Y yo quiero ser...Científico
(Por
Eduardo Hernández)
Escucha música mientras lees, vete al final.
Recuerdo el
día en que hablé con mi padre sobre el espinoso tema de cuáles serían mis
estudios universitarios. Hasta entonces había pasado por varias fases: estudiar
magisterio, o incluso filología inglesa (que en mi caso habría sido una opción
fácil, teniendo madre inglesa). Con todo el respeto hacia esas opciones, lo
cierto es que ninguna de las dos me convencía demasiado. Siempre me había
sentido atraído por las ciencias, pero nunca me había planteado seriamente la
posibilidad de estudiar una carrera científica, y mucho menos dedicarme
profesionalmente a la ciencia (que al fin y al cabo es para lo que se supone
que uno estudia una carrera). Pero, ya en el último año de mis estudios
pre-universitarios, era hora de tomar una decisión en firme. La primera parte
de esa decisión consistió en desechar opciones por las que no sintiese un
mínimo de entusiasmo, así que el magisterio y la filología quedaron
descartados. La segunda fue reducir el rango de opciones: decidí que estudiaría
una carrera científica, a elegir entre física o química. Mi padre se alegró
enormemente con esa decisión, y así me lo dijo aquel día.
Ahora sólo era
cuestión de tomar una decisión final: ¿física o química? ¡No era tan fácil! Yo
me inclinaba más por la física, pero en aquellos tiempos, en mi ciudad,
Alicante, no era posible estudiar esa carrera, aunque sí había licenciatura de
química. Estudiar física suponía realizar mis estudios en otra ciudad, con la
consiguiente carga económica para mi familia (en aquellos tiempos no había
muchas becas), y todas las complicaciones añadidas que se derivan de dejar el
nido familiar. Con esos condicionantes, no es extraño que al final triunfara la
opción de estudiar química; no obstante siempre me ha quedado la curiosidad por
saber cómo me habrían ido las cosas si hubiese optado por estudiar física.
Así pues, con
una decisión ya tomada, me embarqué en mis estudios de química con entusiasmo,
y para mi agradable sorpresa descubrí que la química y la física tenían en
común más de lo que yo había supuesto. De hecho, se estudiaba mucha física en
la licenciatura de química, además de matemáticas, y por supuesto, química.
Varias de las asignaturas del temario tenían el nombre de química-física. Estas
asignaturas eran invariablemente las que me gustaban más, y me resultaba cómico
descubrir que a mis compañeros de estudios en general no les sucedía lo mismo;
ellos sí tenían claro que lo suyo era la química, y no la física. Mi
preferencia por las asignaturas más tendentes a la física acabó valiéndome el
sobrenombre de “el anti-químico”. No es que yo renegara de la química, ni mucho
menos, pero el mote me hacía gracia.
Acabado el
tercer curso de la carrera de ciencias químicas, que en aquellos tiempos
constaba de cinco, se me planteó una nueva disyuntiva: podía seguir como hasta
entonces y acabar la carrera en la Universidad de Alicante, o bien podía
marcharme para completar el segundo ciclo en otra universidad. Quedarme en
Alicante suponía acabar con la licenciatura en Química General, ya que allí no
existía la posibilidad de cursar ninguna especialidad. Por otro lado, si me
marchaba a una universidad más grande, podría especializarme en alguna rama de
las que me atraían más, léase química-física o química cuántica. Tres años
antes la idea de marcharme se me había hecho muy cuesta arriba, pero la verdad
es que ahora me moría de ganas por dejar el hogar familiar y lanzarme a la
aventura. Tras cursar asignaturas de química analítica, ingeniería química y
otras similares, tenía claro que prefería ahondar en la química-física. Así
pues decidí liarme la manta a la cabeza y trasladarme a Madrid para estudiar la
especialidad de química cuántica en la Universidad Autónoma, la especialidad
más teórica de la química, y por tanto la más cercana a la física.
Después de
esos años en Madrid acabé la carrera estudiando más física y más matemáticas
que química propiamente dicha, pero disfrutando mucho en el proceso. Después de
eso vino la posibilidad de realizar un doctorado en simulación de materiales,
en Londres, y así fue como mi inquietud entre la química y la física fue
labrando mi carrera científica. Mi doctorado me sirvió para introducirme en el
fascinante mundo de la informática aplicada a la investigación científica; me
sirvió también para encauzar mi carrera científica en la dirección de la
ciencia de materiales, un campo a medio camino entre la física y la química, al
que pareciera que me encontraba predestinado sin yo saberlo. Hoy en día trabajo
para el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, concretamente en el
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, y mi trabajo consiste en emplear
técnicas de simulación aplicadas al estudio de propiedades y diseño de nuevos
materiales.
¿Qué es la Simulación de Materiales?
Actualmente, a
pesar de que nuestro conocimiento de las leyes que gobiernan el comportamiento
de la materia a escala atómica y molecular es todavía parcial, resulta posible
simular con ayuda de un ordenador muchos materiales de manera suficientemente
realista como para poder predecir sus propiedades físicas y químicas. Dichas
propiedades son el resultado de las interacciones entre los átomos o moléculas
que conforman el material en cuestión. Por ejemplo, si los enlaces químicos entre
los átomos son fuertes, como ocurre en el caso del carbono, tendremos un
material con alta resistencia a la deformación, un material de gran dureza.
Éste es el caso del diamante. Si podemos modelar con suficiente precisión y
fidelidad las interacciones que tienen lugar entre átomos y moléculas, podremos
calcular cómo dichas interacciones se traducen en propiedades macroscópicas de
los materiales resultantes. Todo ello nos puede ayudar a diseñar nuevos
materiales con propiedades deseables desde un punto de vista de posibles
aplicaciones tecnológicas.
La simulación
de materiales también es útil como complemento a la labor experimental. Aunque
las técnicas experimentales son cada día más finas y precisas, no siempre
resulta posible obtener una visión detallada de lo que ocurre durante un
experimento a escala atómica. Sin dicha imagen resulta complicado, cuando no
imposible, interpretar certeramente los resultados experimentales. Por ello es
cada vez más frecuente que se publiquen artículos científicos en los que se
combinan técnicas experimentales y simulación para lograr una interpretación lo
más completa posible del fenómeno estudiado.
Gracias a la
simulación resulta posible investigar el comportamiento y las propiedades de
materiales en condiciones extremas de presión y/o temperatura, condiciones en
las que la experimentación resultaría extremadamente difícil y costosa.
Preguntas tales como ¿cómo se comportan los minerales que se encuentran en las
profundidades del interior de la Tierra, o en el interior de Júpiter o Saturno?
resultan muy difíciles de responder mediante experimentos, pero se pueden
plantear, y responder al menos parcialmente, mediante simulaciones. Veamos un
ejemplo: sabemos, gracias a medidas sismológicas, que el interior de la Tierra
se estructura en capas. La capa más externa, sobre la que vivimos, es la
corteza; esta se encuentra sobre el manto, que alcanza una profundidad de unos
2900 km, formado principalmente por silicatos, y que a su vez se divide en dos
capas, el manto externo y el interno, con una zona de transición entre ambos.
Más abajo aún está el núcleo, que nuevamente se divide en núcleo externo e
interno. El núcleo se compone principalmente de hierro. En el núcleo externo el
metal se encuentra en estado líquido, mientras que en el núcleo interno es
sólido. Las medidas sismológicas nos informan además sobre la presión y sobre
la densidad a medida que aumenta la profundidad; sin embargo, no nos dicen nada
acerca de la temperatura. Una forma de deducir indirectamente la temperatura a
la que se encuentra el interior de la Tierra a la profundidad a la que se
encuentra la transición entre el núcleo interno y el externo (unos 5100 km) es
medir la temperatura de fusión del hierro a 330 GPa (3,300,000 atm), la presión
a la que se da esa transición. Dichos experimentos son extremadamente costosos
y difíciles, y durante mucho tiempo no han sido concluyentes, ya que distintos
grupos han obtenido resultados divergentes. Sin embargo, para una simulación
las altas presiones no son a priori un problema. Hace ya algunos años, un grupo
de geofísicos empleó técnicas de simulación ab initio para predecir que el
hierro a 330 GPa de presión funde a la pasmosa temperatura de 6000 K, una
temperatura comparable a la que impera en la superficie del sol. Por lo tanto,
esa debe de ser la temperatura a la que se encuentra la frontera entre el
núcleo interno y el externo. Posteriormente, esta predicción ha sido
corroborada experimentalmente en varios estudios.
Hoy en día la
simulación se emplea asiduamente en la mayoría de las disciplinas científicas,
desde la física y la química a la biología, o, como acabamos de ver, la
geología. Yo he encontrado mi línea de trabajo en este fascinante mundo de la
simulación aplicada al campo de la investigación en ciencia de materiales. Es
un campo que me ha dado un sinnúmero de satisfacciones, tanto personales como
profesionales.
Fig. 1. Nanotubos de carbono transportando una carga (en este caso una placa de oro) bajo los efectos de un gradiente térmico a lo largo del nanotubo amarillo (1).
Notas:
(1) Simulaciones realizadas por Riccardo Rurali y Eduardo Hernández (más detalles en Barreiro et al., Science vol. 320, p. 775 (2008)).
Eduardo Hernández
Doctor
en Ciencias, Especialista en Simulación de Materiales
Investigador Científico del
CSIC en el Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid
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