Estos imanes que se disfrazan de gotas de agua podrían servir para diseñar tu futuro móvil

Buscar paralelismos entre unos y otros objetos es una actividad tan literaria como científica. Al igual que los poemas están llenos de metáforas, la ciencia vive de encontrar similitudes entre unos sistemas y otros. Es así como se hallan las regularidades que, después, permiten establecer leyes naturales y obtener un entendimiento del mundo que nos rodea.

Cuando introducimos los datos del tiempo atmosférico de los últimos días en un ordenador y le pedimos que prediga el tiempo que hará mañana, el ordenador es capaz de dar una respuesta más o menos fiable. Los procesos físicos que ocurren dentro del ordenador cuando este hace cálculos no tienen nada que ver con los que afectan al tiempo, y sin embargo la predicción del ordenador suele parecerse a la realidad. Hay similitudes entre estos dos procesos físicos que la ciencia aprovecha.

De la misma forma, cuando se prueban nuevas vacunas en un puñado de células para ver si funcionan, se espera que el comportamiento de esas células en el laboratorio sea similar al que tendrían si estuvieran integradas en un ser vivo. Después, se eligen modelos animales cada vez más parecidos al ser humano para analizar todos los efectos de las vacunas. Se asume que, si una rata sufre graves efectos secundarios con alta probabilidad, un ser humano también los padecería: otro paralelismo.

Pero, ¿dónde podemos buscar estas similitudes? A veces no es fácil anticipar qué sistemas se van a comportar de manera parecida a otros, sino que los paralelismos se descubren casi por casualidad.

Cuanta menos energía, mejor

Algo así es lo que les sucedió a Sibani Lisa Biswal y Kedar Joshi. Biswal es ingeniera química y biomolecular en la Universidad de Rice, en Estados Unidos, y Joshi acaba de incorporarse al Instituto Indio de Tecnología de Goa tras una etapa posdoctoral en Rice. Estaban experimentando con partículas dispersas en un líquido, una estructura conocida como coloide. Las partículas manifestaban una cierta atracción a los imanes, es decir, eran paramagnéticas.

Biswal y Joshi decidieron aplicar un imán (más precisamente, un campo magnético rotatorio) a las partículas, y observaron que tendían a colocarse de manera que retuvieran la mínima energía posible. Fue ahí cuando se dieron cuenta de que los gases y los líquidos también buscan un equilibrio de mínima energía. ¿Habría un paralelismo con las partículas paramagnéticas?

Herramientas conocidas para problemas nuevos

Biswal y Joshi sabían que las gotitas de agua mantienen su tamaño incluso si tienen agua o vapor a su alrededor. También conocían cómo cambia la presión del vapor alrededor de la gota: lo describe la ecuación de Kelvin. Pero, en principio, esta ecuación solo se aplica a la frontera entre un líquido, como una gota de agua, y un gas, como el vapor a su alrededor. En cambio, las partículas paramagnéticas eran sólidas. ¿Se podría utilizar la ecuación de Kelvin?

Si se pudiera, se establecería una similitud entre las partículas paramagnéticas en suspensión y las gotas de agua en el vapor. Es más, conocer en detalle el comportamiento de las partículas magnéticas serviría, quizá, para estudiar procesos biológicos que tuvieran fronteras entre líquidos y gases.

Para averiguarlo, Biswal y Joshi decidieron probar. Aplicaron la ecuación de Kelvin al sistema que tenían, aprovechando que podían ver cada partícula, contarlas y seguir sus movimientos, y así comprobar si la ecuación funcionaba. Era una apuesta arriesgada, ya que esta ecuación, en principio, no contempla sistemas que salieran bruscamente de su estado de equilibrio, como les ocurría a las partículas paramagnéticas al aplicarles de repente un campo magnético.

Parecidos razonables

Pero, para su sorpresa, descubrieron que sí: la ecuación de Kelvin describía perfectamente el comportamiento de las partículas paramagnéticas. Cuando las partículas se aglomeraban, se comportaban como las gotas de agua. Si estaban dispersas, jugaban el papel del vapor.

Es más, la intensidad del campo magnético se podía controlar, e imitaba el efecto de subir o bajar la temperatura en la ecuación de Kelvin. Provocaba que las partículas se aglomeraran como un líquido o se dispersaran como un gas, según la intensidad.

Acto seguido, Biswal y Joshi quisieron averiguar si las partículas magnéticas replicaban el comportamiento de las gotas de agua en más aspectos: la presión del vapor, la viscosidad y la tensión superficial. De nuevo, acertaron. El estrecho paralelismo entre este sistema de partículas magnéticas y las gotas de agua se publica en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Además de para la biología, el descubrimiento tiene implicaciones para las pantallas de nuestros teléfonos móviles, y otras que también utilizan cristales líquidos. El nuevo experimento constata que los líquidos y los gases pueden coexistir, y esta coexistencia se puede controlar y observar al detalle. Por eso se espera que sirva para diseñar materiales que puedan cambiar sus propiedades a demanda, algo que será clave para crear las pantallas del futuro.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Como se suele decir, “todos los modelos están equivocados”. Siempre que se propone un modelo en ciencia, las similitudes entre modelo y realidad no son perfectas. La clave está en encontrar un modelo que incorpore las partes más relevantes del objeto de estudio, dejando de lado los aspectos accesorios. Por eso el dicho completo (atribuido al estadístico George Box, aunque la idea general ya estaba presente antes) es: “Todos los modelos están equivocados, pero algunos son útiles”.

REFERENCIAS (MLA):

• Biswal, Sibani Lisa; and Joshi, Kedar. “Extension of Kelvin’s equation to dipolar colloids”. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022.http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2117971119.