Presentado por:
¡Buenas tardes, habitantes de este Universo Paralelo! Esta edición está dedicada a la superconductividad. Se trata de una extraña fase de la materia en la que los electrones pueden moverse libremente sin resistencia alguna.
Además de lo fascinante de este comportamiento, sus aplicaciones son innumerables. Permiten transportar energía eléctrica sin pérdidas a lo largo de distancias enormes, por ejemplo. Podríamos imaginar un cable que trajera energía eléctrica solar desde lugares iluminados por el sol, a la porción nocturna del planeta. ¿Por qué no lo hacemos? Una razón es que los superconductores actuales requieren en su operación temperaturas extremadamente bajas. Refrigerar miles de kilómetros de cables es demasiado costoso.
La imagen de la semana es un hermoso cristal de bismuto, uno de los protagonistas en la búsqueda de nuevos compuestos superconductores.
Espero que disfruten de esta edición de nuestro Universo Paralelo. Que superconduzcan este newsletter entre sus secuaces, y me ayuden así a impulsar la ciencia en los medios. Por eso, por favor, compartan este Universo Paralelo. Y si les llegó de alguien, ¡inscríbanse ya!
Un imán levita sobre un superconductor de alta temperatura enfriado con nitrógeno líquido a -200 °C. Crédito: Peter Nussbaumer (CC BY-SA 3.0)
Los materiales conductores constituyen la base de todos los dispositivos electrónicos que utilizamos a diario. Al conectar nuestro smartphone a la toma de corriente, un flujo de electrones circula a través del cable conductor, cargando nuestra batería.
Aunque este hecho nos resulta natural, sorprendentemente existen materiales que no ofrecen ningún tipo de resistencia al flujo de electrones. Estos son los superconductores.
Otra característica de los superconductores es que impiden que campos magnéticos externos los penetren. Si ponemos un imán sobre una muestra superconductora, el campo magnético del imán, al no poder atravesar el superconductor, genera una fuerza de empuje que contrarresta a la fuerza de gravedad, fenómeno conocido como levitación magnética. Es lo que vemos en la imagen que ilustra este texto.
Entonces, ¿por qué prácticamente toda la tecnología que usamos a diario está fabricada con materiales conductores y no superconductores? La respuesta es que, lamentablemente, para preparar estados superconductores se requieren temperaturas extremadamente bajas, que resultan de muy alto costo para aplicaciones cotidianas.
Motivados por razones tanto teóricas como aplicadas, los científicos han intentado fabricar materiales que sean superconductores a temperatura ambiente. Combinando diferentes elementos, se ha logrado construir materiales que exhiben el estado superconductor a temperaturas cercanas a los -140 °C, es decir, temperaturas relativamente altas en comparación con el mercurio superconductor.
Los avances logrados en las últimas décadas han sido extraordinarios, pero todavía estamos lejos de conseguir los ansiados superconductores a temperatura ambiente. Aun así, la búsqueda de estos materiales es un campo muy activo de investigación que seguramente nos deparará grandes sorpresas en el futuro próximo.
Viaje de prueba de un tren de alta velocidad basado en levitación magnética producida con superconductores. Crédito: Saruno Hirobano (CC BY-SA 4.0)
La búsqueda de materiales superconductores que operen a temperaturas altas es una frenética carrera, dado el impacto que tendría tanto en lo puramente científico como en lo económico.
En lo científico, aún estamos lejos de comprender a cabalidad los mecanismos que están detrás de la superconductividad de alta temperatura, a diferencia de aquella de baja temperatura, que puede explicar la teoría BCS de 1957, cuyo nombre proviene de las iniciales de los apellidos de sus autores: John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer. Los tres ganaron el Premio Nobel de Física en 1972 por este logro.
En lo económico, los superconductores tienen ya hoy muchas importantes aplicaciones. Entre otras:
Al 2023, el mercado global de los superconductores ascendía a más de 9 mil millones de dólares. El desarrollo de superconductores de alta temperatura promete un enorme crecimiento de esos números. Estos son los que requieren de temperaturas mayores a -200 °C para funcionar.
Aunque no parezca una temperatura particularmente alta, tiene la virtud de ser la temperatura de licuefacción del nitrógeno, un elemento muy común y barato: representa nada menos que el 78 % del aire que respiramos.
La búsqueda ha sido lenta pero esperanzadora. Hoy son ciertos óxidos de cobre los que se llevan el récord de temperatura a presión ambiental, operando a unos -135 °C.
Dado lo complejo que es analizar teóricamente estos compuestos, la búsqueda resulta a menudo ciega y descuidada. La cantidad de trabajos con grandes anuncios y que luego nadie puede reproducir es alarmante. En 2020, por ejemplo, se anunció superconductividad a altas presiones y temperatura ambiente en la prestigiosa revista Nature. Luego de dos años de controversia, el artículo fue retractado.
Cada semana hacemos las mismas cuatro preguntas a un científico. En esta edición, entrevistamos a la Dra. Gisella Palma Lira, investigadora y académica de la Escuela de Geología de la Universidad Mayor e investigadora asociada del Centro Avanzado de Tecnología para la Minería de la Universidad de Chile.
– ¿Qué te motivó a dedicarte a la ciencia?
-Creo que mi motivación para dedicarme a la ciencia proviene de una combinación de factores. Desde niña fui muy observadora, curiosa y me gustaba mucho la naturaleza. Además, siempre fui muy creativa, me gustaba dibujar, pintar, hacer figuras de plasticina y papel maché. Cuando me preguntaban qué quería ser cuando grande, mis respuestas variaron desde astrónoma, paleontóloga hasta artista visual. Durante la enseñanza media, descubrí mi pasión por la química, lo que me llevó a decidir que, si no me convertía en artista, quería estudiar algo relacionado con esta disciplina. Por otra parte, mi interés por la minería se vio influenciado por el trabajo de mi papá, quien es ingeniero mecánico.
No muy convencida de mi futuro, entré a estudiar ingeniería y opté por la carrera de Ingeniería en Minas, pensando que podría desarrollar mi interés por la química a través de la geometalurgia. Fue el semestre que cursé Geología General donde conocí y descubrí mi fascinación por la geología. Lo que más me cautivó fueron los minerales. Cómo estos forman cristales perfectos, cómo ciertas morfologías se repiten al cambiar la escala (geometría fractal) y cómo estos incorporan metales de interés económico dentro de su estructura cristalina. Finalmente, realicé mis prácticas profesionales y memoria de título en el área de geología económica, la cual se enfoca en el estudio de los yacimientos minerales. Sin embargo, pronto me di cuenta de que no quería trabajar en una minera, sino que quería investigar y especializarme en mineralogía y geoquímica.
–¿Cuál es la obra científica que más influyó en tu actividad?
-No podría elegir una obra científica específica que haya marcado mi trayectoria académica. Sin embargo, es imprescindible mencionar a Richard Sillitoe, reconocido como uno de los geólogos económicos más importantes a nivel mundial de las últimas décadas. Sus trabajos en exploración minera y el descubrimiento de yacimientos minerales de cobre, oro y molibdeno, en particular los pórfidos cupríferos (la primera fuente de cobre del país), han tenido un impacto significativo en la economía de muchos países del mundo, especialmente en Chile. Sillitoe realizó su doctorado en Copiapó en los años 60, y desde entonces ha regresado a Chile todos los años para llevar a cabo trabajos de geología económica, contribuyendo enormemente al desarrollo de esta disciplina.
–¿Cuál es el problema científico más importante por resolver?
-En el ámbito de la geología económica, la pregunta fundamental es cuándo y dónde se descubrirá el próximo gran megayacimiento, comparable a gigantes como Chuquicamata o El Teniente en Chile. En este contexto, para responder a esta interrogante, es crucial construir y refinar modelos geológicos de formación de yacimientos minerales que puedan aplicarse efectivamente a la explotación mineral.
Así, los aspectos claves a dilucidar son el origen de los metales, cómo se transportan los metales desde las profundidades de la Tierra hasta su precipitación y acumulación en la corteza terrestre. Si logramos entender cabalmente cómo se forman los yacimientos minerales, estaremos en mejor posición para determinar dónde se descubrirán los próximos grandes depósitos. Asimismo, el desarrollo y aplicación de métodos analíticos y técnicas de exploración minera a diferentes escalas, que sean sustentables y amigables con el medio ambiente, son fundamentales para avanzar en este campo.
–¿Cuál es la pregunta que te desvela como científica y cómo la enfrentas?
-En la última década, el concepto de «metales críticos» se ha utilizado para referirse a aquellos metales de gran importancia estratégica y económica para la industria, un país o un continente. Actualmente, muchos de estos metales están en riesgo de escasez de suministro, debido a diversas razones, ya sean políticas, técnicas o derivadas de los complejos procesos asociados (por ejemplo, profundidad, desarrollo minero, costos). Además, muchos de estos metales están experimentando un rápido crecimiento de la demanda y son fundamentales para el desarrollo de nuevas tecnologías de generación de energía libre de carbono.
En Chile, hemos considerado la presencia de metales críticos desde la década de 1950. Algunos de ellos, como las tierras raras, el cobre, el litio y el cobalto, experimentarán un fuerte crecimiento de la demanda en los próximos años. Por lo que el desarrollo de una industria de metales críticos sería un paso importante para que Chile se consolide como país minero, capitalice nuestro potencial geopolítico y genere conocimiento en la minería polimetálica, así como capacitación de expertos y desarrollo de innovaciones. Desde mi perspectiva personal, las preguntas que más me intrigan son cuáles son los metales críticos que podemos encontrar en los distintos tipos de yacimientos minerales, cómo se distribuyen y cuáles son sus concentraciones asociadas a los distintos minerales.
Foto: Alchemist-hp (CC BY-SA 3.0)
No es una escultura contemporánea. Es un cristal de bismuto.
El bismuto es un metal que está bien adelante en la tabla periódica, justo después del plomo, de número atómico 83. Es el elemento con mayor número atómico que no es radiactivo. Además, a diferencia de su predecesor en la tabla, no es tóxico. Tanto es así que se utiliza para hacer medicamentos gastrointestinales y cosméticos.
El bismuto es parte de una familia muy importante de compuestos superconductores de alta temperatura: los óxidos de bismuto, estroncio, calcio y cobre, que operan a temperaturas tan altas como los -165 °C. El mismo bismuto es superconductor, pero a temperaturas muy cercanas al cero absoluto.
La belleza de los cristales de bismuto está mucho más allá de su colorida apariencia. Está en lo más profundo de sus átomos, de las propiedades de sus electrones.
Equipo para resonancia magnética. Crédito: Ptrump16 (CC BY-SA 4.0)
– Una de las aplicaciones más cotidianas de la superconductividad es la resonancia nuclear magnética. Uno de los más precisos exámenes de imágenes que la tecnología permite hoy.
Al entrar en el claustrofóbico túnel, lo que hacemos es ubicarnos en medio de un poderoso campo magnético, que puede llegar a 3 Tesla. Para que te hagas una idea, el campo magnético de la Tierra que mueve las agujas de nuestras brújulas es decenas de miles de veces más pequeño.
Para generar estos campos eléctricos se recurre a un electroimán. Quizás hicieron uno en su infancia, enrollando un cable de cobre en un clavo y conectando los extremos a una batería. El clavo se transformaba mágicamente en un imán.
– Salgamos ahora un poco de los superconductores y hablemos de otro de los grandes misterios de la naturaleza: la materia oscura.
Pero volvamos a la materia oscura. Se trata de una forma de materia que se comporta de manera muy similar a la convencional, salvo que no interactúa con ella. O lo hace tan sutilmente que nos cuesta mucho percibirla. Es como si fuese un fantasma, que no podemos tocar, que atraviesa todo y no emite ni absorbe luz.
Uno de los candidatos más habituales de materia oscura se conoce como WIMP, siglas en inglés para «partículas masivas débilmente interactuantes». Esa hipotética interacción débil que tendrían con nuestros átomos nos permitiría detectarlas en experimentos extremadamente precisos.
El detector está enterrado 1.480 metros bajo la superficie, de modo de aislarse lo más posible del bombardeo de partículas provenientes del espacio u otras fuentes de radiación.
Experimentar el batir de un alga como látigos en el mar, explorar la materialidad y traspasar la maleabilidad y dureza de un cochayuyo a elementos táctiles; desagregar el color que el observador desconoce y comprender que se provoca por pigmentos como las clorofilas a, b y c que absorben la luz a distintas frecuencias, son algunas de las experiencias y reacciones que presenta la muestra sensorial “Sobrevivirán a las marejadas, a los siglos y a los sueños: Aproximaciones sensoriales a las algas”.
Esta muestra, que se presenta como una pequeña cápsula itinerante en la mitad del recorrido ya mágico del “Chile Biogeográfico”, nos invita a tomar una pausa.
Observar y aprender, explorar y aprender, sentir y aprender. Ir al rescate del trabajo científico empolvado en antiguos gabinetes de herbarios de una histórica colección de algas, redescubrir su forma y color, de eso se trata esta obra.
En una era en que los conocimientos científicos son cada vez más elaborados, tratando de entender mecanismos y singularidades que nos alejan del todo, es fácil perder la perspectiva y alejarnos del sujeto.
Dónde: Museo Nacional de Historia Natural. De martes a sábado, 10:00 a 17:30 hrs. Hasta el 6 de octubre.
Presentado por:
Eso es todo en esta edición de Universo Paralelo. Ya sabes, si tienes comentarios, recomendaciones, fotos, temas que aportar, puedes escribirme a universoparalelo@elmostrador.cl. Gracias por ser parte de este Universo Paralelo. ¡Hasta la próxima semana!
Inscríbete en el Newsletter Universo Paralelo de El Mostrador, súmate a nuestra comunidad donde el físico Andrés Gomberoff te llevará por un viaje fascinante a través del mundo de la ciencia.
