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Crean por primera vez un agujero de gusano magnético

Los agujeros de gusano son túneles cósmicos que pueden conectar dos regiones distantes del universo, y se han popularizado por la difusión de la física teórica y por las obras de la ciencia ficción como Stargate, Star Trek o, más recientemente, Interestelar. Utilizando la tecnología de hoy en día sería imposible crear un agujero de gusano gravitacional, ya que el campo tendría que ser manipulado con enormes cantidades de energía gravitacional, que nadie sabe aún cómo generar

En electromagnetismo, sin embargo, los avances en metamateriales y la invisibilidad han permitido que los investigadores presentaran varios diseños para lograrlo.

Los científicos en el Departamento de Física de la Universitat Autónoma de Barcelona han diseñado y creado en el laboratorio el primer agujero de gusano experimental que puede conectar magnéticamente dos regiones del espacio. Consiste en un túnel que transfiere el campo magnético de un punto a otro mientras se mantiene indetectable —invisible— en todo su recorrido. La investigación fue resaltada en un artículo reciente en la revista Nature.

Los investigadores utilizaron metamateriales y metasuperficies para construir el túnel experimentalmente, de modo que el campo magnético de una fuente, tal como un imán o un electroimán, aparece en el otro extremo del agujero de gusano como un monopolo magnético aislado. Este resultado es bastante extraño en sí mismo, ya que los monopolos magnéticos —imanes con un solo polo, ya sea al norte o al sur— no existen en la naturaleza.

El efecto general es el de un campo magnético que parece viajar de un punto a otro a través de una dimensión que se encuentra fuera de las tres dimensiones convencionales.

El agujero de gusano en este experimento es una esfera de diferentes capas: una capa externa con una superficie ferromagnética, una segunda capa interior, hecha de material superconductor, y una hoja ferromagnética enrollada en un cilindro que atraviesa la esfera de un extremo al otro. La esfera está hecha de tal manera que sea magnéticamente indetectable —invisible, en términos de campo magnético— desde el exterior.

El agujero de gusano magnético es una análogo de los gravitacionales, ya que «cambia la topología del espacio, como si la región interna hubiese sidoborrada magnéticamente del espacio», explica Àlvar Sánchez, investigador principal.

 

 

Estos mismos investigadores ya habían construido una fibra magnética en 2014: un dispositivo capaz de transportar el campo magnético de un extremo al otro. Sin embargo, esta fibra era detectable magnéticamente. El agujero de gusano desarrollado ahora, sin embargo, es un dispositivo completamente tridimensional que es indetectable por cualquier campo magnético.

Esto significa un paso adelante hacia posibles aplicaciones en las que se utilicen campos magnéticos: en medicina, por ejemplo. Esta tecnología podría, por ejemplo, aumentar el confort de los pacientes alejándolos de los detectores al otenerse imágenes por resonancia magnética en el hospital, o permitir que se obtengan de forma simultánea imágenes de resonancia magnética de diferentes partes del cuerpo.

Fuente: From Quasars to Quarks. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Hoja artificial aprovecha la luz solar para la producción eficiente de combustible

La generación y almacenamiento de energía renovable, como la solar o la eólica, es una tema clave para lograr una economía basada en una producción de energía limpia, como lo es la lograda por la división del agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía de los rayos solares

Cuando se estableció en Caltech y sus instituciones asociadas el Centro Conjunto para Fotosíntesis Artificial (JCAP) en el año 2010, el Centro de Innovación de Energía del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) tenía un objetivo principal: un método rentable de producción de combustibles utilizando sólo la luz del sol, agua y dióxido de carbono, imitando el proceso natural de fotosíntesis en las plantas y almacenar energía en forma de combustibles químicos para utilizarlos bajo demanda. En los últimos cinco años, los investigadores de JCAP han hecho importantes avances hacia este objetivo, y ahora informan el desarrollo del primer sistema de energía solar completo, eficiente, seguro e integrado para dividir el agua y crear hidrógeno combustible.

«Este resultado fue un hito del proyecto en los cinco años de JCAP en su conjunto, y no sólo hemos logrado este objetivo, también lo alcanzamos a tiempo y dentro del presupuesto», dice Nate Lewis de Caltech, profesor de química y director científico de JCAP.

El nuevo sistema de generación de combustible solar, u hoja artificial, se describe en la edición del 24 de agosto en línea de la revista Energía y Ciencias Ambientales (Energy and Environmental Science). El trabajo fue realizado por investigadores en los laboratorios de Lewis y Harry Atwater, director de JCAP y catedrático Howard Hughes de Física Aplicada y Ciencias de los Materiales.

«Este logro se basó en los conocimientos, las ideas y las capacidades de JCAP, que ilustra lo que se puede en un esfuerzo de escala central por un equipo integrado», dice Atwater. «El dispositivo informado aquí surgió de un esfuerzo a gran escala de varios años para definir los componentes del diseño y los materiales necesarios para un generador integrado de combustibles solares.»

El nuevo sistema consta de tres componentes principales: dos electrodos —un fotoánodo y un fotocátodo— y una membrana. El fotoánodo utiliza la luz solar para oxidar las moléculas de agua, generando protones y electrones, así como oxígeno. El fotocátodo recombina los protones y los electrones para formar hidrógeno. Una parte clave del diseño de JCAP es la membrana de plástico, que mantiene los gases oxígeno e hidrógeno separados. Si se permite que los dos gases se mezclen y se encienden por accidente, puede ocurrir una explosión; la membrana permite que el combustible de hidrógeno se recoja por separado bajo presión y con seguridad, empujado hacia una tubería.

Los semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio absorben la luz de manera eficiente, y por lo tanto se utilizan en los paneles solares. Sin embargo, estos materiales también se oxidan en la superficie cuando se exponen al agua, por lo que no pueden utilizarse para generar combustible directamente. Un gran avance que permitió el desarrollo del sistema integrado fue el trabajo previo en el laboratorio de Lewis, que mostró que agregando una capa de nanómetros de espesor de dióxido de titanio (TiO2) —un material que se encuentra en la pintura blanca y muchas pastas de dientes y protectores solares— en los electrodos podrían evitar la corrosión, al tiempo que permite que la luz y los electrones pasen a través. El nuevo sistema completo de generación de combustible solar desarrollado por Lewis y sus colegas utiliza una capa de TiO2 de 62,5 nanómetros de espesor para prevenir eficazmente la corrosión y mejorar la estabilidad de un fotoelectrodo basado arseniuro de galio.

Otro avance importante es el uso de catalizadores activos económicos para la producción de combustible. El fotoánodo requiere un catalizador para impulsar la reacción esencial de la división del agua. Metales raros y caros como el platino pueden servir como catalizadores eficaces, pero en su trabajo el equipo descubrió que podía crear un catalizador activo mucho más barato agregando una capa de níquel de 2 nanómetros de espesor a la superficie del TiO2. Este catalizador es uno de los catalizadores más activos conocidos para dividir moléculas de agua en oxígeno, protones y electrones, y es clave para la alta eficiencia mostrada por el dispositivo.

El fotoánodo se creó sobre un fotocátodo, que también contiene un catalizador de níquel-molibdeno de bajo costo altamente activo, para crear un material único plenamente integrado que sirve como un completo sistema de división de agua con energía solar.

Un componente crítico que contribuye a la eficiencia y seguridad del nuevo sistema es la membrana de plástico especial que separa los gases y evita la posibilidad de una explosión, Si bien permite que los iones fluyan a la perfección para completar el circuito eléctrico en la célula. Todos los componentes son estables bajo las mismas condiciones y trabajan juntos para producir un sistema totalmente integrado de alto rendimiento. El sistema de demostración tiene aproximadamente un centímetro cuadrado de superficie, convierte 10 por ciento de la energía de la luz solar en energía almacenada en combustible químico, y puede funcionar durante más de 40 horas en forma continua.

«Este nuevo sistema rompe todos los récords de seguridad, rendimiento y estabilidad combinados en la tecnología de hoja artificial por factores de 5 a 10 o más», dice Lewis.

«Nuestro trabajo demuestra que sí es posible producir combustibles a partir de la luz solar de manera segura y eficiente en un sistema integrado con componentes de bajo costo», añade Lewis. «Por supuesto, aún tenemos trabajo por hacer para extender la vida útil del sistema y desarrollar métodos para fabricar sistemas completos en forma rentable, el cual está en curso».

Debido a que el trabajo ensambla diversos componentes que fueron desarrollados por varios equipos dentro del JCAP, el coautor Chengxiang Xiang, quien es co-líder de la creación de prototipos en JCAP y la ampliación del proyecto, dice que el resultado final exitoso fue un esfuerzo de colaboración. «La investigación y el desarrollo de JCAP en el diseño de dispositivos, la simulación y el descubrimiento de materiales, y la integración de todo llevaron a este nuevo dispositivo», afirma Xiang.

 

 

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Estos resultados se han publicado en un artículo titulado «A monolithically integrated, intrinsically safe, 10% efficient, solar-driven water-splitting system based on active, stable earth-abundant electrocatalysts in conjunction with tandem III-V light absorbers protected by amorphous TiO2 films«. Además de Lewis, Atwater y Xiang, otros coautores de Caltech son el estudiante graduado Erik Verlage, los académicos posdoctorales Shu y Hu Ke Sun, el ingeniero de investigación Rui Liu de procesamiento e integración de materiales, y el ingeniero mecánico Ryan Jones de JCAP. El financiamiento fue proporcionado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Gordon y Betty Moore.

Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Opiáceos a partir de la levadura del pan

Un trabajo, fruto de la manipulación genética sobre una cepa de levadura, abre la puerta a producir de forma más rápida fármacos similares a la morfina

No se trata de un método sencillo, que se pueda hacer en casa con un poco de levadura. Lo que han logrado investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) es fruto de la manipulación genética, de años de investigación y de un amplio conocimiento en biología sintética. Sin embargo, este trabajo abre la puerta a la producción en un laboratorio de fármacos similares a la morfina con un método mucho más rápido a la manera tradicional de obtener los fármacos opiáceos.

La elaboración de fármacos a partir de microorganismos no es un tema nuevo. El ejemplo más evidente es el de los antibióticos, producidos a partir de bacterias u otros seres vivos. También, fruto de la biología sintética es el desarrollo, a partir de la modificación de una cepa de levadura, de la Artemisina semisintética, que asegurará un flujo homogéneo en la lucha contra la malaria.

Lo que la biología sintética puede aportar en el terreno de los opiáceos es hacer un método más rápido, y exento de las limitaciones climatológicas, de producir estos analgésicos y anestésicos. El opio es una droga que se extrae de la adormidera o Papaver somniferum, una planta cuyas cápsulas inmaduras contienen una savia que, al secarse, se convierte en una resina oscura que contiene alcaloides. Los principales alcaloides son la morfina, la codeína, tebaína, papaverina y noscapina. La codeína es, a su vez, la sustancia inicial para la obtención de otros alcaloides semisintéticos, como la hidrocodona. La tebaína, aunque no se utiliza con fines terapéuticos, es el alcaloide inicial para la fabricación de otros opiáceos como la oxicodona.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) clasifica estos compuestos como medicinas esenciales debido a su uso para tratar el dolor intenso y en el manejo de pacientes paliativos. En muchos países en vías de desarrollo, existe una escasez de estos fármacos. Según cifras de la OMS, unos 5.500 millones de personas tienen «bajo o inexistente acceso a tratamientos para el dolor moderado o intenso».

La explicación podría estar en la forma de obtener estos medicamentos ya que es necesario cultivar la adormidera, un proceso que es susceptible a numerosos problemas como plagas, enfermedades, alteraciones climatológicas que pueden mermar la producción industrial y dar lugar a desabastecimientos en algunos países. Cada año, se cultivan aproximadamente unas 100.000 hectáreas de opio con las que se obtienen unas 800 toneladas de opiáceos.

Adición de genes a las levaduras

Ante la carencia de estos analgésicos en muchos países, lograr un método más rápido de producción podría ser una buena alternativa a los cultivos de adormidera. Eso es lo que propone el grupo que lidera Christina Smolke, profesora asociada de Bioingeniería en Stanford. «Cuando empezamos a trabajar hace una década, muchos expertos pensaron que sería imposible diseñar levaduras para reemplazar todo el proceso de la granja a la fábrica. Sin embargo, ahora han podido ofrecer una prueba de concepto, es decir, un experimento en el que demuestran que las levaduras como la del pan se pueden modificar genéticamente para que den lugar a ciertos opiáceos, y en sólo unos días.

No obstante, no se puede hablar todavía de una revolución en marcha sino del inicio de algo prometedor. El método desarrollado por estos investigadores necesita unos 16.600 litros de levadura para producir una dosis única de opiáceos. «Esto es solo el comienzo», ha explicado en un comunicado Smolke. «La técnica la hemos desarrollado y hemos demostrado que los analgésicos opiáceos pueden adaptarse para producir muchos compuestos derivados de plantas para combatir el cáncer, las enfermedades infecciosas y las crónicas como la hipertensión y la artritis».

Lo que estos investigadores han hecho es transformar las levaduras para alterar su genoma y obligarlas a sintetizar ciertas sustancias al igual que se ha hecho con la artemisina. Sin embargo, la manipulación para obtener sustancias opiáceas requiere un trabajo más complejo ya que, tal y como informa el trabajo, si para obtener artemisina sintética se requirió añadir seis genes a la levadura, en el caso de los opiáceos, se ha necesitado añadir 23 genes. «Esta es la síntesis más complicada que hasta ahora se ha hecho con levaduras», ha señalado Smolke.

Lo que se persigue al añadir esos genes es que produzcan enzimas que fuerzan a la célula a transformar el azúcar en hidrocodona (una sustancia opiácea). Con otra cepa de levadura, el equipo ha logrado transformar el azúcar en tebaína, un alcaloide similar a la morfina.

Santiago Cuéllar, responsable del departamento de Acción Profesional del Consejo General de Colegios Farmacéuticos, insiste en que el desarrollo llevado a cabo por los investigadores de Standford es un logro desde un punto de vista científico «pero no una revolución. Hay alternativas que ellos no han contemplado en este artículo y que podrían ser útiles para la fabricación de fármacos».

Entre otras, este experto destaca los trabajos que se están realizando con otras técnicas como «la columna de cromatografía de síntesis o la química seca, que son procedimientos útiles para sintetizar moléculas no muy grandes sin usar diluyentes. Pero hay muchos otros».

 

 

El trabajo de Smolke ofrece una ventaja sobre el método actual de fabricación de opiáceos, destaca Cuéllar, y es que «ahora mismo la fuente principal de obtención de estas sustancias proceden del cultivo del opinio en zonas reguladas como Turquía. Se trata de una fuente natural sujeta a limitaciones varias como las climatológicas, conflictos de guerra, etc. La elaboración de opiáceos a partir de modificación de levaduras asegura la producción.

No obstante, este artículo describe una prueba de concepto, estamos en los inicios de esta vía para fabricar opiaceos. Ahora hay que llevar a cabo todo el proceso de desarrollo industrial, que es largo y costoso. Pero, si esto fuera una realidad, este procedimiento abarataría costes, se podría controlar la producción y aceleraría la fabricación».

Fuente: El Mundo. Aportado por Eduardo J. Carletti

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