Mes: octubre 2020

Uso de mascarillas: ¿funciona o no para prevenir el contagio del COVID?

Es éste un tema que me resulta, por un lado, muy personal y por el otro, tiene aplicaciones muy generales. Todos en España tenemos que llevar mascarilla fuera de casa, a no ser que tengamos alguna razón médica para no hacerlo.

La mascarilla facial es una auténtica pesadez: da muchísimo calor, no permite oir bien a la otra persona(1), pica y molesta toda la cara, impide observar los rostros de los demás, un factor clave en la comunicación no verbal, etc.

Por otra parte, a pesar de loables intentos de algunas regiones o gobiernos por suministrarlas, el grueso de su costo recae sobre los propios usuarios, que deben pagarlas de su bolsillo. Y debido precisamente a la pandemia y al cierre y parón de actividad económica que ésta supuso, hay muchos bolsillos vacíos o con presupuestos mucho más limitados.

Es relevante, por lo tanto, preguntarse si hay razones científicas que justifiquen el uso de las mascarillas a todas horas. Y lo cierto es que las hay.

Creo que los argumentos principales serían dos, uno basado en el conocimiento teórico que tenemos de la transmisión de la enfermedad, y otro más experimental, que se basa en lo que se observa sobre el uso de la mascarilla.

El basado en el conocimiento teórico es sencillo de entender: la mascarilla es una clara barrera física que se levanta entre la respiración y el aire exterior. Por lo tanto, una parte importante de la humedad que nuestra respiración produce se queda dentro de la mascarilla o, como mínimo, pierde parte de su velocidad. Entonces, al viajar menos distancia o posarse antes en cualquier superficie, está menos tiempo en el aire. Y lo que nos contagia son los virus que están tranquilamente viajando en las gotas de humedad que exhalamos. Como la mascarilla disminuye de manera notable la cantidad de virus en el aire, si estuviéramos enfermos podríamos contagiar a menos personas si lleváramos puesta la mascarilla. ¿Y si no estamos enfermos? Pues al tener una clara barrera de entrada adicional a la humedad del aire, también se la imponemos al virus, que es el que viaja acoplado a las gotas húmedas en el aire. Así, al reducir la carga vírica a la que se tiene que enfrentar nuestro organismo, reducimos el riesgo de desarrollar la enfermedad y si la contraemos, tendremos una versión más leve, al tener menor número de virus que combatir.

Es importante darse cuenta de algo importante: hay muy pocas barreras física capaces de parar un virus que además permitan la entra de aire: el tamaño de un virus es muy, pero que muy pequeño. Suelen tener un tamaño en torno a los cien nanómetros(¡10⁻⁷ m!), lo que no nos dice nada. Pero si lo ponemos en perspectiva, es unas diez veces menos del tamaño medio de una célula, que va de 1 a 10 micras (10⁻⁶ m)(2). Por lo tanto, la mascarilla no para el virus directamente, porque el tamaño de los poros es mucho más grande que el del virus. Lo que hace es parar su autobús, su medio de transporte: las gotas que exhalamos al respirar de las que hablé antes. Esas gotas tienen tamaños muy variados que van desde algunos micrómetros o micras hasta algún milímetro, y casi todas se ven o bien totalmente paradas o bien, al menos, ralentizadas por la presencia de la mascarilla.

Una versión preciosa visualmente de la importancia de llevar mascarilla está en este artículo de la sección de ciencia del periódico «El país», donde modelan que pasa en tres ambientes distintos según se lleve o no mascarilla y se ventile el aire, lo que permite en un lugar cerrado eliminar parte de la humedad del aire y, por lo tanto, la carga vírica: Un salón, un bar y una clase: así contagia el coronavirus en el aire.

En cuanto al argumento experimental, hay cada vez más evidencia de que el uso de la mascarilla funciona como se prevé en las líneas anteriores, reduciendo el contagio y causando versiones más leves de la enfermedad. ¿Cómo se puede conseguir tal evidencia? Porque lo cierto es que no es ético, ni posible por otros muchos motivos, decirle a una parte de la población que use mascarilla y a otra que no la use. Lo que se hace es comparar poblaciones cercanas geográficamente pero que por tener distintas políticas públicas implementadas, exigen o no el uso de la mascarilla a la población en general. En ese aspecto, Estados Unidos es el país ideal, porque debido a su estructura política tan descentralizada y al presidente que tienen, que no quiere usar su poder para imponer ningún tipo de restricción en la población, cada gobernador de un estado hace lo que quiere. Los datos recabados indican con claridad que el uso de mascarillas reduce el nivel de contagios y la gravedad de la enfermedad para aquellos que la padecen.

Por supuesto, nada de todo esto es algo que sólo yo sé, y de hecho, creo que hay resúmenes de la situación muy buenos en varios periódicos y páginas web, pero lo que me motivó a escribir esta entrada fue haber leído el magnífico resumen de la literatura científica más reciente disponible en un artículo de la revista Nature sobre los que se sabe o no sobre el uso de mascarillas(3). Sobre todo, porque refleja muy bien el método científico basado en la evidencia para acumular conocimiento. Además, hay un artículo escrito en la revista Science sobre la lucha empecinada de una científica para que el uso de las mascarillas se declarara obligatorio por parte del gobierno británico que me encantó(4).

(1) Es más, para personas sordas, estas mascarillas son un auténtico incordio: al no poder leer los labios, no les permite entender nada de lo que el interlocutor les diga. Y para los que ya no oyen demasiado bien, pues les pasa algo parecido.

(2) Los datos sobre el tamaño de los virus están extraídos de la página web ¿Cúanto mide un virus?. Datos más concretos sobre el coronavirus están en la entrada de la página Gizmodo El tamaño del coronavirus en relación a otras partículas, que tiene una ilustración muy bonita con el tamaño de varios objetos muy pequeños a escala.

(3) El artículo en sí, un sección de muy buen periodismo científico, se titula «Face Masks: what the data say»

84) El artículo se puede consultar en el siguiente enlace «The United Kingdom mask’s crusader» y es perfecto, además, en señalar la importancia de los sesgos sociales en ciencia y cómo afectan de manera muy fuerte a las posibilidades de las personas según sus orígenes. A la mujer protagonista de este artículo, su tutor le recomendó que no intentara entrar en Cambridge porque una mujer como ella no era el tipo de personas que buscaban.

Material resistente a los cortes

Uno de los problemas más importantes en ingeniería es el de los diversos materiales que nuestra sociedad precisa, o le gustaría tener: los materiales naturales poseen limitaciones claras que solventamos con materiales artificiales, pero una vez que empezamos a usarlos, exigimos o buscamos prestaciones nuevas, lo que implica nuevos materiales o formas de conformarlos.

Acaba de añadirse un nuevo material con una propiedad muy útil en determinados usos: no es posible cortarlo, no porque sea muy duro, sino porque su estructura interna provoca que cualquier herramienta cortante se estropee y desgaste sin poder cortar todo el material. La investigación está publicada en la revista «Scientific Reports» y comienza haciendo una introducción a la diferencia entre materiales artificiales y naturales.

Comenta que las estructuras jeráquicas(1) naturales son capaces de presentar protección frente a cargas muy grandes, dando varios ejemplos muy curiosos en los que no solemos deternernos o son poco conocidos. Las uvas aguantan caídas desde 10 m sin romperse y las escamas de unos peces llamados Arapaimas aparentemente pueden aguantar mordiscos de las pirañas gracias al diseño jerárquico de sus escamas. Parece ser que sus capas externas están fortalecidas por una estructura de fibras de colágeno cruzadas.

Siguiendo este ejemplo, el artículo continúa citando ejemplos de diseños artificiales imitando este sistema de la naturaleza, desde modernas estructuras milimétricas impresas con sistemas 3D hasta barreras que pueden eliminar ondas sísmicas colocadas por los romanos en algunas de sus construcciones. Todas estas estructuras comparten un principio de diseño común basado no en una estructura repetitiva, como los cristales de los metales, sino en un estudio de todas las interacciones a las que se somete el material.

Continúan luego con el resultado final de su investigación, la creación de una nueva estructura jerárquica metalo-cerámica. La estructura está formada por una espuma de aluminio que rodea a esferas cerámicas colocadas en un orden determinado. En esta estructura las esferas cerámicas están diseñadas para romperse bajo vibraciones internas debido a cargas o fuerzas localizadas. Esto no es malo, porque al romperse estas bolas, y crear vibraciones muy fuertes en el agente que esté creando las vibraciones, le crean un desgaste tan grande que no es capaz de continuar provocando las fuerzas sobre este nuevo material, dejando de cortarlo. De hecho, usaron esferas cerámicas que no eran demasiado duras, sino que por ser frágiles y romperse, creaban grandes cantidades de polvo cerámico que ayudaba a generar el desgaste del elemento cortante.

La estructura del material se puede observar en la figura siguiente, donde la estructura jerárquica es clara, así como las diferentes configuraciones que tiene que hacer según el tipo de forma externa que quieren hacer.

Estructura jerárquica del metamaterial en varias configuraciones. El dibujo (a) muestra el material cunado se usó una forma de panel plano, mientras que la (c) lo muestra en un cilindro. La fotografía (b) muestra la organización en columnas de las esferas cerámicas, mientras que en las fotografía (d) y (g) se observa la densidad de la espuma de alumnio, no uniforme, siguiendo la escala de la derecha. En el dibujo (e) y la foto en detalle (f) se observa que las esferas cerámicas están separadas por la espuma de alumnio y que las «burbujas» de la espuma son como mínimo, un orden de magnitud más pequeñas que las esferas. De la figura 1 del artículo citado.

Como este material combina cerámicas y metales, es necesario realizar operaciones metalúrgicas para poder manufacturarlo, y los autores del artículo describen con cierto detalle el método que emplearon.

Primero mezclaron polvos de aluminio con un agente espumante, dihidrido de titanio en su caso, que luego se compactó para evitar el aire que se pueda quedar en su interior y poder extruir cilindros de polvo compacto que se cortaron en discos pequeños. Luego, las esferas cerámicas hechas previamente y estos discos se colocan en un patrón fijo en una caja de acero que se suelda para cerrarla. Con el calentamiento de esta estructura hasta una temperatura tal que genera la espuma de aluminio y posterior enfriamiento tranquilo se produce la pieza deseada, como se indica en la figura siguiente:

Proceso de formación de las piezas con esta estructura. Las piezas extruidas de polvo deben colocarse de con una estructura determinada en el horno, y las esferas cerámicas se han hecho previamente. De la figura 2 del artículo citado.

Posteriormente estudiaron sus propiedades mecánicas, más allá de ser imposible de cortar por medios habituales, y obtuvieron un módulo de Young(2) de 5,5 GPa. Para realizar una comparación, el módulo de Young del acero inoxidable está en torno a los 200 GPa, lo que nos indica que nos es un material especialmente duro, por lo que no será posible usarlo en tareas estructurales, pero sí de refuerzo de las mismas.

Posteriormente, el artículo describe con mucho detalle como y porqué el material es capaz de resistir el ataque de una sierra radial cargada con discos de diamante, comiéndose al disco. La clave está en que la ruptura de las esferas cerámicas genera por un lado, un polvo muy abrasivo, y por el otro oscilaciones laterales en el disco que lo rompen, impidiéndole cortar el material estructurado.

También intentaron atacar el material con chorros de agua muy alta presión, y tampoco lograron cortarlo. En este caso, el material es capaz de ampliar el diámetro del chorro inicial, bajando tanto su velocidad que ya no puede penetrar el material y se desvía.

En la parte final del artículo comentan que esta estructura se puede ajustar de varias maneras para mejorar o cambiar algunas de sus propiedades. Por ejemplo, cambiar la dureza o el tamaño de las esferas cerámicas, la porosidad de la espuma metálica o incluso los material iniciales.

Por otra parte, aunque por comodidad los investigadores generaron sólo estructuras sencillas, sin apenas curvas, no hay en principio problemas para poder generar estructuras más complicadas, con curvaturas y que se puedan soldar entre sí o que encajen. Una aplicación obvia de semejante material es el de puertas de seguridad: si el material no se puede cortar, tampoco se puede penetrar en el interior.

El artículo se publicó en la revista Scientific Reports, volumen 10: Scientific Reports volume 10, Article number: 11539 (2020)

(1) Estructuras jerárquicas son las estructuras que tiene formas que cambian según la escala en al que la observemos. Por ejemplo, las conchas de los moluscos tienen una estructura en capas microscópica que se sostiene sobre elementos más pequeños para separar cada capa.

(2) Módulo de Young: el parámetro que caracteriza lo deformable que es un material cuando se le aplica una fuerza. El artículo de la wikipedia en español está bastante bien para entender este concepto: Wiki: Módulo de Young

Un paso más hacia sistemas de hojas artificiales funcionales y comerciales.

Uno de las soluciones más interesantes para el problema energético actual y al vez reducir el nivel del gas CO2 en la atmósfera consiste en imitar la fotosíntesis de las plantas. En un artículo reciente, se ha dado otro paso adelante en su posible implementación práctica con un sistema que produce formiato(1). El artículo está escrito pensando sobre todo en científicos muy familiarizados con el tema a tratar, por lo que la introducción comienza hablando de los diversos químicos que se han explorado para lograr la reducción(2) de CO2, denotada CO2RR en el artículo, con RR el agente reductor. Comenta que disoluciones homogéneas de varios tipos de enlaces químicos se han usado previamente y que sistemas en los que se inmoviliza el catalizador en una superficie de semiconductor, para evitar su desgaste rápido, se han empleado de manera que sumergidos en soluciones acuosas han funcionado bastante bien. El problema es que conseguir la función CO2RR es sólo la primera parte: luego, este subproducto debería a su vez oxidarse para producir compuestos más o menos útiles. Para conseguirlo, se precisa una fuente de electrones que oxide este material. El agua es un gran candidato para esto, pero precisa una fuente de energía para iniciar la reacción, como la luz solar. Así, se ha investigado mucho, según los autores, en la creación de sistemas que emplean la luz del sol para sintetizar, desde el CO22 y agua con al ayuda de la luz solar. El problema es que su escalado desde el laboratorio hasta una escala industrial es muy complicado por problemas de fabricación. Otra alternativa es el uso de coloides donde las partículas coloidales sean fotocalíticos(3), pero con frecuencia son necesarias etapas extra con otros productos químicos, lo que dificulta su uso industrial. La solución ideal sería copiar a la naturaleza y crear un dispositivo que sea similar a una hoja de cualquier planta, capaz de hacer una fotosíntesis(4). El problema es que, según los autores, lo único similar es el sistema que ellos han desarrollado.

La estructura de su sistema es lo que denominan hojas fotocalíticas, compuestas de dos partículas semiconductoras con actividad redox(5) añadidas a una capa conductiva, que sortea los problemas de usar otros productos para poder realizar las reacciones redox, a la vez que al estar pegados a la capa conductora asegura un suministro constante de electrones. Los autores del artículo han desarrollado uno de estos productos, con nombres y estructuras complícadísimas para cada una de las tres partes que hacen falta: Una de ellas genera los electrones por foto-oxidación del agua, mientra que la otra, recogiendo esos electrones por transmisión a través de la capa de oro y unión con huecos de la tercera parte de la estructura y un catalizador pegado a ella, produce el formiato.

La imagen siguiente lo explicita bastante bien:

Estructura de la hoja artificial. A la derecha, se observa como la interacción entre el agua, la luz (representada por el rayo rojo) y el material BiVO2RuO2 genera un electrón que se desplaza dentro de la capa de oro, centro, para interaccionar con un hueco del material de la derecha y luz y usar el fotocatalizador para generar el formiato.
Imagen extraída de la figura 1.a del artículo citado.

El artículo continúa explicando la forma en la que se fabricó el sistema y luego pasa a dar algunos detalles que permiten caracterizar su producción de formiato, oxígeno e hidrógeno. Como la figura siguiente muestra, se produjeron estos productos mientras el sistema estaba iluminado por luz solar simulada(6), y sumergido en una solución de agua con carbonato de potasio (K2CO3) saturada de CO2:

Producción de formiato, oxígeno, hidrógeno y CO cuando la hoja está iluminada. La producción total no es nada alta, de µmoles por cm², pero es un comienzo. De la figura 2.a del artículo citado.

Comprobaron también que la producción de formiato se debía a la interacción descrita en la primera figura, no a otro tipo de reacciones secundarias no previstas mediante el uso del sistema con una solución acuosa sin CO2. Además, observaron que la producción de hidrógeno y oxígeno se mantuvo constante sin la presencia de CO2, lo que soporta la idea presentada en la primera imagen de que su sistema «rompe» el agua.

Después comprobaron que el catalizador que emplearon efectivamente cumplía su función, dado que cuando expusieron a la luz el mismo tipo de estructura, pero sin el catalizador específico, no obtuvieron ningún producto. También pudieron comprobar que el catalizador seguía funcionando bajo grandes cantidades de oxígeno, es decir, es resistente a la oxidación, lo que no siempre es el caso. Y es importante porque al romper el agua, se produce oxígeno y por lo tanto éste puede por oxidación estropear el catalizador.

También comprobaron que la acción del sistema que implementaron se mantiene durante bastante tiempo. Durante los cuatros ciclos de rellenado de la solución de K22CO3 que emplearon durando más de 24 horas, su efectividad no bajó demasiado, como indica la figura siguiente. Parece poco, pero hay multitud de sistemas cuya duración es de horas, así que es un paso de gigante que su sistema sea robusto a la oxidación, aguante varios ciclos y durante más de 24 horas sin pérdidas de funcionamiento.

Producción de productos a lo largo de cuatro ciclos tras el rellenado de K22CO3 en el sistema. Se observa que la producción no varía demasiado. De la figura 4.d del artículo citado.

Comprobaron también la alta selectividad del catalizador por la reacción de interés y no por otra. Esto es importante, porque debido a la presencia de varios iones O⁻ en el medio de la reacción, es muy fácil que se produzcan otras especies en zonas del catalizador que no estaban pensadas para ello. Después concluyen con algunas formas de mejorar el diseño, como fijar mejor el catalizador al sustrato, cambiar su composición, etc.

En resumen, un paso importante en la consecución de la soñada hoja artificial, con algunos inconvenientes. El primero, su baja productividad. Pero un gran paso adelante, porque es la primera vez que se logra algo remotamente similar y con tanta duración.

El artículo salió publicado en la revista Nature Energy: Nature energy (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-0678-6.

(1)Formiato: Su fórmula química es HCOO⁻, y es un precursor de varios productos químicos muy usados en la industria. En inglés se le llama «formate», y el artículo de la Wikipedia sobre el químico es muy aceptable.: Wikipedia:Formate.

(2) La reducción es el proceso químico por el que se transforman los dos enlace entre el Carbono y el Oxígeno en uno solo. El breve artículo de la Wikipedia lo explica algo más: Wiki:Reducción.

(3) Fotocatalíticos: sistemas que aceleran la reacción, catalizadores, pero cuando son iluminados por luz.

(4)Es decir, sintetizar productos químicos con la ayuda de la luz solar del Oxígeno y dióxido de carbono del aire.

(5) Redox: Actividad de oxidación-reducción de alguna molécula.

(6) Con frecuencia, para evitar oscilaciones en la producción normales bajo condiciones reales de iluminación natural, se emplean fuentes artificiales de luz que son idénticas a la luz solar, pero mucho más constantes en la intensidad. Esto permite comprobar mucho mejor los efectos de la luz solar en el sistema bajo estudio.