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Superhéroes Ciencia

Superhéroes y Ciencia: Mr. Fantástico [2]

por | 6 de diciembre de 2007

Es el nombre que adopta Reed Richards, científico y líder del grupo los Cuatro Fantásticos, cuando adquieren los dispares y extraordinarios poderes que, supuestamente, les confirió la tormenta cósmica en la que se vieron atrapados. Algo común en todos los superhéroes, esto de ponerse un nombre de batalla, nunca mejor dicho. Como lo es también que, casi nunca, sean explicables desde el punto de vista científico, dichos superpoderes. En el caso de Mr. Fantástico, ¿puede la ciencia explicar, o al menos justificar, la deformación que experimentan sus huesos, músculos, piel, etc?

Elasticidad mecánica

Veamos. En principio se puede pensar en un método mecánico. Todos sabemos que aplicando una fuerza a un cuerpo, éste se puede estirar, comprimir, retorcer, etc. Lo mismo que el Dr. Reed. Es la propiedad elástica que todos los materiales tienen, en mayor o menor grado, y que se mide mediante una magnitud conocida como módulo de elasticidad o módulo de Young, en honor del científico inglés Thomas Young. Experimentalmente se comprueba que, siempre que no sobrepasemos su límite de elasticidad, al estirar, por ejemplo, una barra ésta aumenta de longitud. Matemáticamente:

E : módulo de elasticidad (en este caso longitudinal) del material.
σ : fuerza o tensión aplicada
Є : deformación unitaria en cualquier lugar de la barra

Resulta evidente que conforme mayor sea el valor del módulo de un material (E), menos se deformará (Є) al aplicarle una fuerza determinada (σ); es decir será menos elástico. De hecho, si su valor es muy alto se dice que el material es rígido. Tres observaciones al tema:

1) Cada material tiene su propio valor de módulo y, siempre que apliquemos una fuerza por debajo del mismo, experimentará una deformación elástica o, lo que es lo mismo, temporal. Sólo existirá mientras se mantenga la fuerza aplicada; si ésta cesa el cuerpo recuperará su forma original. Se habla, entonces, de una deformación reversible. Cautela.
2) En caso contrario, si se supera el valor del módulo, la deformación podría llegar a ser irreversible, permanente. El cuerpo no recuperaría jamás su forma original. Se trataría de una deformación plástica. Precaución.
3) Hay además un detalle que debemos tener muy presente. No hay que superar en mucho el módulo de elasticidad de un material, para que alcancemos su punto de rotura. Así que, al estar relativamente próximos, es fácil que no sólo lo deformemos de manera permanente, sino que lo rompamos irreversiblemente. Caución.

Problemas, problemas…

Se ven venir. Y es que el cuerpo humano está formado de diversos materiales, cada uno con un valor de módulo elástico. Y así, para una determinada tracción, se podrían estar estirando los músculos del antebrazo, por ejemplo, pero no sus huesos cúbito y radio. Por lo que habría una parte del mismo que no tendría hueso en su interior, quedando flácido y por tanto inservible. Y lo que es peor, cuando al aumentar la tracción el hueso se estirara también, lo más probable es que se superara el módulo de elasticidad de los músculos. Lo que significaría que, una vez suspendida la tracción, ya no se contraerían y el Dr. Reed andaría por ahí, de por vida, con unos antebrazos kilométricos casi sin huesos, que sí se habrían contraído. Todo un problema de languidez.

Que se agravaría si la tracción llegara a igualar o superar el punto de rotura. En cuyo caso el cuerpo no sólo no recuperaría su tamaño original, sino que se rompería irremediablemente. Ya no tendríamos un cuerpo, o partes del mismo, con dimensiones kilométricas y sin estar sustentado en un esqueleto óseo, sino que esas partes serían fragmentos diseminados por todos lados. Un desastre por partes, vamos.

… y más problemas

Uno. Derivado de la capacidad de estiramiento que tienen los materiales de los que estamos hechos. Pertenecen al grupo de los elastómeros, que pueden llegar incluso a duplicar o triplicar su tamaño, antes de romperse. Como el caucho, pero no más. De modo que nuestro superhéroe de cómic lo tendría muy difícil como científico en la vida real. Con el estado actual de conocimientos de la ciencia, no se pueden justificar las extraordinarias dimensiones que llega a medir. Ni radiaciones cósmicas, ni nada. Sólo es ciencia-ficción y no muy buena.

Dos. Consecuencia directa de las fuerzas necesarias para estirarlos. Por ejemplo. El fémur necesita una tracción de 16 000 millones de pascales para duplicar su longitud; un valor considerable pues es, aproximadamente, la décima parte de la presión que existe en el centro de la Tierra. Demasiado. O la aorta, que necesita una tracción de 0,79 millones de pascales para duplicar su longitud; lo que no está nada mal, si consideramos que es la misma que se experimenta a 70 m de profundidad en el océano. Excesiva.

Tres. Por simple motivo causal ¿Qué o quién ejerce la fuerza? ¿Cuál es su naturaleza física? La ciencia sólo conoce cuatro, y ninguna de ella es la causa. Entonces…

¿Puede que el procedimiento no sea mecánico, y que la deformación no esté basada en la elasticidad? ¿Existe otro procedimiento quizás, y otra propiedad física tal vez, que justifique la variación de tamaño de los cuerpos? Pues, sí. (Continuará).

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

 

Superhéroes y Ciencia: El escudo del Capitán América (1)

por | 2 de diciembre de 2007

Se trata de la única arma que porta el superhéroe de ‘Marvel’, uno de los pocos personajes del mundo del cómic que no tiene superpoderes. Bueno está lo del experimento con el “suero del super-soldado”. Un preparado que posibilita llegar al límite de la capacidad humana, pero sin sobrepasarla. De modo que no hay nada de sobrehumano.

Todo es fruto de un intensivo entrenamiento físico y táctico. Desarrollo de todas las capacidades físicas (fuerza, velocidad, agilidad, destreza), dominio de la acrobacia gimnástica, adiestramiento en técnicas de combate cuerpo a cuerpo y conocimiento de la estrategia militar. El resultado: un soldado atléticamente perfecto, con una formación militar completa. Pero como arma sólo lleva su característico escudo en forma de escotilla de tanque. El mismo que le fue entregado por orden expresa del presidente de los Estados Unidos, Franklin Rooselvelt. Cosa seria.

Aspecto físico (por su cara convexa)

El escudo es un disco convexo-cóncavo de entre 0,80 y 1 m de diámetro y unos 5 kg de masa. Destacar que, inicialmente, su forma era triangular y no circular y contenía tres estrellas en blanco sobre fondo azul, con rayas verticales rojas, blancas y azul. Pronto cambió a la forma y el diseño que, en la actualidad, le conocemos. En lo que respecta al dibujo de su parte convexa, merece un sobresaliente la explicación que se da a su mantenimiento. Les explico. Como es lógico, con tantos golpes que da y recibe el escudo, es de esperar que su pintura se estropee y necesite ser reparada muy a menudo. Lo sorprendente del asunto es que no lo es tanto como se podría pensar. Y la razón está en una solución que, científicamente, es aceptable.

No en vano la ofrece el famoso industrial americano Tony Stark, más conocido como Iron Man. Aplica la pintura con una base de resina epoxi o poliepóxido, combinada con nitrato de titanio(III). El polímero termoestable, endurecido al mezclarse con el agente catalizador, protege de la corrosión y mejora la adherencia de las capas de pintura. Una prueba de lo correcto del método es que, en el año 2006, el doctor S. Borrós propuso sustituir la cola de cianoacrilato (Loctite), por dicha resina epoxi en el montaje y pegado de soldaditos de plomo. Sin duda, un antes y un después en la química de adhesivos, en los albores del siglo XXI. Pero el ‘Hombre de Acero’ lo propuso en los años cincuenta del siglo XX. Buena ciencia-ficción.

Aspecto físico (por su cara cóncava)

En su cara cóncava el escudo tiene cuatro perforaciones, en las que se fijan unos astiles de acero y donde se anudan las correas que permiten cogerlo. Debido a los fuertes golpes e intensas presiones a las que se encuentra sometido el escudo, era frecuente que o bien saltaran los astiles o bien se rompieran las correas. Lo que exigía una continua y larga revisión en mantenimiento, que imposibilitaba su uso durante un tiempo. Dejando al superhéroe sin su única arma y defensa a la vez. Un mal asunto.

Para el que tampoco encontraron mala solución los guionistas de ‘Marvel’. En este caso el problema lo resolvió E. Jarvis, mayordomo de Los Vengadores. Se le ocurrió enfriar los astiles con nitrógeno líquido, N2 (l), lo que hacía que se contrajeran y se pudieran insertar en los pequeños orificios del escudo. Al normalizarse su temperatura, aumentaban de tamaño y quedaban fijados al escudo, pudiendo soportar hasta 20 t de presión. Lo que no está mal pero, ¿cómo es que no se rompía el escudo al aumentar de tamaño los astiles si, básicamente, actuaban como cuñas? ¿De qué material estaba hecho, para que no ocurriera así?

Por otro lado las correas, en principio de cuero, también tendían a romperse con facilidad. Un inconveniente que se resolvió con el invento del Kevlar (1971). Un material sintético formado por fibras, cinco veces más fuerte que el acero, extremadamente ligero (más que la fibra de vidrio), resistente al calor y que, hasta hoy, cuenta con más de 200 aplicaciones. Entre ellas: las de formar parte de barcos, piezas de aviones, materiales de construcción, miembros artificiales, naves espaciales, construcción de puentes colgantes, etc. Sin embargo, sus utilidades más famosas son los chalecos antibalas y los trajes ignífugos, formados por varias capas de esta fibra. Se cuentan por miles los policías y bomberos que deben sus vidas a dicho invento.

Kevlar es sinónimo de alta tecnología y se lo debemos a una mujer extraordinaria Stephanie Kwolek. (Continuará)

Escrito por Carlos Roque Sánchez (croque@supercable.es)

 

Superhéroes y Ciencia: De edificio en edificio [11]

por | 18 de noviembre de 2007

Es de las escenas más recurrentes en cualquier aventura del superhéroe arácnido. Su figura recortada en el cielo de las calles de New York, balanceándose con una tela de araña. Una imagen de ficción en una viñeta de cómic, o en una película, bien lejos de la realidad. Porque nadie piensa que una hebra de araña pueda aguantar a un hombre ¿O sí puede? ¿Existe acaso algún material en la naturaleza así?

Lo que aguanta un hilo de araña

En los anteriores artículos relacionados con la tela de araña (entregas [5], [6], [7]), ya se analizaban algunas de las características encontradas por la ciencia, en tan sorprendente material. Con respecto a su resistencia, y para los intereses de este artículo, vamos a manejar un nuevo dato. Se calcula que una fibra de seda de araña, que tuviera un grosor de un centímetro cuadrado (1 cm2), podría soportar una tensión de 90 000 N.

T = 90 000 N/cm2

¿Es mucho? Veamos. Si tomamos como peso medio de un hombre 750 N, dicha tensión equivaldría al peso de unos ciento diez (110) hombres. Una fuerza asombrosa para un hilo del grosor de un dedo aproximadamente. No es de extrañar que las arañas puedan escapar de algunos pájaros predadores, reteniéndolos con sus telas, a pesar del fino grosor de las mismas.

Explicación científica

Tan extraordinaria resistencia se debe a un doble motivo. Primero a que, en realidad, el hilo de seda está formado por miles de filamentos rígidos, de un grosor del orden de las milmillonésimas de metro (10 -9 m ), unidos entre sí. De modo que ninguno de ellos, aunque se rompa, es crucial para la integridad de la red. Lo que le da fortaleza al conjunto. Y segundo a que los filamentos están entremezclados con unos canales llenos de un fluido, cuya misión es distribuir la tensión a lo largo de toda la red, no sobrecargando ningún punto en particular. Lo que la hace más segura.


Sabido que existe este producto natural, capaz de sostener un gran peso, una nueva pregunta está servida: ¿Es la red de Spiderman lo suficientemente fuerte como para sostenerlo y, además, permitirle avanzar balanceándose de rascacielo en rascacielo, como si fuera un Tarzán urbanita? Vayamos por parte.

La red de Spiderman

Suponiendo que la fibra de la red de Spiderman tenga propiedades semejantes a la de la tela de araña, en principio, la respuesta es sí. Claro que dependería de su grosor. Hagamos unos cálculos. Si fuera de sección circular y de tan sólo 1 mm de radio, tendría de superficie:

S = PI · r2 = 3,14 · 0,0012 = 3,14 · 0,000 001 = 0,000 003 14 m2 = 0,0314 cm2

por lo que podría soportar una tensión de

T = 90 000 · 0,0314 = 2826 N

Lo que está bastante bien, si tenemos en consideración que se trataría de un fino hilo de 2 mm de diámetro. Un grosor muy por debajo del que, para sus aventuriles andanzas, produce nuestro joven y arácnido superhéroe.

Ahora falta saber lo que pesa Spiderman. La Ley de Gravitación Universal de I. Newton nos permite calcularlo, a partir de su masa (m) que suponemos de 70 kg y de la intensidad de la gravedad terrestre (g) que tomamos como 10 N/kg:

P = m · g = 70 kg · 10 N/kg = 700 N

Según los cálculos, de ese fino hilo no sólo se podrá colgar nuestro superhéroe sino que sostendría a tres más como él. Sin resentirse lo más mínimo. Estupendo. Por ahora la ciencia no tiene nada que objetar a la ficción. Sólo hacer una precisión. Este cálculo de tensión correspondería al peso de Spiderman y sus acompañantes. A la fuerza necesaria para sostenerlos, matemáticamente:

T = P

Pero no olvidemos que Spiderman se balancea entre los edificios de Manhattan, lo que exige una mayor tensión a la red ¿Cuánto vale ese extra de tensión? ¿Lo podrá soportar el hilo de seda?

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

 

Superhéroes y Ciencia: Los Cuatro Fantásticos [1]

por | 23 de septiembre de 2007

Desde su primera aparición, de la mano del escritor Stan Lee y el dibujante Jack Kirby en noviembre de 1961, este peculiar cuarteto se convirtió en uno de los cómics de superhéroes más conocidos de la factoría Marvel. Un clásico indiscutible del género que, por supuesto, comparte circunstancias y avatares con otros superhéroes.

Como ellos, sufren un accidente que los transforman en unos humanos singulares. Adquieren unos poderes sobrehumanos, lo que es perfectamente factible. Desarrollan unas nuevas y extrañas habilidades, que también podría ser. Y poseen unas capacidades sobrenaturales que, ¡ay!, eso ya es más difícil de admitir. Al día de hoy, el hombre tiene numerosas pruebas de la existencia de capacidades sobrehumanas en este universo, pero ni una sola de la existencia de algo sobrenatural. Es lo que dice la ciencia. Que es la que sabe.

Por supuesto que tras tomar conciencia de su nuevo estado, el cuarteto, al igual que otros superhéroes, tiene claro su destino. Ni se cuestiona la elección. Se harán de un uniforme más o menos vistoso, lo acompañarán de unas llamativas mallas de colores y dedicarán sus vidas a luchar incansablemente contra los supervillanos. Una patulea de malhechores empeñados en hacer el mal en este mundo. Ésa es la vida del superhéroe.

Elástico, invisible, ardiente y duro

Son los adjetivos con los que podrían resumirse los nuevos poderes de nuestro singular equipo. Los adquirieron después de que el cohete experimental en el que viajaban, atravesara una tormenta de rayos cósmicos en su vuelo de prueba. La intensa radiación alteró drásticamente sus cuerpos, dotándolos de superpoderes. El equipo de vuelo lo formaban:

– Reed Richards, doctor en física e ingeniería electrónica y brillante científico. Desarrolló una elasticidad extraordinaria que le permite estirar y deformar su cuerpo a voluntad. Conocido como Mister Fantástico, es el líder del grupo.

– Susan “Sue” Richards, es capaz de inducir la invisibilidad en sí misma y a los objetos que la rodean, también de crear intensos campos de fuerza. Conocida como Mujer Invisible, es la esposa de Reed y la segunda al mando en el equipo.

– Johnny Storm, cuando lo desea puede controlar el fuego que emite su cuerpo, proyectar bolas de fuego e incluso volar. Conocido como Antorcha Humana, es hermano de Sue.

– Ben Grimm, es el que sufre la metamorfosis más drástica y dramática. Adquiere una fuerza y resistencia sobrehumanas junto con un monstruoso aspecto que, a diferencia del de sus compañeros, es permanente. Conocido como La Cosa, es un viejo amigo de Reed.

Un poco de física para los Cuatro

En el cómic original los Cuatro Fantásticos sufren la radiación cósmica cuando atraviesan los cinturones de Van Allen. Unas zonas de la magnetosfera terrestre a miles de kilómetros de altura, en forma de anillos de superficies toroidales y que fueron llamados así en honor de su descubridor, el físico estadounidense James van Allen. Los rayos cósmicos son en realidad corpúsculos cargados: protones, partículas alfa y electrones entre otros, con un alto poder energético y cuyo origen extraterrestre está aún en estudio. Como vemos, de entrada, se trata de un buen detalle científico del cómic. Lo que es de agradecer. Por desgracia se queda sólo en eso. En un detalle.


Dejando a un lado lo que parece obvio -y es que el hecho de someterse a una intensa radiación cósmica, en absoluto puede reportar beneficio alguno a nadie-, desde el punto de vista de la ciencia hay alguna crítica que hacer a la adquisición de esos poderes por parte de los Cuatro Fantásticos. No parece factible que, estando todos juntos en la misma nave y recibiendo por tanto la misma radiación, lleguen a adquirir unos poderes tan dispares. Es muy posible que la recibieran en distinta intensidad (energía por unidad de tiempo, J/s), lo que justificaría que experimentaran sus efectos en desigual grado, pero no unos efectos distintos.

Es decir, lo esperable es que los poderes adquiridos por los cuatro fueran los mismos, sólo que en otro nivel, con desigual valor. Pero nunca esa pluralidad de superpoderes tan diferentes. Todo es cuestión de dosis (Continuará).

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

 

Superhéroes y Ciencia: La capacidad de adherirse (y Tercera Parte) [10]

por | 9 de septiembre de 2007

(Continuación) Luego el animal no se “despega” de la superficie, como lo hacemos de una cinta adhesiva, es decir, superando la fuerza que lo mantiene unida a ella. En su caso la atracción, simplemente, deja de existir por motivos físicos. Luego en esta interacción eléctrica, da igual que el material esté pulido o no, mojado o seco. Podrá haber atracción. Lo mismo que le ocurre a Spiderman, que se agarra donde sea. En ambos casos, sólo intervienen las moléculas polarizadas y la atracción entre ellas. Al anularse aquellas, deja de existir ésta. Visto así parece que está resuelto el problema, desde el punto de vista físico, una vez más. Bien. Sólo que un detalle parece no encajar, ¿por qué las patas de los gecos no están siempre sucias? De nuevo los peros.

Una cuestión de higiene

Lo digo porque, la propia respuesta anterior, porta la semilla de una nueva pregunta: ¿por qué las patas de estos animales no están cubiertas de suciedad? Es obvio que la misma fuerza que emplean para sostenerse en techos y paredes, adherirán de forma inevitable la basura a sus patas ¿Hay alguna explicación científica? La hay. Desde el punto de vista teórico, un complejo modelo físico-matemático justifica el hecho de que, cuando están separadas de una superficie las setae se limpien solas, al dejar caer la suciedad. Un fenómeno explicado por geometría apolar, que se puede comprobar. Desde el punto de vista experimental, basta con ensuciar las patas de un geco y ver cómo quedan limpias, al cabo de unos cuantos pasos. Acróbatas y limpios. Así son estos animales. Como nuestro superhéroe.

Bioinspiración

Con este término se designa una novedosa tendencia investigadora. La de aprovechar el estudio de los fenómenos naturales, para inspirarse en ellos y usarlos en nuevos avances tecnológicos. Como el del geco, cuyas aplicaciones ya han empezado a aparecer. A mediados de 2003, se desarrolló una “cinta geco”. Estaba formada por millones de fibras diminutas (su longitud es cincuenta veces más corta que el ancho de un cabello humano) y pudo soportar una figura de Spiderman de 15 cm de altura. Una prueba experimental de la hipótesis basada en las fuerzas intermoleculares. Por desgracia el proyecto no pasó a más. No resultaba comercialmente viable por su costo.

Hacia finales de 2005, se anunció la creación de unos nanotubos de carbono de paredes múltiples. Diseñados a semejanza de la estructura, con forma de hongo, de las fibrillas del geco, eran capaces de generar una adhesión del orden de unas doscientas veces mayor que la del animal.


Todo un logro. Según sus creadores, una superficie de este material de apenas un metro cuadrado, podría sostener a un coche familiar en el aire. Aún está en las fases preliminares, pero los primeros resultados son prometedores. Y las aplicaciones inimaginables.

En busca de aplicaciones

Si el material se consigue fabricar a bajo costo y en cantidades suficientes, se podría incorporar a multitud de objetos. En los zapatos por ejemplo, permitiendo y facilitando a las personas subir o bajar pendientes, demasiado pronunciadas para ellas. O en aviones u otros vehículos, como “cinta adhesiva” de emergencia y seguridad. Asimismo se emplearía como materiales de construcción, arneses de seguridad y neumáticos. Otros posibles usos derivarían de su capacidad de ser autolimpiables. Lo convertirían en la sustancia ideal para usar en el material de nanocirugía; en el de los robots que recorran Marte y otros cuerpos celestes; o para los distintos componentes de las estaciones espaciales. Todos son lugares donde la basura no es bienvenida.

¿Y de Spiderman qué?

Pues a la vista de lo visto hasta ahora, no cabe decir otra cosa. Tanto el cómic como la película del 2002, que incluye una escena mostrando unas fibras punzantes microscópicas brotando de sus dedos, tienen un fundamento científico sólido. Una vez más se cumple que:

CIENCIA-FICCIÓN + TIEMPO = CIENCIA

¿Significa que todos podremos ser Spiderman dentro de poco? Como poder, poder, puede ser. Al menos, en lo que concierne a este superpoder. Aunque todavía está por ver que el hombre logre resolver los retos que, la construcción de esta cinta geco le va a imponer a la ingeniería. Pero de resolverlos, no hay duda de que estaríamos en los albores de una generación de hombres-araña. El principio del fin, quizás, ¿de los ascensores? Tiempo al tiempo.

De lo que sí hay bastantes dudas es de que la adquisición de este superpoder implique, per se, una mejora para nuestras vidas. Lo digo porque el pobre Peter Parker no parece ser muy feliz, desde que se convirtió en Spiderman y emprendió su carrera justiciera. Ésa que, tan a menudo, le trae tantos problemas a él y a todos los que le rodean. Por suerte para la trama argumental del comic, estos problemas del joven Parker traspasan la mera acción de la historia y su estupenda dotación de efectos especiales. Lo cargan de un atractivo componente psicológico, al inmiscuirnos en la personalidad de un joven que se está convirtiendo en adulto. El proceso de maduración de un adolescente, con la disyuntiva moral que conlleva: se acaban los juegos y aparece el compromiso. Una sutil metáfora de la adolescencia. Algo nunca visto hasta entonces en un superhéroe.


Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

 

Superhéroes y Ciencia: La capacidad de adherirse (Segunda Parte) [9]

por | 12 de agosto de 2007

(Continuación). Dejábamos la anterior entrega de Spiderman, hablando del fenómeno de la inducción electrostática. Recordemos que se estudia en la Educación Secundaria (ESO y Bachillerato) y que es explicable por la teoría cinética atómico-molecular de la materia (T. C. A.-M.) y el modelo de carga eléctrica para el átomo, aquél que nos dice que está constituido por neutrones, protones (positivos) y electrones (negativos).

Según el susodicho fenómeno, una zona de la planta del geco, cargada eléctricamente, haría que la superficie en la que se apoyaba se cargara por inducción, con electricidad de signo opuesto. Una vez conseguido esto, ya sólo queda esperar a que la naturaleza actúe. Como bien sabemos, las cargas de signo opuesto se atraen. Et voilà. Aparece una fuerza de naturaleza eléctrica y carácter atractivo. Ahí está la causa de la adhesión del geco. Un proceso físico, con una explicación para la fuerza de naturaleza física. Y la fuerza tiene nombre.

Fuerza de van der Waals

Ya que se produce a nivel molecular, entre las de las fibrillas del animal y las de la superficie en la que se apoya, son conocidas como fuerzas intermoleculares. También lo son como fuerzas de van der Waals, por haber sido descritas por el físico holandés J. van der Vaals quien, en 1910, fue galardonado con el Premio Nobel de Física “por su trabajo en la formulación de la ecuación del estado de los gases y los líquidos”.

Convendría aclarar que, esta adhesión física, se puede conseguir de dos formas: por vía húmeda y por vía seca. La primera exige la existencia de fluidos (líquidos y gases), al estar basada en los fenómenos de capilaridad y diferencia de presión. Ellos son, en este caso, el origen de la fuerza atractiva. No es el sistema del geco. La segunda, la seca, no necesita de ningún fluido. La fuerza de adhesión procede, en exclusiva, de las interacciones intermoleculares. Éste es el sistema del geco. Bien, pero…

Como es sabido, en esta vida siempre hay un pero. En nuestro caso, porque es fácil de comprender que la fuerza atractiva, entre las moléculas de las fibrillas de las patas del geco y las de la superficie, dado el tamaño microscópico de las fibrillas, debe ser muy, muy débil. Es imposible que pueda fijar al geco, como cualquiera puede estimar. Cierto. Pero el geco tiene millones de estas fibrillas. Lo que da otra dimensión a la estimación. Si se usan las fibrillas a escala millonaria, la fuerza adhesiva se podría hacer muy, muy grande ¿Lo suficiente? Veamos cuánto.

Haciendo cálculos adhesivos

Los científicos estiman que, una de las microscópicas setae por sí sola, es capaz de levantar a una hormiga, de unos 20 miligramos de masa. Si trasladamos este dato micro a nivel macro, se obtienen unos resultados sorprendentes. Una simple operación elemental nos permite calcular que, un millón de setae, que caben fácilmente en una moneda de diez céntimos de euro, podrían sostener a un bebé de 20 kilogramos. Lo que no está nada mal. Si seguimos con los cálculos, cuatro millones de setae, una cantidad normal en las patas de un geco, podrían sostener un cuerpo de hasta 80 kilogramos de masa. Más de la que tiene Spiderman. En cualquier caso, una persona sostenida por las patas de una lagartija. Lo que es impresionante.

Los zoólogos saben que no es raro observar a gecos colgados de uno solo de los dedos, de una de sus cuatro patas, sin mostrar la menor inquietud por caerse. Comprensible. Se trata de una fuerza de adhesión muy fuerte. Puede estar seguro de que no se caerá. Bien, pero…

¿Cómo se despega el geco?

Está visto que los peros nunca se acaban. Aunque en este caso resulta obvio. Si la fuerza es tan grande, ¿cómo se despega para poderse mover? Bueno. En realidad el geco no se tiene que despegar, ya que, en ningún momento, está pegado. No existe una sustancia que actúe de pegamento. No se trata de una fijación por un método químico, sino físico. Está adherido porque atrae y es atraído por un proceso electrostático, es decir físico. Una interacción que se produce a nivel intermolecular, como resultado de la polarización originada a nivel intramolecular, al modificarse las nubes electrónicas de los átomos. Y lo bueno de esto es que, la atracción electrostática causante de la adhesión, se puede anular.


Basta con modificar la polarización que la origina. Algo que el geco logra, cambiando el ángulo de contacto de las espátulas con la superficie. El desarrollo teórico-matemático nos permite saber que, a partir de los 30º de inclinación, la fuerza intermolecular se debilita tanto que llega a anularse. En la práctica, el poder conseguir éste ángulo es lo que explica la curiosa forma de doblar los dedos hacia arriba, que emplean los gecos para dar un paso. Si puede obsérvelo, fascinante. (Continuará).

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

 

Superhéroes y Ciencia: La capacidad de adherirse (Primera Parte) [8]

por | 16 de julio de 2007

Entre las mutaciones fisiológicas que Peter Parker experimentó al ser picado por la araña alterada genéticamente, y que le confirió características similares a la de las arañas, se encuentra la habilidad de adherirse a cualquier superficie. Ya saben, nuestro joven amigo, se puede colgar del techo como si fuera una lámpara. Subir por una pared a pesar de su verticalidad. Sostener un objeto con cualquier parte de su cuerpo. O coger un balón con solo tocarlo con la yema de un dedo. Una habilidad muy especial, sin duda, ésta de la adhesión, que parece ir en contra de la gravedad ¿Cómo lo consigue?

No parece que la respuesta sea difícil. Es bien simple: pues empleando un pegamento. Evidente ¿no? Pero, claro, ¿cómo se despega para volverse a pegar otra vez? ¡Ummmm! Una demoledora pregunta que nos lleva a un pegajoso, no podría ser de otro tipo, callejón sin salida.

Ciencia-ficción intuitiva
Por suerte hay otra respuesta. La dan los propios redactores de Marvel en el cómic, y aparece en la película de Spiderman del año 2002. Es un auténtico alarde de predicción científica, de buena ciencia-ficción. Es posible que recuerden cómo, en una de las escenas de este film, se ven brotar del cuerpo de nuestro héroe unas microscópicas fibras punzantes. Como ganchitos.


Por supuesto que con ellos sólo, no es posible que se sostenga y agarre. Son demasiado pequeños. La sujeción, por tanto, no puede ser mecánica. La interacción mecánica, sería demasiado débil para ello; máxime cuando las superficies de apoyo son más o menos lisas, sin posibilidad de agarre. No. La adherencia de Spiderman es de naturaleza eléctrica. Se produce mediante una interacción electrostática, mucho más fuerte, entre las fibras de la piel del superhéroe y las superficies con las que entra en contacto. Mas, ¿es posible que esto ocurra de forma natural? Por supuesto que sí.

Aristóteles y los gecos
Trescientos cincuenta años antes de Cristo, el gran Aristóteles ya escribió sobre la sorprendente capacidad del geco (para nosotros, salamanquesa y lagartija). Admiraba sus habilidades para trepar por todo tipo de superficies, incluidas las paredes verticales, y correr cabeza abajo por el techo. Un desafío a la gravedad. Unas cualidades que comparte con animales como hormigas, abejas, cucarachas y saltamontes. Forma parte de la necesaria evolución natural para sobrevivir, que tienen todas las especies vivas. Gracias a ella trepan por los árboles, se esconden bajo las hojas, buscan refugio o localizan los alimentos. Sobreviven.


Una adaptación, por otro lado, que permite a estos pequeños seres sujetar con una gran fuerza (hasta cien veces su propio peso), correr velozmente sobre el techo o la pared (se calcula que a 1 m/s) y desplazarse incluso sobre materiales como el vidrio pulido. Aristóteles no sabía, no podía saberlo, que no eran sus garras, ni sus púas, ni ninguna sustancia adhesiva lo que le permitían hacerlo. Era todo un misterio animal, sin respuesta dentro del por entonces, incipiente cuerpo de conocimientos de la ciencia. De hecho, el asunto no tuvo respuesta hasta hace bien poco.

¿Qué dice la ciencia?
Algo sorprendente. Ya a simple vista se puede observar que en las plantas de sus patas, los gecos tienen unas almohadillas que, vistas de forma más minuciosa, están formadas por millones de micropelos llamados setae. Que a su vez, utilizando la última tecnología cuántica, muestran estar acabados en miles de submicroscópicas terminaciones o fibrillas denominadas espátulas. Una idea de su tamaño nos la da el saber que, en un metro, cabrían dos mil millones (2 000 000 000) de estas espátulas. Gracias a ellas y a su capacidad para electrizarse, es posible que los gecos se adhieran a cualquier superficie.

Es debida a las fluctuaciones de carga eléctrica que, continuamente, experimentan las fibrillas en su movimiento y que hacen que una parte de ellas esté, por ejemplo, ligeramente más cargada de electrones que otra. Adquirirá entonces esa zona, una carga eléctrica parcial negativa que inducirá, en la parte más cercana de la superficie en la que se apoya, una ligera carga parcial positiva. Un fenómeno de influencia electrostática. (Continuará)

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

 

Superhéroes y Ciencia: La tela de araña, 2002 (Segunda parte) [7]

por | 20 de mayo de 2007

(Continuación). Buscando otros organismos más adecuados, la multinacional Dupont tuvo una idea revolucionaria: insertar el gen de la fibroína de araña, en bacterias y levaduras. Una más que esperanzadora solución biotecnológica, propia del siglo XXI, que a la hora de la verdad dio unos resultados bastante decepcionantes. La maquinaria enzimática de bacterias y levaduras, degradaba la proteína producida. De modo que se obtenían compuestos de menor masa molecular, que no servían para producir fibras de seda. Un callejón sin salida. No obstante, el camino biotecnológico parecía bueno. Quizás sólo habría que cambiar el enfoque.

Las increíbles cabras-arañas
Fue lo que hicieron los científicos de Nexia, merced a un descubrimiento. Las células productoras de seda en las arañas y las de leche en los mamíferos eran muy semejantes. Ambas procedían de células epiteliales, modificadas con el fin de fabricar grandes cantidades de proteína y segregarlas al exterior. Sólo se diferenciaban en la forma de las células. Una circunstancia muy favorable.

Un pequeño inciso. En realidad, la maquinaria enzimática de fabricación, modificación y secreción de proteínas es común para todos los animales. Para todos sin excepción, nosotros incluidos. Un duro golpe para algunos humanos que no se consideran animales. O sí, pero esencialmente distintos. Mas no es así. A nivel bioquímico, los mamíferos estamos mucho más cerca de los artrópodos, de lo que muchos suelen estar dispuestos a admitir y reconocer. Lo llaman evolución, mal que les pese.

Por eso, vuelvo a la cabra-araña, las células epiteliales de cabra, adecuadamente modificadas, son capaces de fabricar la proteína de la seda, con tanta eficacia como las células epiteliales de araña. Por motivos obvios de espacio y tiempo, no les voy a detallar aquí el proceso de cómo una cabra puede fabricar seda de araña pero, me aseguran que, es bastante simple. Como me lo han contado se lo escribo.

Cuando la realidad supera a la ficción
Los primeros experimentos se están realizando sobre las cabras transgénicas BELE, que alcanzan la madurez sexual con sólo 5 meses (a diferencia de los ocho de las normales) y tienen menor tamaño (por lo que requieren menores cantidades de alimento). Se crían para la fabricación industrial de proteínas y otros compuestos en la leche. La fibroína de la seda de araña será la primera de estas proteínas. Con ellas se elaboraran fibras que se podrán hilar mediante los métodos convencionales de la industria textil. Y con las fibras, tejidos de elevada elasticidad y resistencia con interesantes aplicaciones médicas, tecnológicas y militares. Un gran avance.

La fibroína será la primera de las proteínas, pero no la única. Está en proyecto aplicar el mismo método a la producción de otras con interés comercial, tales como insulina, colágeno, hormona del crecimiento, factores de coagulación sanguínea o anticuerpos monoclonales. Las posibilidades son casi infinitas. Y los beneficios también.

Hombres-arañas
La cabra-araña es sólo el primer animal transgénico. Ya le siguen conejos, ratones, vacas, cerdos, ovejas e incluso pollos. En unos, la proteína deseada se acumula en la leche, en otros, como en el caso de los pollos, en los huevos. De seguir así, ¿formará el hombre parte de esa lista? ¿Hombres-arañas? Por otro lado, ¿qué otros “superpoderes” podemos conseguir de las arañas? No olvidemos que llevan 400 000 000 de años sobre la Tierra, sin apenas haber sufrido cambios. Una señal inequívoca de su adecuación al entorno. Una garantía de supervivencia, que logra gracias a su arsenal fisiológico: glándulas venenosas, sensibilidad extrema, poderosos quelíceros, etc.


Unas armas que la han convertido en un formidable predador beneficioso para el hombre, dado su eficaz papel insecticida. Lo que no impide que se trate de un animal que produce repulsión en la mayoría de las personas, cuando no miedo ¿Debería emplearlas entonces el hombre-araña? En caso afirmativo, ¿cuáles de ellas?, ¿con qué finalidad? A estos nuevos hombres, ¿no les pasaría como al superhéroe? Recuerden. Aclamado pero incomprendido. Beneficioso pero indeseable. Un benefactor incomprendido, con muchas dificultades en su vida diaria y, una más que, compleja personalidad psicológica. Para pensárselo.

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

 

Superhéroes y Ciencia: La tela de araña, 2002 (Primera parte) [6]

por | 6 de mayo de 2007

La respuesta a la pregunta con la que finalizábamos la última entrega de Spiderman (La tela de araña, 1962) es negativa. Sin temor a equivocarnos, podemos afirmar que la cinematográfica solución biológica a la telaraña de Spiderman II, y ya también de la III, es menos fantasiosa que la físicoquímica del cómic de 1962. Desde el punto de vista de la ciencia es mucho más factible y aceptable la mutación genética, como fenómeno causante de los spidermánicos poderes, que la radiactividad nuclear. Y en concreto el de su capacidad para fabricar y expulsar seda de araña.

Eso al menos podemos deducir de los penúltimos logros biotecnológicos. Desde finales del siglo XX, el hombre moderno, aprovechando la capacidad de crear moléculas complejas que poseen los organismos vivos, intenta obtener fibras de seda de araña. De la ciencia-ficción del cómic a la ciencia de la vida real.

Seda de araña
Sin duda se trata de un material de propiedades asombrosas. Perfeccionado por selección natural, a lo largo de cientos de millones de años, está constituido básicamente por una proteína llamada fibroína. Una proteína que las arañas generan en unas glándulas epiteliales modificadas y situadas en el extremo posterior de su cuerpo (en concreto en el ano). Disponen de hasta siete clases diferentes, capaces de producir distintos tipos de seda, para otros tantos usos. Un prodigio de especialización funcional.

Entre otras, la fibroína presenta estas propiedades: es soluble en agua, tiene una elevada masa molecular relativa (alrededor de 30.000), se polimeriza al contacto con el aire, forma agregados que se trenzan formando fibras que resultan ser extremadamente resistentes y elásticas, etc. Un dato al respecto de estas últimas propiedades. Aseguran que la resistencia de un cable de seda de araña, que tuviera el grosor de un lápiz, podría detener a un Boeing 747 en pleno vuelo. Lo que no ocurriría si el cable fuera de acero. Y es que un hilo de seda es mucho más resistente que uno de acero, de similar grosor. Increíble, pero esto no es todo. Además es muchísimo más elástico. Dada su singular estructura molecular, las fibras de seda se puedan estirar hasta veinte veces su tamaño, sin romperse. Y todo ello en un material de origen natural, biodegradable e inocuo. El material más sorprendente de la insólita naturaleza.

Fabricando telarañas
Al seguidor de Spiderman no se le habrá escapado el detalle. Si se comparan las propiedades de la seda del arácnido animal con las del humano arácnido, sus similitudes son abundantes y sorprendentes. Bueno, hay una diferencia evidente. La de la localización de las glándulas excretoras, anal en la araña y muñequera en Spiderman. Una diferencia salvable y de agradecer como lector. Un dato con categoría de anécdota, cuando lo sustancial es que, lo que a mediados del siglo pasado era ficción de cómic, hoy se presenta como posible realidad científica.

No es de extrañar por tanto, que el hombre haya querido inventar un material parecido. Por desgracia con escaso éxito. El sucedáneo artificial más parecido es el Kevlar, la fibra sintética de la que están hechos los chalecos antibalas. Pero. Es tres veces menos resistente y con mucha menos elasticidad. Tiene un elevado coste de producción industrial. Su fabricación implica el uso de altas presiones y temperaturas. Así como de disolventes orgánicos ácidos muy contaminantes. No. En absoluto es comparable esta artificial fabricación humana, con la natural síntesis arácnida.

Arañas de granja
Pero el hombre no ha cejado en su empeño. Y ha puesto en práctica nuevas ideas. Una de ellas, la de criar arañas en granjas. Así, como lo leen. Granjas para araña. Algo parecido a las de gusanos de seda, de tan magníficos resultados. Con la diferencia de que, en este caso, aquellos fueron desastrosos. Resulta que, al contrario que los gusanos, estas fábricas vivas de producir seda que son las arañas, tienen un carácter agresivo y territorial. Una peculiaridad que les impiden estar juntas. Además, en el proceso de mantenimiento de sus telarañas, están comiéndose continuamente las sedas que se van quedado viejas. Así aprovechan su contenido en proteínas. Un económico y ecológico método de reciclado, pero contrario a los intereses humanos. No, una granja de arañas no es la solución para obtener seda con fines comerciales. (Continuará)

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

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Superhéroes y Ciencia: La tela de araña, 1962 [5]

por | 22 de abril de 2007

Como bien sabemos, el escritor Stan Lee complementó las sobrehumanas capacidades de Spiderman, adquiridas por la picadura de la araña radiactiva. Lo hizo con un sorprendente fluido que el joven Peter no sólo inventó sino que fabricó. Una especie de revolucionario hilo, a semejanza de la seda de araña, dotado de unas sorprendentes propiedades, que nuestro superhéroe utilizaba de formas muy diferentes. Por ejemplo, para balancearse entre los rascacielos persiguiendo malhechores. Una científica forma de darle sobrehumana rapidez en el aire a sus movimientos. Bien pensado.

Pero en lo que no cayó el guionista, y deja en el aire, es cómo un simple estudiante de bioquímica, es capaz de semejante investigación científica. Un detalle que, paradójicamente, no pareció preocupar nunca al lector medio del cómic. Lo que le vino muy bien a Marvel, pues la libró de tener que dar explicaciones científicas sobre tan peculiar fluido.

Hilo de seda artificial

Lo que hace que, del peculiar fluido, se desconozca todo sobre su naturaleza y estructura química. Sin embargo, de la lectura del cómic se pueden deducir algunas de sus propiedades. Se le supone un polímero complejo y sintético similar al nylon que, mientras no esté en contacto con el aire, permanece en estado líquido y es muy adhesivo. Por el contrario, en contacto con aquél, la larga cadena de polímeros se trenza y forma, merced a las interacciones electrostáticas, una fibra filamentosa extremadamente flexible y resistente. Una nueva sustancia química artificial, lo suficientemente fuerte y elástica, como para usarla en las circunstancias más duras y versátiles. Como fino hilo con el que desplazarse entre los rascacielos de New York; como red para atrapar a sus enemigos; como escudo con el que proteger; o como arma capaz de asumir múltiples formas y funciones. Una maravillosa y artificial telaraña humana a imagen de las naturales telarañas arácnidas. Química humana frente a biología animal. Tecnología frente a Naturaleza.

Pero con unas diferencias. Una. Las telarañas de Spiderman desaparecen al cabo de unas horas. Bueno, en realidad se desmoronan, pierden rigidez y se transforman en polvo. Pero no desaparecen. Sólo es un intento de no generar excesiva basura y dejar la ciudad perdida de hilos. Quizás una anticipada postura ecologista del cómic. Dos. El estudiante Parker puede modificar la fórmula original, adaptándola a cada necesidad específica. Por eso en unas ocasiones la telaraña conduce la electricidad, y en otras es usada como aislante. Por último. Nuestro superhéroe no es una araña. Su cuerpo humano no puede expulsar las telarañas. Necesita, por tanto, de un dispositivo mecánico para dispararlas. Un lanzatelarañas.

Lanzatelarañas tecnológico
Uno de los elementos más característicos de Spiderman. Dos dispositivos metálicos colocados en sus muñecas y ocultos debajo del traje. Con ellos dispara a alta presión los delgados y útiles hilos, a través de una válvula rotatoria con varios orificios. Los disparadores están en las palmas de las manos y se activan con los dos dedos corazón, debiendo hacerse de forma simultánea. Una buena medida precautoria, pues así evita disparos producidos por golpes accidentales. No hay que olvidar que es mucho lo que golpea y golpean a nuestro superhéroe.

Naturalmente, estos dispositivos deben ser cargados de forma regular. Lo hace con unos cartuchos de níquel, que el superhéroe lleva en un cinturón, de latón y cuero ligero, con capacidad para treinta. Un dispositivo mecánico. Una tecnología por tanto, en su conjunto, de tipo físico-químico. Adecuada a los años sesenta pero que, en la actualidad, resulta no sólo obsoleta, sino ridícula. Sobre todo si es para un superhéroe de la categoría de Spiderman.

Hilo de seda natural
Por eso, en la película Spiderman del año 2002 la versión cambia. No es la azarosa picadura de una araña, accidentalmente radiactiva, la que desencadena todo el fenómeno spidermánico. En esta ocasión, la superaña picadora formaba parte de una investigación de ingeniería genética, y había sido sometida en un laboratorio a una mutación. De modo que es otra la naturaleza científica del fenómeno. Ya no es la radiactividad la causa de los superpoderes, sino la genética. No en vano, el siglo XXI será el siglo de la Biogenética, como el XX lo fue de la Física Nuclear, entre otras físicas. Ciencia ficción acorde con los tiempos. Una más que correcta actualización.

Lo que implica que la araña, ahora, le transmite a Spiderman también, la capacidad de producir la telaraña. Ya no es artificial, humana y química, sino natural, arácnida y biológica. Con la picadura, las células epiteliales de las muñecas del superhéroe se modificaron genéticamente, siendo capaces de fabricar, de forma natural, las proteínas que constituyen la tela de araña. No está mal imaginada la modificación orgánica. Pero queda el asunto de por dónde y cómo la dispara. Lo digo porque las arañas utilizan, como conducto expulsor de su red orgánica, perdón, el ano. Una localización que, por fortuna, no desarrolla el joven Peter, al tenerlos en sus muñecas. Una suerte, sin duda.

En cualquiera de los casos, ¿es más fantasiosa la solución biogenética de este siglo, que la radiactiva del pasado?

Escrito por Carlos Roque Sánchez croque@supercable.es

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