos que no pueden detallarse en esta entrevista) trata de explicar siempre a sus alumnos, en sus clases y charlas, problemas que incluso a los propios físicos les resultan difíciles de aclarar. “Hay propiedades de la materia para las que todavía no tenemos herramientas técnicas. Ni nosotros mismos, a veces, entendemos la mecánica cuántica, porque hasta que no llegamos al final, nos podemos encontrar con sorpresas que nos permiten formular nuevas y sorprendentes preguntas”.

Gabinete de Comunicación


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