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El premio Nobel y las mujeres

Niklas Elmehed. © Nobel Media

El día 3 de octubre se ha anunciado el premio Nobel de Química 2018. El galardón ha recaído en los bioquímicos Frances Arnold, George Smith y Gregory Winter. Una mitad del premio para Arnold “por la evolución dirigida de enzimas”, y compartiendo el otro medio entre Smith y Winter “por colocar péptidos y anticuerpos en la superficie de virus bacteriófagos”.

Como no soy bioquímico, no me quiero meter en charcos de los que no voy a saber salir. En mi página de infografías favoritas de todos los tiempos, Compound Interest, puedes encontrar una explicación sencilla del trabajo por el que estos científicos han sido destacados de entre toda la comunidad mundial por haber «tomado el control de la evolución y haber usado sus mismos principios para desarrollar proteínas que resuelven muchos problemas de la humanidad», en palabras de la Real Academia de sueca de Ciencias que es la responsable de esta herencia de Alfred Nobel. Resumiendo, y ya me meto un poco en el agua, han usado los principios evolutivos de selección para la mejora en el funcionamiento de enzimas, catalizadores biológicos, y modificando virus para que poder ser reconocidos más fácilmente por anticuerpos.

2018 Nobel Prize in Chemistry

Pero sí quiero señalar que Frances Arnold, profesora en el famoso Caltech de Pasadena, es la quinta mujer que recibe el premio desde sus comienzos en 1901. Antes que ella, las mujeres que lo habían recibido fueron Marie Curie y su hija Irène Joliot-Curie, en 1911 y 1935, respectivamente, por sus trabajos en el descubrimiento y la obtención de nuevos elementos; Dorothy Crowfoot Hodgkin, en 1964, por sus trabajos en difracción de rayos X de proteínas; y Ada E. Yonath, en 2009, también por sus estudios de determinación estructural mediante difracción, de estructuras tan complejas como los ribosomas.

En este mismo año 2018, el premio Nobel de Física también ha recaído, en parte, en una mujer: la canadiense Donna Strickland, por su trabajo el campo de los láser y sus aplicaciones. Si el escaso número de antes ya era llamativo, Strickland es solo la tercera mujer en la historia ganadora del Premio Nobel de Física, tras Marie Curie en 1903 y Maria Goeppert-Mayer en 1963.

Se puede entender la situación en gran parte del s. XX, pero terminando ya el 2018, la diferencia entre hombres y mujeres en Ciencia que consiguen esta distinción es llamativa, cuando la proporción de científicos vs. científicas está casi seguro vencida hacia estas últimas.

Una lectura para la piscina

De vez en cuando, mis alumnos me preguntan sobre algún libro de divulgación sobre la Química que pudieran leer cuando llegan las vacaciones. Y siempre les recomiendo el mismo, para empezar. El mismo con el que yo empecé a amar la Química, cuando andaba por aquellos años 80 tan añorados ahora: EL ELECTRÓN ES ZURDO (Y OTROS ENSAYOS CIENTÍFICOS). Es un libro pequeño, manejable y lleno de Ciencia y de científicos, contado todo por uno de los mejores divulgadores (quizá el mejor) de todos los tiempos: Isaac Asimov. Asimov dedicó gran parte de su vida a la divulgación de la Ciencia, en general, y de la Química en particular, ya que él mismo era bioquímico de formación. Grandes obras suyas son Guía de la Ciencia para el hombre inteligente y su ampliación Nueva guía de la Ciencia, donde relata descubrimientos y hechos de una gran variedad de campos, siempre centrándolos en su contexto histórico. Otro libro para recomendar a un estudiante que quiere bucear en la divulgación de la Química es Breve Historia de la Química. En este libro se expone cronológicamente el desarrollo de la Ciencia Central, desde la Prehistoria, hasta llegar a las reacciones nucleares. Igualmente, es mundialmente famoso su libro El Universo, que permite una iniciación a la Astronomía, desde un lenguaje muy asequible. Su gusto por la Historia se refleja no solo en sus escritos de divulgación científica, sino también por su obra en este campo, sobre todo dirigida al estudio de la antigua Grecia o de Roma.

Y es por todos conocida su amplia obra sobre Ciencia-Ficción que se recoge en la emocionante y, en ocasiones, inquietante Saga de la Fundación, una historia del futuro de la Humanidad, en la que están incluidas sus novelas sobre robótica, término inventado por él, donde se establecen las famosas tres leyes:

Primera ley: Un robot no puede hacer daño a un ser humano ni, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño.
Segunda ley: Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto cuando estas entren en conflicto con la primera ley.
Tercera ley: Un robot debe proteger su propia integridad, siempre y cuando esto no impida el cumplimiento de la primera y segunda ley.

Pero volviendo al libro del comienzo, en El electrón es zurdo se recoge una serie de artículos de Asimov que van desde las Matemáticas a la Física, y que se centran en la paridad y la asimetría (y la quiralidad) tanto a nivel atómico y molecular, como en los seres vivos. Para acabar, el artículo que más me impresionó es el titulado Morir en el laboratorio. En este apartado, se habla de los comienzos en la química del flúor y el efecto, letal, sobre las vidas que de los que se dedicaron a ello. Es verdad que cuando uno tiene ilusión por hacer de la Química su carrera profesional, que le hablen de morir en el laboratorio no entra dentro de sus objetivos a corto plazo. Pero hasta hablando de eso, Asimov, consigue hacerlo interesante. Si de algo hay que morir, por la Ciencia parece un buen motivo ¿o no?

Máquinas moleculares

Viaje alucinante es una película de los años 60, cuyo guion fue novelizado por Isaac Asimov (y no al revés, como suele ser habitual en el cine). La película, y la novela, tratan de un grupo de técnicos y médicos, miniaturizados junto con un pequeño submarino, para ser introducidos en el torrente sanguíneo de un tránsfuga de la antigua URSS que tiene una importante información y que está en coma. Sin avanzar mucho, el final tiene una interesante y morbosa paradoja.

A principio de los 2000, otro gran novelista de ciencia ficción, Michael Crichton (autor, entre otras cosas, de Parque Jurásico) escribió otra novela, Presa, en la que una empresa de nanotecnología había diseñado nanobots supuestamente también para un uso médico, aunque su uso final era militar. Estos nanobots son capaces de tomar energía de la luz solar e, incluso, replicarse. Sin avanzar mucho, la cosa no parece que vaya a acabar muy bien.

Y hay más ejemplos de que lo de miniaturizar máquinas puede llegar a ser útil (sin meternos mucho si para bien, o para mal) en nuestro futuro. Pero para llegar a ese futuro, tiene que haber un presente en el que comience esa tecnología. ¡Seguro que los hermanos Wright no pensaban en vuelos transcontinentales cuando hicieron su primer vuelo en su «avión» de papel y madera!

En octubre de 2016, se otorgó el Premio Nobel de Química a los pioneros en el diseño de entidades moleculares de tamaño nanoscópico que son el embrión de esas futuras máquinas nanobot. Los Profesores Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stodart y Bernard L. Feringa recibieron el premio «for the design and synthesis of molecular machines». Es decir, por dar esos primeros pasos en el diseño y síntesis de máquinas moleculares.

http://www.compoundchem.com/2016/10/05/nobel16chem/

El grupo de Sauvage ha diseñado sistemas basados en moléculas circulares, enganchadas entre ellas como eslabones de cadenas, con la posibilidad de que una gire con respecto a la otra. Por su lado, el escocés, afincado en los EEUU, Stodart ha diseñado moléculas alargadas que alojan otra circular que puede moverse de un lado a otro, o girar con respecto al eje que forma la primera. Por último, el grupo de Feringa, ha diseñado el primer motor molecular, moléculas que giran por efecto de la luz o del calor.

El siguiente paso es el diseño de sistemas móviles eficaces, que puedan transportar fármacos o proteínas hacia las células. Para empezar, de nuevo, algunos grupos, como el de Feringa, se han volcado en el diseño y síntesis de nanocars, pequeños coches moleculares, que pueden moverse sobre una superficie, ayudados por impulsos eléctricos o luminosos.

Nanocar

En su disertación del Premio Nobel, Feringa explica con detalle la situación de esta tecnología.

https://youtu.be/4V6Vp2uVQxM

Tanto es el interés que, en abril de 2017, tendrá lugar en Toulouse la NANOCAR RACE, una carrera de nanocars que se podrá seguir en directo en el canal de Youtube del CNRS francés.

Como ya pronosticaba hace años otro visionario, esta vez uno de los científicos más brillantes de todos los tiempos (y protagonista de pizarras y comentarios de Sheldon Cooper en The Big Bang Theory), el Premio Nobel de Física Richard Feynman: «There’s Plenty of Room at the Bottom»

https://youtu.be/4eRCygdW–c

La Piedra Filosofal

La Piedra Filosofal era el objetivo principal de la Alquimia, la pseudociencia anterior al desarrollo de la Química como Ciencia. Esta sustancia sería capaz de rejuvenecer e incluso conceder la inmortalidad al que la poseyera, pero su aplicación principal sería transformar cualquier metal de poco valor, como el plomo, en plata u oro. Durante años, los alquimistas engañaron a ricos y poderosos para que financiaran sus estudios con el pretexto de encontrar la Piedra Filosofal que, evidentemente, no se encontró nunca. En la actualidad, y gracias a aceleradores de partículas es posible transmutar átomos de plomo en átomos de oro, pero a un precio desorbitado.

Hay una experiencia de laboratorio en la que se realiza otro engaño para pequeños muggles incautos y que está basada en reacciones químicas sencillas, en la que se transforma una moneda de cinco céntimos de euro, que están hechas de acero recubierto de una fina capa de cobre, en monedas que parecen de plata u oro.

En primer lugar, se disponen las monedas en una cápsula de porcelana y se añaden unos mililitros de disolución de ácido clorhídrico 1 M para eliminar la capa de óxido de cobre que recubre a las monedas usadas. Una vez limpias, se lavan con agua y se reservan. Por otro lado, se pesan 8 g de NaOH en lentejas y se disuelven en unos 100 ml de agua. Cuando se haya disuelto el hidróxido de sodio, se añaden unos 5 g de cinc metálico, en forma de granalla, pequeños trocitos, unos 5 g de sulfato de cinc y se calienta. Se están producido las siguientes reacciones:

Zn(s) + 2 NaOH(ac) –>Na₂ZnO₂(ac) + H₂(g)

ZnSO₄(ac) + 4 NaOH(ac) –> Na₂ZnO₂(ac) + Na₂SO₄(ac) +2H₂O

En la primera reacción, parte del Zn metálico, en estado de oxidación 0, se ha oxidado a cincato, en estado de oxidación 2, mientras que el hidrógeno del hidróxido, en estado de oxidación 1, se ha reducido a hidrógeno elemental, en estado de oxidación 0. En la segunda reacción, el Zn²⁺ proveniente del sulfato también es transformado en cincato mediante una reacción ácido-base.

Se sumergen las monedas en esta disolución y se calientan durante unos minutos. Se observa como las monedas adquieren un color plateado. Esto se debe a la reducción del cincato sobre el cobre, que actúa de cátodo, transfiriendo los electrones que provienen de la oxidación del cinc restante, que actúa como ánodo:

Reducción (cátodo de Cu (moneda)):

ZnO₂^2- + 2 H₂O + 2e^– –> Zn + 4 OH^–

Oxidación (ánodo de Zn (granalla)):

Zn + 4 OH^– – 2e^– –> ZnO₂^2- + 2H₂O

El resultado es el depósito de átomos de cinc sobre la superficie de la moneda, dando el aspecto plateado.

Se lavan las monedas con agua y se calientan hasta ver la aparición de una tonalidad dorada. En este caso, se produce un movimiento de átomos de cinc hacia la capa de átomos de cobre para formar una aleación dorada: el latón. Y así tendremos nuestras falsas monedas de oro.

«Sabes, solo alguien que quisiera encontrar la Piedra, encontrarla, pero no utilizarla, sería capaz de conseguirla. De otra forma, se verían haciendo oro o bebiendo el Elixir de la Vida»—Albus Dumbledore

La simetría

Estudiar la simetría que presenta una molécula puede ayudarnos a comprender algunas de sus propiedades.

Por ejemplo, a la hora de construir el diagrama de Orbitales Moleculares, partimos de estudiar los posibles solapamientos entre los diferentes orbitales atómicos de los átomos constituyentes. Existen varias «reglas» que deben cumplir esos orbitales atómicos para dar un solapamiento adecuado entre ellos, que dé lugar a Orbitales Moleculares que expliquen adecuadamente el enlace en esa molécula. Una de esas reglas es que los orbitales deben tener la misma simetría. Un estudio previo del Grupo Puntual de simetría de la molécula permite, a través del uso de la correspondiente Tabla de Caracteres, que es una representación matemática simplificada de las operaciones de simetría, establecer la simetría de esos orbitales atómicos.

Con un estudio similar, se pueden justificar las vibraciones de los enlaces en moléculas sencillas, que se pueden medir mediante el uso de la espectroscopia infrarroja.

Para todo esto y más, es necesario pues establecer fácilmente el Grupo Puntual de la molécula. Para ello es necesario encontrar unos pocos elementos de simetría. Y aquí es donde comienza la dificultad, porque implica tener una cierta visión espacial, una facilidad para manejar en nuestra mente figuras geométricas en movimiento. Afortunadamente, la Naturaleza nos da una cierta ventaja para este trabajo. Está claro que la facilidad para reconocer cierta simetría en las cosas no tiene que ver con el uso que comentamos ahora, pero ayuda. ¿Y para qué sirve esa capacidad instintiva de reconocer la simetría? Pues según diversos estudios, nos permite elegir bien a nuestra pareja. Al parecer, presentamos una tendencia a la búsqueda de compañeros con rostros muy simétricos, como una forma externa de indicarnos unos buenos genes con los que combinar los nuestros para conseguir una descendencia sana.

Para buscar esa simetría, dividimos la cara (y supongo que el cuerpo), en dos mitades iguales. En Química, diríamos que estamos usando un plano de reflexión para hacer esa operación.

Pero claro, luego nuestra parte de inteligencia emocional puede hacer que nuestra pareja no sea tan simétrica. El gen egoísta no triunfa siempre.

El día nacional de la Tabla Periódica

Sí, existe un día nacional para la celebración de la Tabla Periódica… en Estados Unidos (¿impensable en esta España nuestra tan volcada con la Ciencia?). Es el día 7 de febrero, y la fecha fue elegida en conmemoración del día de publicación de la primera Tabla Periódica, presentada por John Newlands en 1863.

De John Alexander Reina Newlands - John Alexander Reina Newlands (1838–1898), Public Domain,

Para celebrar el de este año 2017, la fantástica web de infografías sobre Química, CompoundInterest, ha preparado varias tablas que nos sorprenderán y nos darán información muy interesante sobre los elementos. Por ejemplo, comenzando con la tabla más actualizada incluyendo los últimos elementos conocidos y nombrados, pasando por una con el origen de los nombres y los que fueron rechazados, hasta otras con la disponibilidad futura de muchos elementos que nos son muy necesarios, o la más práctica para las clases conteniendo los estados de oxidación, actualizada con el estado de oxidación 9 para el Iridio.

Los elementos más pesados ya tienen nombre

Illustration of element 117. by Kwei-Yu Chu/LLNL

La IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ha propuesto los nombres para los últimos elementos descubiertos. Estos nombres están en «período de prueba» antes de ser aceptados definitivamente por la comunidad internacional. En concreto se trata de los elementos 113, propuesto como Nihonium (Nh), en honor a Nihon, o Japón, país donde fue descubierto; 115, propuesto como Moscovium (Mc), en honor a Moscú, donde está la sede del Joint Institute for Nuclear Research (JNR), donde fue preparado; 117, propuesto como Tennessine (Ts), en honor a Tennessee, el estado de USA donde se encuentran la Universidad Vanderbilt y la de Tennessee que participaron en su obtención; y 118, Ogannesson (Og), en homenaje a Yuri Oganessian, director del JNR.

Ni que decir tiene que estas son las denominaciones en inglés, que suelen tener terminaciones latinas en ium, en ine para los elementos del grupo 17, donde se encuentra Ts, y en on, para los del grupo 18, donde está Og. En castellano, nihonio, moscovio, tennesso y oganessón.

Estos elementos, artificiales y obtenidos mediante aceleradores de partículas y reactores nucleares, terminan el período 7 de la Tabla Periódica, que queda de esta manera que nos presenta webelements.

INFORMACIÓN ACTUALIZADA: El 30 de noviembre de 2016, la IUPAC acepta oficialmente los nombres propuestos para estos nuevos elementos. En este enlace, está toda la información.

Beautiful Chemistry

La Química también es belleza. En la página BeatifulChemistry.net, se pueden encontrar preciosos videos donde apreciar que, además de ser la Ciencia Central, la Química nos puede transmitir belleza. Como ejemplo, en este video se hace reaccionar cinc metal con disoluciones de nitrato de plata (AgNO₃), sulfato de cobre(CuSO₄), y nitrato de plomo (Pb(NO₃)₂), observándose la formación de plata, cobre o plomo metálicos con bellas estructuras.

https://vimeo.com/106807484

NEGISHI

En noviembre de 2015, en la preciosa Universidad de Alcalá, tuve la oportunidad de conocer en persona a Ei-ichi Negishi, Premio Nobel de Química en 2010, y autor de la reacción del mismo nombre que permite la formación de enlaces C-C mediante acoplamiento cruzado catalizado por paladio. Negishi recibió el premio Nobel, junto con Heck (recientemente fallecido) y Suzuki, por haber desarrollado diferentes, aunque similares, procesos catalizados para la formación de esos enlaces C-C, con grandes repercusiones en procesos de síntesis orgánica, incluyendo síntesis totales, a partir de los cuales se fabrican múltiples compuestos, desde fármacos a nuevos materiales.

En esta reacción, un alquilderivado de cinc reacciona con un haluro de alquilo, para formar un nuevo enlace carbono-carbono, en concreto biarilos asimétricos, todo ello catalizado por complejos de paladio (0):

RZnX + R’X –> R-R’ + ZnX2

El proceso sigue el siguiente mecanismo: a partir de un complejo de paladio (0) se produce una adición oxidante del haluro de alquilo (u otro precursor similar), para dar un complejo de paladio (II). El alquilo de cinc produce una transmetalación que genera dos grupos alquilo sobre el paladio. Estos dos grupos alquilo se eliminan acoplándose y produciendo una reducción del metal, lo que regenera el catalizador.

[Fuente: http://www.organic-chemistry.org]

En el siguiente video, podéis encontrar mucha más información sobre este genio de la Química, como un ejemplo de dedicación a la investigación.

https://youtu.be/u3ISoAxAY4U

Niobio y Tántalo. La guerra del coltán.

Recientemente, se ha expuesto a la luz pública un término relacionado con los metales de transición niobio y tántalo: el coltán.

Este término es la forma coloquial de denominar a la columbita/tantalita, un mineral cuya fórmula aproximada es [(Fe,Mn)M2O6], que contiene niobio y/o tántalo (o tantalio)

Para mucha gente, esos elementos no representan más que otros nombres raros en la Tabla Periódica. Pero están más cerca de lo que parece. En realidad, este mineral es esencial para la fabricación de la mayor parte de los aparatos y gadgets tecnológicos que usamos, desde teléfonos móviles, a televisores, pasando por la industria aeroespacial.

Aunque el niobio tiene gran utilidad para fabricar imanes muy potentes, y el tántalo es usado para fabricar aleaciones muy resistentes al ataque por ácidos, por ejemplo, en reactores y depósitos, la principal utilidad que ha llevado a la denominada guerra del coltán, es su uso como capacitores muy eficaces, para formar parte de esos sistemas electrónicos. Es decir, son capaces, en su forma de óxido normalmente, de acumular carga eléctrica de manera muy eficaz, y liberarla cuando se necesita, en un circuito integrado.

Los principales productores mundiales son Australia, Brasil, Canadá y algunos países africanos, como Nigeria, o la República Popular del Congo, que aparecía en el reportaje mencionado. Su extracción en países del centro de África ha dado lugar a graves conflictos bélicos para conseguir el control de este material, llevando a niveles de explotación de la población que rozan la esclavitud, además del daño al entorno natural, incluyendo la afectación de especies protegidas.