Etiqueta: ingeniería

¿Cómo se desafilan los cuchillos?

No sé si alguna vez se lo han preguntado, pero no deja de ser curioso que los cuchillos y otros objetos cortantes metálicos se vayan desbastando con el tiempo. A fin de cuentas, se usan, generalmente, para cortar cosas mucho más blandas como pan, carne, etc. Y sin embargo, pasado el tiempo, todos pierden el filo. ¿Cómo sucede?

Unos investigadores acaban de publicar un artículo donde ofrecen algunas pistas.

Comienzan la introducción del artículo comentando la importancia, antes y ahora, de las herramientas cortantes para la humanidad, y como se necesitan dos características de una herramienta cortante: filo y dureza.

El ejemplo que ponen como uso común, porque luego lo emplearán en sus experimentos, es el de el acero empleado en las cuchillas de afeitar. Es un acero martensítico(1) afilado con ángulos de 17º y con un radio de la punta de 40 nanómetros, es decir 40×10⁻⁹ metros. Luego, se recubre primero con materiales aún más duros, como carbono con forma de diamante y otra capa de material deslizante, teflón(2), final.

Y aún así, como todas las personas que usan estas cuchillas saben, el pelo es capaz de desbastar su filo al cabo de unos pocos usos. Y eso a pesar de que el pelo es más de diez veces más blando que el material de la cuchilla, como la figura de abajo indica.

Escala de dureza de diversos materiales (izquierda) y foto de la cuchilla de afeitar donde se observa su estructura y los diversos dominios cristalinos del material. Adaptado de la figura 1.A del artículo referenciado.

Como cualquier cuchillo vuelve a cortar al afilarlo de nuevo, es aceptado comúnmente que el mecanismo principal que hace que se desbaste el filo es un mecanismo de desgaste. Pero el artículo indica que los primeros desgastes sufridos por la cuchilla no pueden ser debidos sólo a desgaste, por varias razones.

Primero, porque la estructura de tanto el pelo como la cuchilla son muy diferentes. Concretamente, el pelo o cualquier otro elemento general que quiera cortar el cuchillo, es una estructura homogénea con una capa externa más dura. Sin embargo, la estructura de la cuchilla es mucho más diversa, teniendo formas distintas según la escala espacial que ese emplee. Por lo tanto, dado que los modelos habituales de desgaste suelen despreciar las microestructuras internas, no pueden dar cuenta de los desgastes iniciales de las cuchillas u otros objetos cortantes.

Por otra parte, dado que las condiciones de contorno del corte varían de manera muy dinámica mientras se produce éste, hay que tenerlas en cuenta si queremos estudiar este fenómeno. De hecho, como indica la figura siguiente, hay un mínimo de tres configuraciones: cuando el pelo se corta completamente recto, cuando debido al ángulo de entrada la cuchilla interacciona con el pelo con los dos lados y por último, cuando el pelo está muy doblado.

Las tres posibilidades de corte de un pelo, con los diagramas de fuerzas que suponen sobre la cuchilla. adaptado de la figura 1.B del artículo citado.

Con todas estas dificultades, los investigadores decidieron realizar experimentos sistemáticos para tratar de entender mejor el proceso de desbastado.

Comenzaron por caracterizar las microestructuras de hojas de afeitar comerciales, lo que les permitió observar que el filo de la cuchilla no es nada liso, ni siquiera sin cortar nada, sino que tiene pequeñas indentaciones e irregularidades.

Luego diseñaron un montaje experimental que le permitió cortar de manera sistemática pelo, la figura siguiente, de forma que después de cortar un número de veces pelo, pudieran examinar la hoja y ver que había pasado.

Montaje experimental para observar parte del desgaste en la cuchilla. De la figura 2.A del artículo citado.

De hecho, observaron que las irregularidades iniciales en el filo eran lugares donde luego se iban eliminando partes de la cuchilla, como se vé en la figura siguiente:

Borde de una cuchilla sin usar (arriba) y tras realizar algunos cortes (abajo) Se puede apreciar con claridad la falta de trozos del filo tras realizar cortes. Adaptado de la figura 1.3 del artículo citado.

De todas maneras, dado que en su montaje experimental podían cambiar el ángulo, comprobaron que si la cuchilla entraba con un ángulo ortogonal al pelo, la cuchilla ni se deformaba ni presentaba las indentaciones que se ven en la figura anterior. Para poder ver estos problemas, tuvieron que inclinar la cuchilla hasta que tuviera un ángulo de 21º con la horizontal. En esta posición, parte de la fuerza que realiza la cuchilla está fuera del plano principal del movimiento, lo que conlleva deformaciones plásticas de la misma, y en último término, la rotura del filo ya vista.

De hecho, observaron que esta ruptura del filo tiene lugar generalmente en los lados del pelo, y que es independiente de factores como el ángulo relativo entre el pelo y la cuchilla o el diámetro del pelo.

Posteriormente, realizaron simulaciones con programas de elementos finitos(2) para tratar de entender mejor sus resultados experimentales.

Con ellos, pudieron confirmar que la región donde se producían las deformaciones mecánicas era la frontera del pelo y que se empezaban a producir para ángulos mayores de 8,5º de inclinación entre la cuchilla y la dirección ortogonal al pelo.

Por otra parte, para ángulos más pequeños también se producían roturas del filo, que no se podían explicar con este modelo, donde la inclinación del ángulo de entrada de la cuchilla era fundamental para producir la fuerza que generaba la deformación. Cuando los ángulos son muy pequeños, se observó que la aparición de tensiones que conducían a la rotura del filo era debido a las diferencias de composición entre los diversos granos del acero, que respondían de manera distinta a la tensión producida por el corte del pelo, lo que generaba estas tensiones entre los granos capaces de romper el filo.

Como resumen de los elementos que hacen falta para que el filo de la cuchilla se desbaste antes de que aparezcan los problemas de desgaste, los investigadores encontraron que tiene que darse tres condiciones simultáneamente, explicitadas en el dibujo posterior:

  • una cantidad de pelo que se doble tan grande como para generar fuerzas con componentes no ortogonales grandes,
  • que el proceso de creación de la cuchilla sea tal que induzca irregularidades en el filo con granos de diversas composiciones,
  • que la posición del pelo sea tal que el lado del mismo se encuentre una de estas irregularidades, y además de forma que el material más blando esté en el lado correcto del filo.
Explicación gráfica de las tres condiciones necesarias para la ruptura de una cuchilla. De arriba a abajo, las columnas muestran como el ángulo de incidencia de la cuchilla en el pelo, la irregularidad y las diferentes composiciones de la cuchilla tienen que coincidir para poder romper el filo. De la figura 4 del artículo citado.

Obviamente, que se cumplan estas tres condiciones a la vez es difícil, por eso las cuchillas aguantan varios usos antes de desbastar su filo. La cuestión es que, como comentan acertadamente en el artículo, el hecho de que la rotura inicial de pequeños fragmentos de la cuchilla se produzca por la aparición simultánea de varios criterios dificulta mucho el análisis a posteriori de las razones de la rotura del filo.

Finalizan el artículo comentando que la práctica habitual de la metalurgia es utilizar la ley de Archard(3), donde hay una correlación lineal entre la dureza y la resistencia al desgaste. Dados sus resultados, afirman que probablemente sea una buena idea tratar de homogeneizar el metal empleado y reducir el tamaño de las irregularidades que producen los procesos de fabricación para aumentar la resistencia al desgaste, además de emplear materiales cada vez más duros.

El artículo original se publicó en la revista Science, vol. 369: How hair deforms steel.

(1) En inglés se dice «martensitic», y es una forma de endurecer el acero mediante el aumento de su contenido en carbono y enfriamiento rápido. La wikipedia en inglés tiene un artículo muy decente sobre el proceso: Wiki-Martensite.

(2) El método de elementos finitos es un algoritmo para resolver con ordenador ecuaciones muy complicadas de resolver analíticamente que se basa en dividir el sistema en una multitud de pequeños subsistemas que se resuelven iterativamente. La wikipedia tiene un artículo en español bastante interesante: Wiki-Elementos finitos.

(3) La ley que correlaciona dureza con desgaste, el artículo de la wikipedia es corto, pero suficiente para hacerse una idea: Wiki – Ecuación de Archard.

Se logra convertir la energía cinética delas gotas de agua en electricidad

En un artículo publicado en la revista Nature, un grupo de investigadores logran mejorar sistemas previos que ya existían para recolectar la energía cinética de gotas de agua cayendo y transformarla de manera más eficiente en electricidad.

Basan sus resultados en investigaciones previas en las que pudieron demostrar la inducción de carga por gotas de agua en la superficie de materiales fluorados(1) usando teflón como material principal superior.

Como indica la figura siguiente, el dispositivo está formado por una capa exterior de teflón en contacto con un electrodo de aluminio, que conecta eléctricamente esta capa exterior con una inferior de un óxido de estaño e indio, ITO por sus siglas en inglés, este último una tierra rara muy cara.

Construcción del dispositivo capaz de usar gotas de lluvia para producir electricidad.
De la figura 1 del artículo citado.

Como se ve en la figura, la capa del óxido y el electrodo de aluminio están conectado y no debería pasar electricidad a través de ellos, a menos que se acumule carga de alguna manera en alguna de las superficies. Y eso es lo que pasa al caer gotas de agua en la parte del teflón, que carga eléctrica se acumula según van cayendo gotas de agua hasta que el valor de la carga eléctrica alcanza un valor de saturación de en torno 50 nC, como indica la figura de abajo.

Carga obtenida en la capa de teflón según el número de gotas de agua. La escala de gotas es del orden de 10.000, saturando el valor máximo de carga obtenido en sus dispositivos para unas 16.000 gotas, aproximadamente.
De la figura 1 c del artículo citado.

Independientemente del mecanismo por el que se produce la carga eléctrica, está claro que hay un valor de saturación de la misma cerca de los 50 nC que comenté antes.

Cada uno de los dispositivos fabricados, hicieron tres en una línea, podía sostener un voltaje de en torno a 140 V con una corriente de 270 µA. Con una resistencia de alrededor de 330 kiloOhmnios, logran unas densidades de potencia de cerca de 50 W/m². Por comparación, lo que se había logrado hasta ahora con dispositivos de este tipo, pero con superficie de aluminio directamente, eran unos voltajes 295 e intensidades de corriente 2.600 veces más pequeñas. No está nada mal.

Los sistemas fotovoltaicos actuales comerciales obtienen potencias del orden de los 200 W/m²(2), lo que quiere decir que están ya en camino de convertirse en una alternativa razonable de generación de energía.

Su eficiencia de conversión de la energía cinética de la gota que cae es del orden del 2%. Las primeras células solares comerciales tenían eficiencias de ese orden de magnitud, desde el 2 al 8%, como indica la figura siguiente, extraída de la entrada de la Wikipedia sobre paneles fotovoltaicos.

De National Renewable Energy Laboratory (NREL) – National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO − United States Department of Energywebsiteimagepdf imageexplanatory notes, Dominio público, Enlace

Los investigadores prosiguen en su artículo buscando las razones del incremento tan fuerte en la eficiencia respecto a sistemas anteriores. Pudieron observar experimentalmente que las cargas eléctricas transportadas por las gotas no variaban al impactar en el material, con lo que su cambio no era la causa de la mejora observada.

Entonces, fijaron su atención en la variación de la corriente y cargas en el dispositivo a lo largo del tiempo, notando que ambos parámetros oscilaban en función de si la gota tocaba el electrodo de aluminio o no. Cuando la gota comenzaba a tocar el electrodo de aluminio, se producía una transferencia de corriente desde la superficie del teflón hasta el electrodo de óxido ITO, mientras que cuando se retiraba la gota, sucedía al revés y la corriente primero se volvía negativa para alcanzar un valor final de cero. Este resultado se comprueba en la figura de abajo, donde se ve la dinámica de la corriente producida por una gota en un dispositivo.

Dinámica de la corriente eléctrica en el dispositivo al caerle una gota. Se observa como la corriente sube muy rápidamente cuando la gota toca el electrodo de aluminio y se hace negativa al retirarse la gota del mismo, sobre todo en la ampliación de escala de la derecha, parte c de la figura.
De la figura 2 b c del artículo citado.

Los autores del artículo proponen, basado en este comportamiento y en el hecho de que la posición del electrodo de aluminio que conecta la superficie de teflón con el óxido ITO no afecta a la eficiencia del dispositivo, que la corriente se transfiere desde el ITO hasta el teflón y viceversa en ciclos reversibles. La reversibilidad del sistema se apoya en que no han podido observar que la eficiencia del dispositivo varía con el tiempo, lo que quiere decir que no hay elementos que se «gasten» en el tiempo.

Tratando de entender mejor qué lleva su dispositivo a ser tan eficiente, usaron el número de Weber(3) de las gotas que caen sobre él. El resultado se puede resumir en la figura siguiente, extraída del artículo:

Carga obtenida en función del número de Weber de la gota. Noten que hay una cierta saturación de la carga para un valor del orden de 100 en una carga de 50 µC, como ya había comentado antes.
De la figura 2 e del artículo citado.

Esto querría decir que es importante que para lograr incrementos de carga, es más importante la energía cinética de las gotas que su tensión superficial.

Dado que es un sistema eléctrico, los investigadores usaron la teoría de circuitos y los datos que ya poseían para tratar de modelarlo. Y lo lograron con un sistema con tres condensadores:

  • Uno superficial con las superficies de agua y teflón,
  • otro del mismo tipo entre las superficies del agua y el aluminio,
  • el tercero, volumétrico, con el teflón como dieléctrico y las superficies agua/teflón y teflón/óxido ITO como electrodos.

De los tres, en principio el tercero sería el más pequeño y el que se carga gracias a los otros dos «condensadores» que se forman por la interacción de la gua con las superficies citadas. Si este modelo fuera adecuado, podrían estimar la carga máxima. Haciendo los cálculos, los investigadores obtuvieron un valor para las dimensiones de su dispositivo cercano a los 50 µC medidos, lo que les dá confianza en que su modelización es correcta. Por otra parte, en ese caso el voltaje que se obtiene debería ser directamente proporcional al ancho del teflón, lo que la figura de abajo confirma claramente.

Relación lineal del voltaje con el ancho del teflón en su dispositivo y como la carga acumulada es independiente del mismo. Ambos datos apuntan que su modelo eléctrico del dispositivo es acertado.
De la figura 3 c del artículo citado.

Los investigadores comentan que la forma de funcionar del dispositivo se confirma con simulaciones moleculares que realizaron, donde pudieron observar que las cargas iónicas que llevara el agua se separan en las superficies del teflón y el electrodo de aluminio, una vez que en la simulación añadían cargas estáticas en el teflón y el aluminio.

Por último, además de un sistema de laboratorio, hicieron un prototipo que probaron con agua de lluvia y agua de mar, para observar su eficiencia. Comprobaron que la eficiencia con los dos últimos tipos de agua, el sistema era menos eficiente porque generaba menos voltaje, aunque aún tenía eficiencias relativamente aceptables. El prototipo desarrollado y los voltajes obtenidos con los diversos tipos de agua están en la figura siguiente.

La figura superior muestra el dispositivo empleado, donde el depósito superior almacena el agua, independientemente de su origen, el regulador de flujo del medio hace que las gotas caigan en los dispositivos que generan la electricidad, los llamados DEGs (4). La figura inferior muestra que los tres tipos de agua empleados, el más eficiente es el gua de grifo, «tap water» en inglés y el menos eficiente, el agua de mar, «sea water».
De la figura 4 b d, del artículo citado.

Dos detalles me llamaron la atención sobre el artículo. El primero, que dado que la generación principal de carga está relacionada con la electricidad estática a través del efecto triboeléctrico(5), y esta no está nada clara, los propios autores del artículo tiene que pasar muy por alto la acumulación de carga inicial en su dispositivo. La otra, que a pesar de no tener claro el motivo por lo que algo funciona, por qué funciona, eso no necesariamente es un obstáculo para hacerlo mejor, porque hay elementos del modelo que explica cómo funciona que pueden soslayarse.

El artículo salió publicado en la revista Nature, volumen 578 y está disponible en abierto en la dirección de la revista: Nature, 578, 392–396(2020).

(1) Un material fluorado es un polímero en el que se han sustituido algunos átomos de carbono por átomos de flúor. Uno de los más conocidos es el teflón empleado en este artículo, cuya fórmula química es (CF2 – CF2)n

(2) Esta cifra se ha obtenido suponiendo una eficiencia total del panel del 20%, bastante cercana a los mejores paneles solares y una irradiancia solar de 1.000 W/m², valor ideal. Los valores reales de potencia solar serán algo más bajos, probablemente cercanos a los 160 W/m² porque los rendimientos habituales son del 16 por ciento en muchos paneles de bajo rendimiento.

(3) El número de Weber es una cantidad adimensional que relaciona las fuerzas de inercia, energía mecánica debida a la velocidad, de un fluido con la tensión superficial, o fuerza debidas a la superficie de contacto de dos fluidos, por ejemplo, agua y aire. Su definición, donde aparecen la densidad del fluido, una longitud característica (en este caso el diámetro de las gotas que caen) y su tensión superficial está tanto en el artículo citado como en la entrada de la Wikipedia sobre el número de Weber.

(4) DEGs es la abreviatura en inglés de generador de energía eléctrica basado en gotas («Droplet-based Electrical Generator».)

(5) Efecto triboeléctrico es la generación de energía eléctrica debido al contacto con de un material con otro. Está muy relacionado con la electricidad estática y es un tanto misterioso en su origen último. El artículo de la Wikipedia sobre efecto triboeléctrico está muy bien: Wikipedia- Efecto triboeléctrico.

Bacterias alteradas para convertirlas en factorías químicas controladas por luz.

Me gusta la ciencia ficción. Siempre lo ha hecho y junto con la ciencia es una de mis actividades favoritas. Hace algunos años, cuando empezaba a leer ciencia ficción, se imaginaban sistemas de tamaños planetarios para fabricar cosas, porque leía sobre todo obras escritas en los 70 y 80. Cuando me acerqué más a las obras escritas en los 90, comencé a ver que había autores que imaginaban no grandes factorías o fábricas para producir los bienes físicos que necesitamos o nos gustan, sino pequeñas. De tamaño celular, de hecho. Se imaginaban que mediante nanorobots o células alteradas genéticamente, produciríamos una gran cantidad de productos en estos sistemas pequeños, abaratando y simplificando considerablemente su producción. Los resultados que este artículo presenta nos acercan definitivamente a esa idea, pero sin manipulación genética.

Lo que han logrado es hacer que bacterias que normalmente sintetizan hidrocarburos basadas en el consumo de azúcares puedan producir esos mismos hidrocarburos basándose en la exposición a luz. Comienzan en la introducción diciendo que intentos previos de lograr el uso de estos microbios para la producción de hidrocarburos mediante energía solar se basaron en la purificación y refino de las enzimas necesarias y su uso fuera de las células, pero que este sistema no permitía la renovación que se da en el interior de la célula de las enzimas, con lo que su duración es limitada.

Otra estrategia empleada anteriormente consistió en el uso de cepas específicas dentro de las bacteria para producir los químicos deseados, pero así se limita el rango de productos a producir además de que hay problemas debido a la toxicidad de estos productos para las células en si.

Los autores comentan que ha habido una investigación muy activa tratando de encontrar la manera de activar rutas enzimáticas definidas dentro de la célula desde fuera, usando campos magnéticos, luz y otros métodos no demasiado invasivos de interacción exterior con las células objetivo.

Y ellos lo han logrado, como se muestra en la siguiente figura:

Uso de bacterias para fabricación de diversos productos químicos usando como materias primas agua, luz y aire mediante la selectividad por puntos cuánticos(1). Además, se puede seleccionar el producto de salida deseado según la longitud de onda empleada. El arco iris de la derecha es la selectividad de cada punto cuántico a un color específico, que selecciona el producto de salida. Adaptado de la fig. 1 del artículo citado.

Como indica la figura, las materias primas a emplear son siempre las mismas: agua,luz y aire. Lo que cambia en función de la longitud de onda(el color) de la luz con la que se ilumina el grupo de bacterias es el producto de salida. Es importante resaltar que las bacterias empleadas en esta investigación no realizan la fotosíntesis de manera natural, es decir, no usan la luz del sol para producir ningún elemento químico de los que necesitan, empleando en su lugar azúcares. Por otra parte, debido a la naturaleza biológica de la formación de los productos, su eficiencia no pasa del 15 – 18 %, pero la falta de residuos peligrosos en su formación y facilidad de uso y manipulación compensan el problema de la falta de eficiencia.

Por otra parte, como su método no precisa de la manipulación genética de las enzimas, en principio podría usarse para activar funciones concretas de las células tanto para poder investigar esas funciones como para generar terapias concretas.

El esquema general está basado en el uso de puntos cuánticos(1) con una alta selectividad doble. Por un lado, a una longitud de onda o color específico, y por otro, a una región enzimática de la bacteria concreta. Así, al rodear el ambiente de la bacteria con puntos cuánticos concretos, éstos se unen a zonas específicas de las enzimas de su interior, lo que cuando el nanopunto se excita por la luz de su longitud de onda escogida, activa la enzima para la producción del producto químico deseado.

Por lo tanto, lo primero que hicieron los investigadores fue hacer una cuidadosa selección de los nanopuntos, basándose tanto en su tamaño, directamente relacionado con la longitud de onda a la que son sensibles, como su cubierta y formas externas, que generan una selectividad del nanopunto por enzimas específicas dentro de la bacteria.

Luego, comprobaron que los nanopuntos que habían encontrado se fijaban dónde querían sintetizando el producto en el laboratorio y viendo que los puntos cuánticos se fijaban a ese producto sólo. Usando otros nanopuntos distintos, también biocompatibles y con capacidad de penetrar la pared celular, pero con una selectividad distinta comprobaron que sólo los que ellos se habían diseñado se fijaban dentro de la célula al lugar escogido. Los nanopuntos que seleccionaron están compuestos por Cadmio y azufre con un recubrimiento de zinc y azufre, lo que favoreció su selectividad con la enzima que necesitaban, como se observa en la figura siguiente:

Representación de la unión selectiva de los nanopuntos escogidos a la enzima objetivo. Se observa que se seleccionan a través de la zona exterior de la enzima. Adaptado de la fig. (2) del artículo citado.

Lo que se observa en la figura es que al escoger la composición, forma y tamaño de los nanopuntos, fueron capaces de seleccionar muy bien la parte de la enzima a la que se ligaban los nanopuntos.

El artículo continúa explicando los diverso métodos empleados para confirmar que la ligazón de los nanopuntos se produjo sólo con las enzimas seleccionadas, desde comprobar que se producían los productos seleccionados según la ruta metabólica prevista con la adicción al agua en la que estaban las bacterias productos que interrumpen esa ruta y comprobar que así se paraba la producción, hasta comprobaciones en el laboratorio de la ligazón mediante técnicas de espectroscopía que permiten comprobar si hay o no determinados enlaces químicos presentes en la muestra.

También es muy importante comprobar que las bacterias que absorben los puntos cuánticos no se mueren, son viables a pesar de su presencia en el interior de las células. Para ello, los científicos autores de este experimento emplearon varios métodos. Primero, comprobaron el crecimiento celular tras aumentar la concentración de los nanopuntos en su entorno y observaron que con aquellos que se diseñaron correctamente, las células apenas inhibían su crecimiento, mientras que con otro tipo de nanopuntos acababan parando el crecimiento de las bacterias, como muestra la siguiente figura:

Inhibición del crecimiento (izquierda) y viabilidad(derecha) de las células en función de la concentración de las nanoestructuras. Adaptado del artículo citado.

Tanto la supervivencia de las células como su crecimiento indican que los nanopuntos que fabricaron no impiden que las células se reproduzcan. El empleo de otro tipo de comprobaciones les llevó a la misma conclusión: los puntos cuánticos diseñados adecuadamente no le causan problemas en su crecimiento o supervivencia.

Luego comprobaron que, efectivamente, la producción de los productos que querían se hacía tras activar las células con la luz adecuada. Y vieron que al iluminar las bacterias que estaban en el medio con los nanopuntos adecuados, produjeron amoniaco y que al dejar las bacterias en una atmósfera de argón, que no permite la producción de amoniaco, no lo producían, como se ve en la figura siguiente:

Producción de amoniaco y etano, según la bacteria, en función del tipo de nanopuntos (arriba) y de la atmósfera en la que estén las bacterias(abajo). Adpatado de la fig. (4) del artículo citado.

La producción de amoniaco y etano aumenta con los nanopuntos adecuados y sólo si hay la materia prima necesaria, indicando por lo tanto que se producen en el interior de la célula siguiendo las rutas metabólicas previstas.

Después de demostrar que saben cómo lograr que las bacterias produzcan los productos que ellos quieren mediante estos dos productos finales, ajustaron los nanopuntos para que fueran sensibles a distintas longitudes de onda y produjeron diversos productos finales, viendo que los rendimientos obtenidos eran una clara función de la facilidades de la propia ruta metabólica en el interior de la célula para fabricar estos productos: si bien las bacterias son fábricas muy versátiles, esta versatilidad no es infinita, por lo que si la bacteria no tiene los instrumentos para producir un determinado compuesto, es decir, las rutas metabólicas necesarias en su interior, pues no puede producirlo.

La verdad es que es un resultado impresionante, sobre todo por las posibilidades que ofrece: si realmente se puede escoger un gran conjunto de materiales a producir con el mismo tipo de bacterias según los materiales disueltos en su medio de cultivo, se puede soñar con generar fábricas de producción a la carta simplemente cambiando el nanopolvo disuelto y la luz con la que se ilumina.

El artículo original está publicado en la revista Journal of American Chemical Society, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 26, 10272–10282.

(1)Punto cuántico o nanopolvo: Estructura tridimensional tan pequeña que se comporta como un pozo cuántico, con una altísima selectividad a una frecuencia de la luz de terminada, que absorbe o emite.

Resuelto el misterio del vuelo de la semilla del diente de león.

El Diente de león es una planta que muchísima gente conoce por su amplia presencia: es una de las plantas perennes más presente en el mundo.

Uno de los elementos más hemoso de la misma es su corona llena de semillas que al soplar con suavidad se dispersan hasta distancias realmente lejanas. Según el artículo citado al final de esta entrada, si bien generalmente llegan hasta unos 2 metros, ¡a veces pueden viajar hasta 150 km!

Y una cuestión que los autores del artículo quisieron plantearse es ¿cómo lo hacen? Es decir, quisieron encontrar qué tipo de estructuras y formas de trayectorias del aire a través de la semilla colaboran en su dispersión. El tipo de semillas de los dientes de león no es tan raro en la naturaleza, y se conocen en general como semillas con vilano, que es la estructura plumosa que sostiene al resto de la estructura: el «palo» central del que cuelga la semilla.

Para poder estudiar esta estructura, tuvieron que construir un túnel de viento especial en el que poder colocar la semilla y observar las corrientes y trayectorias del aire por la forma tan especial de la semilla del diente de león.

Los resultados, además de muy bonitos visualmente, son impresionantes, porque la estructura que se observa es un vórtice separado del vilano. Y lo curioso e impresionante es que el vórtice esté separado y en una región estable. Es algo bien sabido que los objetos sólidos al moverse en un medio fluido, como el aire, generan vórtices. Pero los conocidos hasta ahora eran de dos tipos principales: o bien el vórtice se «pegaba» al sólido, o bien se separaba del mismo en la parte de atrás, para perderse en flujos turbulentos. En el caso de las semillas de diente de león, no hace ni una cosa ni la otra: está formando una estructura estable cerca del vilano, colaborando a su empuje.

La imagen siguiente muestra precisamente ese comportamiento, tanto para la propia semilla, como para un disco plano poroso, que reproduce, más o menos, ese comportamiento.

Imágenes sobre el vórtice generado por una semilla de diente de león. a) Estructura del diente de león, con la vilano(pappus, en inglés), señalado. b) Vilano. c) Uno de los pelos del vilano. d) Esquema del montaje experimental. e) y f) Vórtice que se genera en la semilla, con el viento moviéndose a 0 y 60º de orientación del mismo. g) Vórtice habitual de un disco plano. h) Vórtice del mismo tipo de disco, pero poroso.
De la figura 1 del artículo citado.

Una de las cosas que no está clara es cómo puede afectar tanto al vórtice generado un objeto tan poco sólido. Es decir, el vilano de estas semillas tiene un grado de porosidad muy grande, 0,92 +- 0,08 según el artículo, que en principio, dificulta la transformación del flujo que pasa a través del mismo.

Pero estas semillas tienen un componente importante. Como se puede observar en la figura, cada pelo tiene una estructura muy rugosa, que implica que la capa límite(1) que hace a su alrededor es muy gruesa, tanto que interacción con la de los otros pelos situados a su alrededor, formando un volumen por el que no pasa aire, incrementando notablemente el empuje de la semilla, según pudieron observar en simulaciones los autores del artículo.

De hecho, cálculos sobre el coeficiente de arrastre de la semilla indican un valor 39 +- 5 cm/s, mucho más alto del que puede tener un disco, como se muestra en la siguiente figura:

Coeficiente de arrastre de la semilla respecto del de un disco plano. La diferencia es muy fuerte a favor de las semillas, lo que facilita su dispersión.
De la figura 2 del artículo citado.

En la continuación de sus experimentos, observaron que la formación de este vórtice circular no duraba a lo largo de todos los valores del número de Reynolds(2), si no que había un valor crítico para el mismo a partir del cual se pierde el vórtice. Comprobaciones realizadas por los científicos sobre qué valores tomaba ese valor crítico en función de la porosidad se pueden resumir en la siguiente imagen, donde se observa que para valores del número de Reynolds debajo del crítico por encima del crítico, no se puede generar este vórtice:

Frontera del número de Reynolds que genera el vórtice separado, para el disco poroso(a) y un aumento de otra parte más pequeña(b).
De la figura 4 del artículo citado.

El artículo termina haciendo una revisión del mismo tipo de mecanismos para otros seres del mundo animal, especialmente pequeños insectos.

El artículo esa disponible en la dirección:

Nature volume 562, pages414–418 (2018)

(1) Capa límite: Cuando un sólido se sitúa en una corriente de fluido, se puede observar que suficientemente alejados del sólido, el flujo del fluido no se ve afectado por el sólido. La superficie alrededor del sólido donde se observan cambios en el flujo del fluido es lo que se llama «capa límite». El artículo de la Wikipedia es bastan bueno: capa límite (Wikipedia)

(2) Número de Reynolds: Una cantidad adimensional que relaciona las energías debido al rozamiento con el fluido y la debida a la velocidad. En el caso de este artículo, se escribe como UD/v, con U la velocidad del aire, D el diámetro del vilano y v la viscosidad del mismo. El artículo de la Wikipedia es bueno: número de Reynolds (Wikipedia)

Proceso de electrolísis de agua residual ayudado por microbios.

Se ha logrado por parte de unos investigadores sistemas de generación de hidrógeno mediante electrolísis con luz solar que es económicamente viable.

Comienzan al introducción de su artículo señalando la importancia de los sectores industriales de agua y la energía, refiriéndose a su producción y distribución, que están unidas de manera muy clara: es muy frecuente que para producir energía haga falta agua, y viceversa. Además de que cualquier actividad humana precisa, como mínimo, justamente estos dos componentes.

Incide después en el pricipal talón de aquiles de cualquier fuente renovable, y muy especialmente de la solar: su intermitencia y , algo que se suele decir poco, su <<difusividad>>, es decir, que tiene una densidad energética muy baja. Una posible solución es la conversión de energía solar en algún tipo de combustible líquido con mayores densidades de energía y capaz de almacenarse, para modular la intermitencia. Al mismo tiemp, ese combustible no debe emitir CO2 a la atmósfera, porque sino no sirve para luchar contra el calentamiento del planeta producido, precisamente por el aumento de niveles de este gas (y otros) por la actividad humana.

Por ello, el hidrógeno es un candidato ideal, con otra características: ya existe una industria del hidrógeno, con lo que los problemas relativos a su almacenamitento y distribución están solucionados, aunque sea a pequeña escala. Pero actualmente tiene un problema: casi todo el hidrógeno que produce la humanidad es de origen fósil. Es decir, se produce hidrógeno basándose en hidrocarburos, derivados del petróleo. Por eso hacen falta métodos capaces de producirlo de manera más limpia, sin emitir CO2. Y estos investigadores lo han logrado, al lograr producir H2 (gas hidrógeno neutro) mediante energía solar y un ánodo biológico a partir de agua residual, en un nuevo proceso de fotosíntesis artifical(1).

El problema es que los sistema de fotosíntesis artificial necesitan generar unos 1,9 V de potencial en el sistema en contacto con las moléculas de agua para romper el enlace entre el hidrógeno y el oxígeno. Y ese valor de potencial sólo lo tienen semiconductores de banda ancha(2), que no absorben bien el espectro solar. Otros materiales presentan sus propios problemas, como altos costes o materiales muy caros por escasos, dificultad de fabricación, etc.

Por otra parte, la mayoría de los sistemas que se han desarrollado hasta ahora utilizan sobre todo agua ultra pura, que exige un proceso previo que implica un gasto de energía importante. Por ello, el uso de aguas residuales es mucho más interesante, por que tienen que ser procesadas para su vuelta al ambiente de manera razonablemente segura, lo que también cuesta energía y no siempre se produce. Por ello, el usar las aguas residuales como material para la fotosíntesis artificial en lugar de agua pura es una idea muy interesante.

La solución que han adoptado en este artículo los investigadores es usar microbios para ayudar an la fotosíntesis artificial. Se trata de usar los microbios para oxidar la materia orgánica del agua, más que el el agua en sí. El potencial de oxidación que los microbios necesitan para tratar residuos orgánicos disueltos en el agua es tan bajo, que permitiría el uso de semiconductores basados en Si para ayudar a los microbios, lo que abarata notablemente el sistema, porque el Silicio es barato y abundante. Además, el ancho de banda de este material se ajusta bastante bien al espectro solar, de manera que puede usarse con luz solar directa.

Comentan que intentos anteriores de emplear este sistema no lograron una efciencia mínima de conversión de H2, que ellos fijan en 10 mA por cm2, además de no usar aguas residuales directamente.

Su sistema funciona usando lo que se denomina <<Silicio negro>>(3) para el fotocátodo, pero con una estructura interna un poco especial. Los investigadores la descrben como de queso suizo, y quieren señalar que las columnas habituales en las estrucutras del silicio negro estan muy retorcidas y torcidas, de manera que parecen una espcie de queso con agujeros. La razón de utilizar esta estructura es que el silicio negro, debido precisamente a su esttructura de pilares, se oxida muy rápidamente, lo que impide su uso industrial; pero el uso de la estructura de este trabajo hace que no tengan que proteger el material, sino que sea estable frente a oxidaciones por un tiempo muy largo: 90 horas de funcionamiento sin una degradación fuerte del material.

En el ánodo han empleado microbios electroactivos, es decir, microbios que bajo ciertas condiciones, generan energía eléctrica por oxidación de materia orgánica.

Otro de los elementos importantes del sistema desarrollado por estos investigadores es que no precisa de ningún tipo de voltaje externo, más allá del producido por la luz solar.

Con lo cual, con la estructura mostrada en la figura siguiente, lograron por un lado una estabilidad muy larga de la producción de Hidrógeno, sin necesidad de voltajes externos y con el beneficio añadido de que trataron una gran cantidad de agua residual.

Esquema del sistema empleado para tratar aguas residuales y producir hidrógeno. Extraído del artículo citado.

Yendo de izquierda a derecha, la luz solar incide en el Silicio oscuro, el fotocátodo, generando electrones que se unen a los iones positivos del hidrógeno molecular para producir el gas. En los dos bioánodos del centro, los microbios oxidan los contaminantes del agua, generando los iones de Hidrógeno. En el cátodo de aire de la izquierda, se unen con grupos hidroxilos para formar agua limpia.

Usando diversas técnicas de imagen, pudieron observar su silicio negro, y comprobar como era muy distinto del más habitual, al tener sus pilares no completamente rectos, sino ondulados. La siguiente foto muestra ese fenómeno.

Imagen SEM(4) del Silicio negro. Obtenida del artículo citado.

En esta imagen SEM se puede ver con claridad como los diversos pilares de Silicio se han torcido y mezclado, generando la estrucutura que comentaban en forma de queso. También se observa el catalizador MoSx, que ayuda a producir Hidrógeno.

El artículo completo se puede localizar en: Unbiased solar H2 production with current density up to 23 mA cm−2 by Swiss-cheese black Si coupled with wastewater bioanode

Notas:

(1) Fotosíntesis artificial (APS en sus siglas en Inglés) es el proceso de separación de los dos gases del agua, hidrógeno y oxígeno, pero en lugar de con plantas, con sistemas artificiales creeados por el hombre. Su mayor problema es que suelen ser caros y de corta duración.

(2) La banda de un semiconductor es el voltaje (equivalente a la energía) que tiene que tener un fotón si quiere arrancar un electrón del material semiconductor y que circule. La idea para la disociación del agua es la siguiente: El semiconductor produce los electrones de la energía adecuada al exponerse al sol, por la acción de los fotones de la luz solar, y luego esos electrones chocan contra las moléculas de agua, y debido a su energía, la separan en sus moléculas fundamentales.

(3) Silicio negro, black Silicon en inglés, es una forma de nanoestructurar el Silicio que permite una mayor absorción de la luz solar, incrementando dramáticamente la eficiencia de las células solares. Un artículo en inglés donde lo explica muy bien está disponible en la Wikipedia: Black Silicon

(4) SEM: Microscopía Electrónica de barrido. Un sistema de observar muestras de muy pequeño tamaño con gran resolución espacial, porque emplea electrones para realizar la imagen. En la Wikipedia tiene un artículo bastante bueno sobre el tema: SEM(Wikipedia)

Sistemas de recogida de objetos con robótica blanda

Una de las cosas más difíciles de conseguir en robótica es algo que casi todos los humanos poseemos de serie: Un sistema de recogida de objetos capaz de recoger muy diversas formas, pesos y resistencias sin ni romper ni que se le caigan. En nuestro caso, tal sistema se llama mano.

Pero en robótica es muy, muy difícil lograr algo similar, con las capacidades que se precisan, y que, además, sea fácil de controlar. Nuestro cuerpo posee un sistema de control complicadísimo, que es por lo tanto difícil de replicar. Es más, es tan complicado, que tardamos bastante tiempo desde que nacemos hasta que somos capaces de coger casi cualquier cosa. Luego, a pesar de su indudable versatilidad, no es un buen modelo para aplicaciones industriales, que deben ser sencillas de mantener y lo más baratas posible.

Unos investigadores del MIT y otrso centros están un paso más cercano de conseguir ese sujetador universal, fácil de hacer y mantener y que es capaz de agarrar objetos diversos en forma, tamaño y fragilidad. Y de una manera muy inesperada: usando esferas creadas con una superficie plástica arrugada como si fuera un tipo de origami, y la aplicación de vacio mecánico en su interior.

Como la siguiente fotografía muestra, es capaz de agarrar todo tipo de objetos, incluyendo varios alimentos:

La imagen superior muestra tres de los sistemas de sujeción desarrollados, con su <<esqueleto>> de origami delante y el material plástico de bajo coste sobreimpreso. En las imágenes de abajo, de la (b) a la (k), se observa como captura una gran variedad de objetos y formas, incluyendo alimentos muy frágiles. Imagen extraída del artículo citado.

Su principio de funcionamiento, como el de todas las muy buenas ideas, es engañosamente simple: Se trata de que la estructura de su membrana, al colapsarse sobre si misma cuando se hace el vacío en su interior, rodea al objeto que se desea coger, con una fuerza considerable. ¡Puede realizar 120 N de fuerza!

En la siguiente imagen se muestra mejor este funcionamiento:

En la imagen superior se observa un esquema del esqueleto del sistema cuando está sin vacío y con él, mientras que en la inferior se observa el plegamiento dirigido por el origami.. Fíjense que rodea al objeto con el vacío por la estructura en origami del <<esqueleto>>. Imagen obtenida del artículo citado.

Los investigadores emplearon lo que llaman la <<bola mágica>>(1) de origami, un sistema que es bien conocido por los amantes de origami, y que consiste en dobleces tales que una esfera que se aplasta vuelve al estado esférico al cesar la fuerza inicial. Cuando uno de los extremos es fijo, entonces, las tensiones son tales que el otro se cierra o abre sobre sí mismo, produciendo el deseado agarre. Esta bola mágica forma el esqueleto de sus sistema de agarre, con una lámina que lo rodea, que permite formar vacío alrededor del esqueleto como la segunda parte.

El proceso de fabricación está muy bien descrito, y parece engañosamente simple. Emplearon dos tipos de plásticos distitntos, con sus formas de fabricarlos.

Un sistema empleó goma de silicona como material plástico. Entonces, tuvieron que imprimir unos moldes con una impresora 3D, y luego usar esos moldes para hacer las 16 piezes finales de la bola.

En otro de los sistemas decidieron, como en trabajos anteriores, emplear materiales composites(2), de forma que tuvieron que diseñarlo y luego hacerle cortes de precisión con un sistema láser de cortado. Luego, usando sus propiedades de memoria de forma, lo calentaron a la temperatura de plegado y se autoensambló.
El artículo termina en sus páginas finales describiendo las pruebas de agarre de los diversos prototipos que han hecho, pero me parece que es menos interesante.

Si están interesados en leeerlo, pueden hacerlo desde este enlace, porque los autores han dispuesto que sea un artículo abierto: A Vacuum-driven Origami “Magic-ball” Soft Gripper

Notas:

(1) Un enlace donde explican como hacerla es: Origami

(2) Composites: Materiales formados por diversas capas de materiales puros distintos, que juntos forman un material con propiedades que ninguno por separado podría tener. En este caso, es un composite activo, con memoria de forma.