Producción de materia a partir de la colisión de fotones

En la universidad donde trabajo (UABC, en Mexicali, México) imparto clases de Óptica y Acústica. Cada vez que revisamos el tema sobre la naturaleza de la luz disfruto en sobremanera hablar a mis alumnos sobre el lugar que ocupa la luz visible en el espectro electromagnético. La luz la estudiamos como una sucesión de ondas eléctricas y magnéticas alternantes que se van generando mutuamente ad infinitum a 3 X 10⁸ m/s en el vacío. Conforme se incrementa la frecuencia (o disminuye la longitud de onda) la energía de las ondas electromagnéticas aumenta hasta llegar a la radiación más energética del universo: los rayos gamma. En un sentido opuesto, si la frecuencia disminuye a partir de esta radiación, se obtienen rayos X, después rayos UV de alta energía, hasta llegar a la radiación no ionizante: UV de baja energía, luz visible, radiación infrarroja, microondas, ondas de radio, entre otras. Por otra parte, además de un comportamiento ondulatorio, la radiación electromagnética tiene un comportamiento corpuscular: su unidad fundamental es el fotón. Se pueden tener fotones gamma mil millones de veces más energéticos que los fotones de luz visible, por ejemplo, y billones de veces más energéticos que los fotones de microondas.

Espectro electromagnético.

Hace un par de años numerosos medios de comunicación anunciaron la conversión de luz en materia basándose en el trabajo de los investigadores Steven J. Rose, F. Mackenroth, E. G. Hill y Oliver Pike del Imperial College de Londres. Los científicos propusieron un modelo teórico que permite obtener materia mediante la colisión de fotones gamma. Nuestra experiencia diaria (corroborada por la ciencia) nos indica que la luz “no pesa”, es decir, que los fotones de luz no tienen masa; sin embargo, tienen energía. Lo que los científicos formularon fue una manera de convertir la energía de los fotones en materia. Y claro, para realizar esto ¿qué mejor que partir de unos fotones inmensamente energéticos como los gamma?

Electrones y positrones

En la tercera década del siglo pasado ya habían sido descubiertas las partículas constituyentes del átomo: protón, neutrón y electrón. Las dos primeras partículas conforman el núcleo atómico. Ambas poseen masas similares y cargas eléctricas positiva y neutra, respectivamente. El electrón se encuentra confinado alrededor del núcleo con una masa casi mil veces menor y con una carga negativa de la misma magnitud que la del protón, lo cual permite que los átomos puedan ser eléctricamente neutros al tener el mismo número de electrones y protones. En este mismo periodo, el científico británico Paul Dirac predijo la existencia del positrón: partícula con la misma masa del electrón pero con carga eléctrica positiva. Esta partícula fue detectada por el físico estadounidense Carl D. Anderson al fotografiar huellas de rayos cósmicos en una cámara de niebla. En la actualidad se sabe que el positrón es la anti-partícula del electrón (también existe el antiprotón y por tanto, la antimateria: imagine un positrón alrededor de un antiprotón).

Cuando un electrón y un positrón se encuentran, se aniquilan, produciendo dos fotones gamma con la energía equivalente a sus masas en reposo. Recordemos la célebre ecuación de Albert Einstein: E=m_oc², donde E es la energía, m_o la masa en reposo y c la velocidad de la luz (3 X 10⁸ m/s), que nos muestra la equivalencia entre la masa y la energía.

Por el mismo tiempo en el que nos hemos situado, específicamente en 1934, los científicos Gregory  Breit y John A. Wheeler propusieron un camino inverso al de la aniquilación: obtener un par electrón/positrón a partir de la “colisión” de dos fotones gamma. A pesar de su aparente simpleza no se cuenta aún con la tecnología suficiente para corroborarlo experimentalmente, más bien se sigue trabajando en modelos, como el propuesto por Oliver Pike y colaboradores, que permitirán, tarde o temprano, obtener la anhelada evidencia.

El colisionador de fotones

La propuesta de los investigadores del Imperial College de Londres se basa precisamente en la producción de pares electrón/positrón mediante el proceso Breit-Wheeler. El colisionador de fotones que ellos diseñaron consiste de un acelerador de electrones (capaz de otorgar a estas partículas velocidades cercanas a la de la luz); de una placa de oro; un “hohlraum” (cavidad en alemán) que es un cilindro hueco que se calienta mediante un láser; generadores de campo magnético, y un sistema de detección de electrones y positrones.

Colisionador de fotones.

El funcionamiento básico del colisionador es como sigue: los electrones acelerados en vacío chocan perpendicularmente con la placa de oro, su desaceleración produce fotones gamma del otro lado de la placa gracias al efecto “bremsstrahlung” o “radiación de frenado” (los electrones se desvían y frenan debido a la atracción electrostática de los núcleos de oro; en esta desaceleración se pierde energía cinética, pero como la ley de la conservación de la energía nos dice que la energía no se crea ni destruye sino sólo se transforma, la energía que se “pierde” se transforma en fotones gamma). Debido a las colisiones se liberan electrones y positrones que se desvían (mediante un campo magnético) para impedir que acompañen a los fotones hacia el hohlraum. Aquí, el cilindro tiene la energía térmica suficiente para ocasionar colisiones fotón-fotón y producir pares electrón-positrón. Finalmente, estas partículas y sus antipartículas se desvían con otro campo magnético al salir del hohlraum para su detección y cuantificación.

La simulación de los experimentos (basados en numerosos y sofisticados cálculos realizados en supercomputadoras) permitió a los investigadores estimar las características óptimas de cada componente del colisionador. En su artículo, publicado en Nature Photonics, mencionan que el colisionador también podría utilizarse para estudiar la dispersión elástica fotón-fotón, las resonancias de quarks (componentes de protones, neutrones y otras partículas) y, con una mayor energía, podría ser posible producir estados hadrónicos finales (partículas constituidas por quarks).

De momento, el investigador Oliver Pike y su equipo, espera que un grupo de científicos experimentales pueda ensamblar físicamente el colisionador y así corroborar experimentalmente el proceso Breit-Wheeler.

Fuente:

O. J. Pike, et al. A photon-photon collider in a vacuum hohlraum. Nature Photonics (1-3) May 2014 (DOI:10.1038/NPHOTON.2014.95)

Materiales compuestos: materiales fascinantes

Recuerdo que cuando fui estudiante de ingeniería utilicé a menudo resina poliéster con fibra de vidrio para construir piezas mecánicas que usé en algunos proyectos escolares. La posibilidad de crear piezas mecánicas mediante moldes me llevó, al final, a utilizar este material en mi proyecto terminal de carrera: una silla de montar ergonómica. En dicho proyecto sustituí la estructura interna de madera de una silla de montar por otra de resina con fibra de vidrio. Mi padre, quien es talabartero, le dio el acabado final.

¿Y qué es la “fibra de vidrio”? Seguramente usted ha visto que ciertas carrocerías de automóviles o motocicletas y ciertos juegos grandes para niños tienen por el lado opuesto cierta rugosidad debido a un enmarañado de fibras rígidas. El nombre de este material hace mención a sólo uno de los componentes: fibra de vidrio; el otro componente suele ser resina poliéster.

En la jerga de la ciencia de los materiales, la resina poliéster recibe el nombre de matriz y las fibras de vidrio el de refuerzo o carga. Es decir, la matriz es el volumen donde el refuerzo se dispersa –u orienta– para ofrecer, juntos, mejores propiedades físicas que si permanecieran ambos por separado. La región donde la matriz y la carga tienen contacto recibe el nombre de interface.  Este tipo de materiales recibe el nombre genérico de materiales compuestos o simplemente compuestos.

En la naturaleza

Madera fracturada. Se puede apreciar la dirección de las fibras.

La naturaleza ofrece algunos ejemplos de compuestos: huesos, los cuales consisten de una matriz ósea (hidroxiapatita de calcio) reforzada con fibras de colágeno (proteína que también es abundante en la piel); madera, en donde la lignina (importante en la formación de las paredes celulares de las plantas) es la matriz, y las fibras de celulosa (polisacárido) son el refuerzo; exoesqueletos de ciertos crustáceos, cuya matriz es de quitina (otro polisacárido) y la carga son cristales de carbonato de calcio (CaCO₃), y también las conchas de algunos moluscos, donde la matriz se conforma de proteínas y polisacáridos (denominada conquiolina) y el refuerzo son cristales de CaCO₃. A través de millones de años de evolución estos compuestos han llegado a la complejidad que poseen, brindando estabilidad mecánica òptima a los organismos que los generan.

En la vida diaria

Muro de adobe.

Desde tiempos primitivos, el hombre se valió de materiales compuestos para construir refugios más duraderos: la mezcla de barro y paja dio lugar a un material más resistente y duradero que el barro simple. De hecho, en nuestros días sobrevive el adobe: bloque de barro, arena y paja (el cual comienza a tener auge en muros de casas del tipo ecológico debido a su elevada inercia térmica). Resulta claro que el barro y la paja al combinarse ofrecen mejores propiedades mecánicas que los dos de manera individual: sería impensable construir paredes sólo de paja o sólo de barro, este último se fracturaría con relativa facilidad.

En la actualidad, un indicador notable sobre la importancia de los compuestos es su utilización en la industria aeroespacial: el avión Boeing 787 utiliza un 50% de compuestos poliméricos por peso; por otra parte, el avión Airbus A350 utiliza casi un 53%. La sustitución de metales, como el aluminio, por compuestos han aligerado el peso de estas aeronaves permitiendo un mayor ahorro de combustible. Lo mismo sucede con los vehículos terrestres comerciales, una parte importante de sus componentes son ahora de compuestos.

Un análisis

Como ya vimos, los compuestos consisten de una matriz, un refuerzo y su interface. El estudio de esta última es fundamental para saber si hay una buena adhesión: la afinidad química entre la matriz y la carga es muy deseable. De igual manera, la distribución y dispersión del refuerzo en el volumen de la matriz es esencial para obtener una mayor homogeneidad. Es decir, si hubiera regiones de la matriz sin refuerzo debido a una mala distribución o dispersión, se fracturarían con mayor facilidad ante algún esfuerzo mecánico.

La geometría y tamaño del refuerzo también son importantes para las propiedades físicas finales del compuesto. Los refuerzos pueden tener forma de fibras, láminas, esferas, y su tamaño puede estar en el orden de los centímetros (paja), milímetros (fibras cerámicas o metálicas), micrómetros (fibras de vidrio o carbono) y nanómetros (nanotubos de carbono, nanopartículas metálicas, entre otros).

Dependiendo de la aplicación del compuesto podemos elegir el tipo de matriz y refuerzo que mejor convenga. Sería importante verificar si la interface entre ellos es la adecuada y cómo podría mejorarse. Después de la selección, hay que realizar la suficiente experimentación: distintos métodos de dispersión de cargas en la matriz, diferentes proporciones refuerzo/matriz, orientación del refuerzo, entre otros factores, para descartar los compuestos que menos cumplan las expectativas y obtener al final el mejor.

En general, se obtienen compuestos para aplicaciones mecánicas pero pueden desarrollarse otros con propósitos eléctricos, es decir, a partir de una matriz aislante podría obtenerse un compuesto hasta cierto punto conductor de la electricidad si los refuerzos son eléctricamente conductores. Para lograr lo es deseable que el refuerzo sea tan diminuto como sea posible.

Nanocompuestos

Como vimos, la interface entre la matriz y el refuerzo es muy importante. Si la carga tiene dimensiones en el orden de los cm, la interface en el compuesto podría tener algunos metros cuadrados; en cambio, algunas cargas, como los nanotubos de carbono (cilindros de grafeno concéntricos) o el grafeno (lámina de carbono de un átomo de espesor) presentan un área descomunal (10³ o 10⁴ m²) para la misma cantidad de carga. Es decir, si las dimensiones del refuerzo son del orden nanométrico, se necesitaría una baja proporción carga/matriz debido al incremento de la interface.

Fractura de un compuesto de alúmina (óxido de aluminio) y nanotubos de carbono.

El problema para tan diminuto refuerzo es su dispersión en la matriz: suelen actuar fuerzas electrostáticas o interacciones de Van der Waals en la aglomeración de las nanoestructuras. Para romperla es necesario aplicar mucha energía mecánica/térmica (como la extrusión o la homogenización mediante esfuerzos de cizalla) en presencia de la matriz gelatinizada o fundida, o en presencia del monómero próximo a polimerizar. Quizá el mejor método de dispersión en esta escala es la funcionalización de la superficie del refuerzo con grupos químicos afines a la solución donde se dispersará. La energía mecánica adicional suele proveerla un generador de ultrasonidos, los cuales, mediante la cavitación a micro-escala en la solución, ayuda a separar las nanoestructuras.

Consideraciones finales

En la industria aeroespacial, automotriz y naval se utilizan nanotubos de carbono, nanofibras de carbono y grafeno como refuerzo en resinas, epóxicos y plásticos para fabricar una amplia gama de piezas mecánicas. Asimismo, las nanoarcillas (como la montmorillonita, mineral del grupo de los silicatos) son utilizadas para reforzar polímeros que se utilizan en envases de conserva de alimentos al incrementar su capacidad de barrera hacia ciertos gases como oxígeno y nitrógeno. Por otra parte, algunas nanoestructuras conductoras de la electricidad han permitido el desarrollo de compuestos (de plásticos o concretos) con cierto nivel de conductividad eléctrica que se han utilizado en el apantallamiento electromagnético de equipo electrónico sensible y en la generación de calor mediante la conducción controlada de corriente eléctrica.

Cada día se diseñan compuestos con refuerzos nanométricos más sofisticados –desde un punto de vista físico y químico– lo cual está permitiendo que se apliquen en áreas tecnológicas más especializadas: electrocromismo, músculos artificiales, tintas conductoras, biomateriales, entre otras. La ciencia de los materiales compuestos se mantiene al alza.

¿Daño a los espermatozoides por celulares o móviles?

(Artículo escrito en Recife, Brasil, 2014).

Hace algunas semanas el grupo de los investigadores Jessica A. Adams, Fiona Matheus, y colaboradores, de la Universidad de Exeter (Reino Unido) publicaron un meta-análisis* (estudio en el que se comparan distintas investigaciones con una temática común para obtener conclusiones más generales) en el que establecieron la posibilidad de que la radiación electromagnética de los teléfonos celulares (o móviles) ocasiona daño en la motilidad y vida de los espermatozoides. El supuesto daño se vería potenciado por el hecho de que los hombres llevan normalmente estos dispositivos en los bolsillos del pantalón. Como suele ocurrir, hubo medios de comunicación que, sin mesura alguna, difundieron que la radiación de los móviles daña los espermatozoides sin tomar en cuenta que los resultados no fueron concluyentes.

Las señales de móviles y routers son inofensivas

Las más recientes investigaciones auspiciadas por la Organización Mundial de la Salud (OMS), la Comisión Internacional para la Protección contra las Radiaciones no Ionizantes (ICNIRP, por sus siglas en inglés) y la Agencia Internacional para la Investigación en Cáncer (IARC, por sus siglas en inglés) no han demostrado que la radiación electromagnética (en el orden de los Hz, KHz o MHz) de móviles, routers o cableado eléctrico de casas y edificios sea nociva.

Aunque por motivos precautorios es válido que se siga buscando alguna posible correlación, es importante también que quienes realizan estas investigaciones sean conscientes de que las ondas de radio y las microondas se ubican en la parte mucho menos energética del espectro electromagnético, lo cual las vuelve inofensivas en el nivel de baja intensidad que se utiliza en la cotidianeidad.

La radiación electromagnética

La radiación electromagnética conforma un espectro: ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta (UV), rayos X y radiación gamma. Conforme la longitud de onda disminuye (distancia entre crestas adyacentes), o aumenta la frecuencia (ciclos por segundo o por metro), la radiación electromagnética es más energética.

De acuerdo con la mecánica cuántica, la radiación electromagnética, además de tener un comportamiento ondulatorio, puede describirse mediante partículas: fotones. Un fotón de microondas (longitud de onda del orden de los cm) es mucho menos energético que un fotón de rayos X (longitud de onda aproximada de 0.1 nanómetros ‒10^-9 m‒) o menos aún si lo comparamos a un fotón de rayos gamma (longitud de onda inferior a 0.01 nanómetros).

Espectro electromagnético.

La radiación electromagnética a partir de los rayos UV de alta energía (longitud de onda entre los 50 y los 15 nm) hasta los rayos gamma, es ionizante. Es decir, los fotones de esta región del espectro son capaces de desprender electrones de átomos y moléculas, y romper enlaces químicos. La radiación restante es no ionizante.

Una analogía

Imaginemos lo siguiente: hay una serie de habitaciones contiguas con ventanas que dan hacia la calle las cuales no tienen vidrios pero sí barrotes. En el centro de cada habitación hay una “torre” de fichas de dominó sobre una mesa. Afuera, a lo largo de la acera de enfrente hay personas con proyectiles esféricos de tamaño variable. De pronto, ayudados por pequeñas catapultas, comienzan a lanzar los proyectiles más grandes hacia las habitaciones. Estos se estrellan en las paredes y barrotes de la ventana. Ante el ensordecedor ruido las fichas de dominó comienzan a vibrar un poco. Después, los lanzadores comienzan a arrojar proyectiles más pequeños y más pequeños hasta lograr que algunos logren colarse por entre los barrotes. Unos proyectiles alcanzan la mesa y otros golpean la torre de fichas la cual comienza a sufrir daños importantes. Al final, cuando los proyectiles son diminutos, impactan con violencia una o dos fichas. Tal ataque selectivo provoca que las torres se mantengan pero sin un número importante de fichas.

Analogía habitaciones-células.

Con tal escenario en mente pensemos que la serie de habitaciones representa a células de un tejido (como la piel); que las paredes y ventanas son las membranas de las células, y que la torre de fichas de dominó es el código genético (ADN) del núcleo celular. A su vez, los proyectiles grandes de madera representan los fotones de longitud de onda relativamente grande; entre más pequeños son los proyectiles menor es la longitud de onda de los fotones. La velocidad que alcanzan al ser lanzados representa la intensidad (“luminosidad”) de los fotones, no su energía, puesto que, como vimos, la energía se relaciona directamente con la longitud de onda.

Los fotones con longitud de onda más grande (proyectiles grandes) “impactan” la parte externa de las células más expuestas. En ningún momento pueden "penetrar" la célula y menos aún alcanzar el núcleo celular donde se aloja el ADN (torre de fichas). Lo mismo sucedería para los fotones con longitud de onda menor (proyectiles medianos) como la infrarroja o la luz visible. La energía del “impacto” se disiparía en la superficie en forma de calor; sin embargo, si los fotones fueran de rayos UV de alta energía, tendrían la capacidad de atravesar las capas externas y quizá impactar el núcleo celular (como los primeros proyectiles capaces de atravesar los barrotes). Si los fotones fueran más energéticos aún ‒rayos X o gamma‒, los fotones podrían “atravesar” con facilidad las membranas de las células y del núcleo, e impactarían selectivamente en alguna región de la molécula de ADN (como lo hicieron los proyectiles más pequeños en ciertas piezas de la torre). Esto último podría ocasionar mutaciones en el ADN que podría devenir en cáncer si la célula logra sobrevivir y comienza a dividirse con irregularidad. Estos fotones, capaces de interactuar con las moléculas pertenecen a la radiación ionizante.

Consideraciones finales

Quizá la analogía no es afortunada ante la extrañeza de imaginarnos un proyectil que represente un fotón con una longitud de onda kilométrica (como las ondas de radio) pero nos permite visualizar con claridad que solamente los fotones con una longitud de onda del orden del tamaño de átomos o moléculas son capaces de interactuar con ellas en forma directa.

Además de que la radiación no ionizante no produce ningún efecto en la estructura molecular de las células, podemos añadir que las microondas (radiación electromagnética que utilizan los móviles), es aproximadamente mil veces menos energética que la radiación infrarroja (emisión de calor). Si desde que somos concebidos emitimos esta última radiación y no sufrimos daño por ello, mucho menos aún debería causárnoslo la radiación de microondas en los niveles de intensidad normales de la vida diaria (menor a 0.012 W/m² ‒como comparación, la potencia de la luz solar que recibe la Tierra es aproximadamente 13.7 W/m²‒). Así que, contestando a la pregunta del título de este artículo: no, los móviles no causan daño ni a los espermatozoides ni a ninguna otra célula de nuestro organismo.

* Jessica Adams et al. Effect of mobile-telephones on sperm quality: A systematic review and meta-analysis. Environment International 70 (2014), 106-112.