Teléfono, repárate a ti mismo

Por BBC Mundo / Paul Rincón

La ciencia afirma que pronto muchos de los objetos que usamos podrán repararse solos.

Irremediablemente, en algún momento la pantalla de su celular se agrietará, sus zapatos de deporte quedarán inservibles o aparecerán grietas en las paredes de su hogar, y sustituir o reparar estos elementos tendrá un costo.

¿Pero qué pasaría si estos fueran fabricados con materiales capaces de repararse a si mismos? Tal y como lo hacen, por ejemplo, plantas y animales.
La ciencia augura que muy pronto todo esto será posible gracias al uso de materiales autorreparables que ya se ensayan comercialmente.

Fiebre investigadora

La idea de desarrollar este tipo de tecnología se remonta a la década de los 60, cuando académicos soviéticos empezaron a hablar sobre el tema.
Pero en realidad fue un estudio liderado en 2001 por Scott White de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Estados Unidos, lo que detonó una fiebre investigadora en este campo.

Los avances en materiales podrían permitir la fabricación de pantallas de celulares que puedan arreglarse automáticamente.

El grupo puso a prueba un polímero similar al plástico con cápsulas microscópicas conteniendo un agente líquido sanador. Una brecha en el material provocaba que las cápsulas se rompieran, liberando el agente.
Cuando esta sustancia entraba en contacto con un catalizador presente en el material, una reacción química volvía a unir las dos paredes de la grieta. El polímero recuperó así el 75% de su dureza original.
En la última década, el equipo ha desarrollado y refinado sus sistemas basados en cápsulas, y recientemente presentaron un circuito eléctrico que se repara a si mismo al dañarse.
Microcápsulas en el circuito de oro liberan metal líquido en respuesta a un daño, reparando así su conductividad eléctrica y dando un paso más hacia un futuro de chips que se arreglan solos.
El coautor del estudio Benjamin Blaiszik, quien ahora trabaja en el Laboratorio Nacional Argonne de Estados Unidos, explicó que el circuito podría tener aplicaciones en el ámbito militar o espacial.
"Imaginen que se da un fallo mecánico de un microchip del robot Curiosity debido a un estrés termomecánico, o que se diera un fallo de interconexión en la fase de aterrizaje. Obviamente, no hay forma de repararlo manualmente o sustituir la sonda".

Primeros usos: gas y petróleo

Muy pronto estos materiales podrían empezar a usarse en plantas de extracción de gas y petróleo.

El equipo de Illinois ya está comercializando su trabajo a través de la empresa Autonomic Materials, que ha reunido ya US$4 millones en inversiones.
Su jefe ejecutivo, Joe Giulani, explicó a la BBC que las primeras aplicaciones de los sistemas de microcápsulas aparecerán en coberturas, pinturas y adhesivos para entornos donde la corrosión supone un problema, ya que según apuntó, "en el mundo, la corrosión cuesta más de US$500.000 millones al año, así que es un enorme problema".
Con estos materiales, las plantas extractoras y otros elementos podrían durar muchos años más que aquellos fabricados con materiales convencionales, alargando el intervalo de tiempo entre obras de mantenimiento.
Los vehículos militares, autos y buques también podrían beneficiarse de las coberturas autoreparadoras. Autonomic Materials ya está poniendo a prueba hasta 30 productos con este fin y espera enviar sus primeros pedidos comerciales en los próximos seis meses.
Algunos fabricantes podrían no estar contentos con productos que duren muchos más años que los convencionales, pero los productores de pinturas y coberturas "saben que pueden ganar más por cada galón de pintura que venden", asegura Giulani. "Los clientes nos han demostrado que están dispuestos a pagar por el costo añadido".

Aviones y equipos deportivos

Microcápsulas liberan un agente reparador cuando el material se daña.

Según explicó Scott White a la BBC esta línea de investigación ha atraído un enorme interés en la última década, con cerca de 200 estudios académicos publicados sobre el tema tan sólo el último año.
Científicos trabajan en todo lo que va desde polímeros reparables a materiales compuestos (hechos a partir de dos o más materiales) para reparar metales y cerámicas.
Desde 2001, dos nuevas líneas de investigación han incorporado el uso de microcápsulas.
Tomando como ejemplo el sistema circulatorio biológico, se han creado materiales con sistemas vasculares basados en una red de canales (como capilares, venas y arterias) dentro del material para liberar un agente reparador en el lugar dañado.
Otros sistemas explotan la naturaleza de ciertos químicos para incorporar estas propiedades reparadoras directamente en el material.

Pros y contras

Todos estos métodos tienen ventajas y limitaciones que cobran importancia dependiendo de qué aplicación tendrán.
Las microcápsulas son finitas: a medida que se usan, el material pierde la capacidad de repararse, mientras que los sistemas intrínsecos necesitan un estímulo, como someterlos al calor o a la luz, para disparar el efecto reparador, lo que puede ser bueno o malo dependiendo de cómo se use.
Si el daño es microscópico, los sistemas de microcápsulas pueden ser la mejor opción, pero según señala White, "si el volumen de daño es más grande, ninguno de estos sistemas van a funcionar, asi tienes que apelar a un sistema vascular".
Esto se debe a que estos sistemas permiten transportar a la zona dañada mayores cantidades del agente sanador. No obstante, tienen el inconveniente de que son sistemas muy complejos.

Aviones que se arreglan solos

Científicos británicos creen que el avance podría tener aplicaciones en la aviación.

El profesor Ian Bond y su colega el Dr. Richard Trask de la Universidad de Bristol, en Reino Unido, están desarrollando materiales para ser utilizados en aviones.
Los materiales contienen redes vasculares hechas a base de fibras huecas que transportan el agente sanador a través de materiales compuestos de polímeros.
El equipo de Bristol estudia usarlo áreas sometidas a fuerte estrés dentro de la "piel" del avión. "La autorreparación en este tipo de áreas es potencialmente muy atractiva porque sabes que vas a tener grietas ahí", apunta. Pero el reto va a ser el convencer a las autoridades del valor y la seguridad de esta tecnología.
En la Universidad Case Western Reserve de Cleveland, en Estados Unidos, el profesor Stuart Rowan ha desarrollado un material a base de polímeros que se repara a si mismo cuando se le somete a un flujo intenso de luz ultravioleta.
"Podemos imaginar una pintura para autos que pueda repararse sola aunque alguien haga una rayadura con una llave de lado a lado del auto".

Concreto con bacterias

Este cemento contiene bacterias capaces de reparar grietas y agujeros una vez entran en contacto con agua.

Paralelamente, Henk Jonkers y Erik Schlangen de la Universidad de Tecnología Delft, en Holanda, trabajan en uno de los materiales más usados en el mundo: el cemento.
El cemento presenta un problema importante, ya que tiende a agrietarse, lo que hace que se filtren químicos y agua con efectos corrosivos.
Pero ellos han incorporado en la mezcla de hormigón una bacteria inofensiva productora de mineral calcita junto con nutrientes.
Cuando el agua activa las esporas durmientes, los microbios se alimentan de los nutrientes y producen piedra caliza, reparando así grietas y agujeros.
A largo plazo, Scott White augura la existencia de materiales que respondan a daños de forma más compleja, que se renueven a si mismos como lo hacen los huesos.
"Podríamos hacer mucho más con lo que tenemos... El modo en que actualmente hacemos compuestos con fibras y capas planas apuntan a la misma dirección", destaca Ian Bond por su parte.
"Sólo estamos empezando a entender cómo la naturaleza hace lo que hace con estos materiales básicos".

La nueva ciencia: abierta, comunitaria y por Internet

Por MICHAEL NIELSEN

En enero de 2009, Tim Gowers, un matemático de la Universidad de Cambridge, decidió hacer un inusual experimento social. Eligió un problema matemático difícil y trató de resolverlo en público, utilizando su blog para publicar ideas y su progreso. Asimismo, invitó a que otros contribuyeran con sus propias ideas, con la esperanza de que más mentes resultaran más poderosas que una. Denominó el experimento el "Polymath Project", o "Proyecto Polímata".

Varias horas después de que Gowers abriera su blog al debate, un matemático canadiense-húngaro publicó un comentario. Quince minutos más tarde intervino un maestro de matemática de una escuela secundaria de Arizona. Tres minutos después, comentó Terence Tao, matemático de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA). La discusión había comenzado y, apenas seis semanas después, el problema había sido resuelto.

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Alex Nabaum

Siguieron más retos y aunque los eruditos no siempre los han solucionado, han sido pioneros de un nuevo enfoque en la resolución de problemas. Su trabajo es un ejemplo de los experimentos en redes científicas que se llevan a cabo para estudiar de todo, desde las galaxias hasta los dinosaurios.

Tales proyectos usan tanto herramientas en Internet como recursos cognitivos para amplificar nuestra inteligencia colectiva. Las herramientas constituyen una manera de conectar a las personas adecuadas a los problemas adecuados en el momento adecuado.

Las redes científicas tienen el potencial de acelerar de manera dramática la tasa de descubrimiento a través de toda la ciencia. Puede que veamos el proceso diario de investigación científica cambiar de manera más fundamental en las próximas décadas que en los últimos tres siglos.

Sin embargo, existen grandes obstáculos para alcanzar esa meta. Aunque uno podría pensar que los científicos adoptarían enérgicamente las nuevas herramientas para realizar descubrimientos, iniciativas como el Polymath Project, sigue siendo la excepción.

Consideremos la idea de compartir información en línea. El ejemplo más conocido es el proyecto del genoma humano, cuyos datos pueden ser descargados por cualquier persona. Cuando uno lee en las noticias que un gen determinado se asocia con una enfermedad en particular, puede estar casi seguro de que el hallazgo se hizo posible gracias a la política de datos abiertos del proyecto.

Aun así, la mayoría de los laboratorios no hace ningún esfuerzo sistemático por compartir datos con otros científicos. ¿Por qué?

Si un científico postula a un empleo o una beca, el factor determinante de su éxito serán sus publicaciones científicas. Si no cuenta con ellas, tendrá un problema. Por lo tanto, dedicará horas de trabajo a tareas que faciliten la publicación de sus artículos en revistas científicas.

Incluso, si piensa que sería mucho mejor para la ciencia en su conjunto si colabora y comparte sus datos en línea, eso le restará tiempo a su trabajo "real" de redactar artículos.

Si las redes científicas fueran a alcanzar su potencial, los investigadores tendrían que apoyar y recompensar el intercambio abierto de todas las formas de conocimiento, y no sólo las tradicionales publicaciones del rubro. La ciencia debe ser abierta, pero ¿cómo?

Un punto de partida sería que agencias del gobierno que financian proyectos trabajen con los científicos para desarrollar requisitos para el intercambio abierto de conocimiento que es descubierto con fondos públicos. Las agencias también deberían pedirles a los científicos otros tipos de pruebas de sus aportes en sus campos —¡y no sólo artículos!— cuando solicitan dinero.

Tenemos una oportunidad grandiosa de reinventar el descubrimiento mismo, pero para lograrlo debemos primero adoptar el libre intercambio de conocimiento.

—Adaptado de 'Reinventing Discovery: The New Era of Networked Science', un libro de Nielsen, pionero en la computación cuántica.

Los 10 hallazgos científicos del año

Las leyes de la mecánica cuántica rigen el comportamiento de los átomos, las moléculas y las partículas subatómicas, es decir, el microuniverso. Sus efectos se estudian y se miden con increíble precisión, y sin ellos no cabe pensar en los experimentos de los aceleradores de partículas o en los microscopios avanzados de efecto túnel, por citar sólo dos ejemplos. Pero los objetos de tamaño macroscópico, el mundo que vemos y tocamos a escala humana, siguen las leyes de la física clásica... hasta ahora.

Unos científicos han ideado y construido un pequeño aparato muy simple, pero se mueve de modo que sólo puede ser descrito precisamente por las leyes cuánticas. El artefacto, que puede concretarse en aplicaciones importantes, como nuevos sensores ultrasensibles o controladores de la luz, ha sido elegido por la revista Science como el avance más importante del año en su habitual lista de los 10 mejores descubrimientos. El puesto número dos lo ocupa el cromosoma sintético construido por unos investigadores y transferido al núcleo de una bacteria que ha demostrado ser funcional. El tercer lugar es para el genoma neandertal que ha permitido hacer estudios comparativos entre los genes de la especie humana actual y los de aquellos seres extinguidos.

La primera máquina cuántica. Andrew Cleland y John Martins (Universidad de California en Santa Cruz) y sus colegas han hecho un aparato muy simple y logran que vibre mucho y poco simultáneamente, siguiendo las extrañas leyes de la mecánica cuántica y demostrando que son aplicables a objetos macroscópicos. Se trata de una pequeña pestaña metálica semiconductora que interactúa con un surco cuántico; primero la enfrían hasta un estado base (el de mínima energía permitido por la mecánica cuántica) y luego la elevan (en solo un cuanto de energía) logrando generar un estado de movimiento puramente cuántico-mecánico.

Cromosoma artificial y funcional. El estadounidense Craig Venter y su equipo han construido este año un cromosoma sintético y lo han introducido en una bacteria a la que previamente le han extraído su ADN. La bacteria sigue funcionando y, aunque en este caso el genoma es una copia prácticamente idéntica de la natural, el experimento supone un gran avance que abre la vía hacia la síntesis de ADN de diseño para fabricar fármacos, productos químicos nuevos o biocombustibles. Todo un éxito de la llamada biología sintética.

El genoma del neandertal. El especialista de prestigio mundial Svante Pääbo, del Instituto Max Planck de Biología Evolutiva (Alemania) ha liderado la secuenciación del genoma del neandertal, a partir de ADN obtenido de fósiles de tres hembras de hace entre 33.000 y 44.000 años descubiertos en Croacia. Esto les ha permitido hacer comparaciones directas con los genes de la especie humana actual y han descubierto que los europeos y asiáticos (pero no los africanos) han heredado de los neandertales entre un 1% y un 4% de sus genes. En la investigación destaca la participación de científicos españoles.

Profilaxis del sida. Los ensayos clínicos de prevención de contagio del VIH mediante dos nuevos métodos han tenido éxito en 2010. Uno es un gel vaginal que contiene el antiretroviral tenofovir y reduce la infección del virus en mujeres en un 39%; el otro es un fármaco de ingestión oral y uso previo a la relación de riesgo, que ha logrado una reducción de casos de infección por VIH de un 43,8%.

Genes de enfermedades raras. La secuenciación de pequeños fragmentos del genoma ha permitido a unos científicos que estudian patologías hereditarias poco frecuentes, provocadas por un solo gen mutado, identificar las mutaciones específicas de al menos una docena de enfermedades.

Simulación molecular. La simulación por ordenador de las curvas de las proteínas al plegarse es una pesadilla para los científicos. Este año un equipo ha utilizado una de las computadoras más potentes del mundo para seguir el rastro de los movimientos de los átomos en el plegamiento de una pequeña proteína durante un tiempo 100 veces superior a simulaciones anteriores.

Simulador cuántico. Para describir lo que ven en los experimentos de laboratorio, los físicos recurren a las ecuaciones de las teorías, pero esas ecuaciones pueden ser muy difícil de resolver. Unos científicos han encontrado un atajo haciendo simulaciones cuánticas de cristales artificiales en los que los puntos de luz láser juegan el papel de iones y los átomos atrapados en la luz son electrones. El hallazgo responde a problemas teóricos de la física de la materia condensada y puede incluso resolver el misterio de la superconductividad.

Genómica de nueva generación. Las tecnologías de secuenciación genómica (eumeración de las letras químicas de los genes) están permitiendo estudios a gran escala de ADN tanto actual como fósil. Se ha logrado identificar ya, por ejemplo gran parte de las variaciones genómicas que nos hacen específicamente humanos.

Reprogramación celular. Las técnicas que permiten reprogramar células de manera que se invierte su desarrollo para que se comporten como células madre no especializadas en un embrión se han hecho habituales en los laboratorios de genética del desarrollo. Este año, unos investigadores han encontrado una forma de hacerlo con ARN sintético, una técnica el doble de rápida que la normal, 100 veces más eficaz y potencialmente segura para su utilización terapéutica.

El regreso de las ratas. Aunque los ratones son los animales por excelencia de los laboratorios de biología, los científicos prefieren utilizar ratas porque es más fácil trabajar con ellas y anatómicamente son más similares a los humanos. Pero hasta ahora había un problema: los métodos de hacer ratones con genes específicos inutilizados para desvelar su función (por las carencias o problemas que presente el animal) no funcionaban en ratas. Este año se han abierto vías para hacer ratas knockout, como se llaman este tipo de animales modificados genéticamente, lo que facilita el pleno regreso de esta especie a los laboratorios.

El genoma oscuro, la composición del universo, exoplanetas y otros hitos de la década
Este año, al final de la primera década del siglo XXI, la revista Science complementa su lista de los 10 descubrimientos más importantes de 2010 con una clasificación retrospectiva. Los diez mejores de estos diez años.

El genoma oscuro. Las regiones del ADN que contienen instrucciones para hacer proteínas, es decir, los clásicos genes, parecían lo único importante del genoma, hasta el punto de que los científicos, a finales del siglo pasado, bautizaron al resto genoma basura. Pero luego han descubierto que no es así, que ese otro ADN puede ser tan importante como los genes.

Cosmología de precisión. La receta del universo es un logro espectacular de los últimos años obtenido, sobre todo, con el satélite WMAP, que ha abierto la puerta a la cosmología de precisión. El cosmos está hecho de un 72,8% de energía oscura, un 22,7% de materia oscura y solo un 4,56% de materia ordinaria.

Biomoléculas del pasado. El mundo prehistórico ha adquirido una nueva dimensión con la identificación de biomoléculas, como ADN y colágeno, que resisten miles de años y que están permitiendo a los científicos obtener nueva información sobre animales y plantas del pasado. La paleontología del siglo XXI no se limita a huesos, dientes y conchas.

Agua en Marte. La exploración intensiva del planeta rojo a cargo de media docena de naves espaciales, en órbita o en la superficie marciana, ha obtenido suficiente información para afirmar que en ese mundo vecino hubo agua, al menos en el pasado remoto, y tal vez pudo albergar alguna forma de vida.

Células reprogramadas. Los investigadores han aprendido a reprogramar las células, es decir, a poner marcha atrás el reloj de células diferenciadas hasta un estado de pluripotencialidad a partir del cual puede ser convertidas en otro tipo. La tecnología, en principio, permitiría cultivar células, tejidos e incluso órganos que casen genéticamente con el paciente.

Microbioma. Es un nuevo concepto que representa el genoma colectivo del huésped y las criaturas que viven en él. Los científicos están empezando a comprender cómo los genes microbianos afectan a la cantidad de energía que absorbemos de los alimentos y como el sistema inmune responde a las infecciones.

Exoplanetas. En el año 200, los astrónomos habían descubierto 26 planetas extrasolares. Diez años después la lista supera los 500 y se amplía casi cada día.

Inflamación. Los investigadores creen que la inflamación está detrás de las enfermedades crónicas como el cáncer, el alzheimer, la aterosclerosis, la diabetes o la obesidad.

Metamateriales. La síntesis de materiales con propiedades óptimas artificiales y a medida han llevado a nuevas formas de guiar y manipular al luz y a la construcción de dispositivos para hacer invisibles los objetos.

Cambio climático. En una década los científicos han consolidado sus conocimientos del cambio climático confirmando que el planeta se está calentando, que la responsabilidad es, en gran medida, humana y que los procesos naturales seguramente no ralentizarán el calentamiento.