miércoles, 27 de mayo de 2015

Araña "Skeletor"

En septiembre de 2013, la estudiante recién graduada de la Universidad de Berkley en California Madeline Girard, descubrió cinco machos de una especie hasta ahora desconocida de la araña de pavo real en el parque nacional Wondul Range en Queensland, Australia.

Por su apariencia esquelética, esta singular araña le recordó al enemigo de He-Man, el famoso Skeletor antagonista de la serie televisiva por ello la bautizó como “Skeletorus”

La Skeletorus, oficialmente fue llamada “Maratus Sceletus”, y llamó la atención de los especialistas por presentar unas rayas blancas sobre un fondo negro, que se asemeja a una persona que lleva un traje de esqueleto, y una pequeña marca azul cerca de su abdomen.

El estilo blanco y negro de Skeletorus es muy diferente de todas las demás especies conocidas de las arañas pavo real. Con este hallazgo, los especialistas se dieron cuenta que el grupo es más diverso de lo que creían.

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jueves, 21 de mayo de 2015

Células de silicio que captan la radiación infrarroja del Sol

Un equipo de científicos liderado por el profesor de investigación del CSIC Francisco Meseguer, de la Unidad Asociada del Instituto de Ciencia de los Materiales en Madrid en la Universidad Politécnica de Valencia (UPV), ha creado una célula fotovoltaica de silicio capaz de transformar en electricidad la radiación infrarroja. El trabajo aparece publicado esta semana en la revista Nature Communications.

El profesor Meseguer, explica que han desarrollado "un nuevo concepto de célula solar de silicio capaz también de captar y transformar en electricidad la radiación infrarroja del sol”. El investigador del CSIC y de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), Moisés Garín, añade que han creado "células fotovoltaicas sobre microcavidades esféricas de silicio donde la luz infrarroja queda atrapada dando vueltas en su interior hasta que es transformada en electricidad”.

El Sol es una fuente inagotable de energía que de ser bien explotada podría solucionar muchos de los problemas energéticos actuales. El dispositivo capaz de realizar la conversión de luz solar en electricidad es la célula fotovoltaica, comúnmente conocida como célula solar.

Reducir el coste y aumentar la eficiencia
Pero existen diversos obstáculos que impiden una mayor generalización de su uso, entre ellos un coste relativamente alto (del orden de 20 céntimos de euro por vatio producido) y una eficiencia baja, por debajo del 17 por ciento. Esto quiere decir que de cada vatio que recibimos del Sol, sólo a aprovechamos una pequeña parte, los 0,17 vatios que corresponden al espectro visible.

El motivo de la baja eficiencia de las células fotovoltaicas convencionales reside en que los materiales básicos para su fabricación, como el silicio, son baratos de producir, pero sólo pueden absorber y aprovechar una pequeña parte del espectro solar. El resto de la radiación solar, que corresponde a la zona infrarroja, no es aprovechada y se pierde.

El nuevo trabajo, en el que también han participado otros grupos del CSIC, la UPV, la UPC y la Universidad Rovira i Virgili de Tarragona, supone un nuevo enfoque científico para poder desarrollar en el futuro células fotovoltaicas de alto rendimiento.

miércoles, 20 de mayo de 2015

Guía de estudio para Final de Biología

Las personas que ya estan calculando estar en examen final aqui está la guía, habrá sesiones de ayuda, asesoría y resolución de preguntas en el horario habitual de clases, si hay poca gente se concentrará un horario único. mantenganse al pendiente para cualquier cambio de horario y escenario.
Suerte!

Fósiles: Ambar (1)

Las venas de sus brazos delatan parte de su biografía. Parecen ríos caudalosos entubados, a punto de reventar. Son las venas de brazos acostumbrados a cargar, a trabajar con pico y pala, a golpear cerros hasta que se desmoronan como un mazapán. Eso hace Serafín desde hace 10 años. Como un topo, se mete en las entrañas de los cerros de Simojovel, en Chiapas; golpea su interior y los desbarata para hallar en la roca cicatrices de tonalidad café. Esas líneas son la señal de que ahí está aquello que busca: una resina fósil formada hace más de 23 millones de años.

Mucho, pero mucho tiempo después de que se creara, los hombres la llamaron ámbar.

Hoy esta resina fósil es la razón por la que Simojovel es conocido fuera de Chiapas. Es lo que a Serafín le permite dar de comer a sus seis hijos. Es una máquina del tiempo que entusiasma a los paleontólogos y es lo que buscan con ahínco los chinos.

Aún no es el mediodía y Serafín lleva más de tres horas pegándole al cerro. Trabaja con el torso desnudo, pantalones deportivos y una lámpara en la frente que funciona gracias a un rústico sistema: tres pilas tipo D amarradas con una agujeta a su cintura y conectadas a un trozo de cable eléctrico.

—Antes se trabajaba con pura vela. Ahora ya usamos lámpara –explica este hombre que no deja de golpear ni de sudar por los más de 30 grados que se sienten dentro del cerro.

La luz de su lámpara es discreta, insuficiente para mirar con claridad la textura de la pared que rompe y que está al final del angosto túnel de unos 15 metros de largo y no más de metro y medio de alto. Sin una mirada entrenada, capaz de enfocar los pequeños detalles, pero sobre todo acostumbrada a la oscuridad, es casi imposible encontrar ámbar.

—Lo más difícil de trabajar aquí es sacar el miedo —dice Serafín, sin dejar de remover las entrañas del cerro.

—¿El miedo a un derrumbe?
—¿A que se caiga el cerro? No, a eso no. El miedo a lo oscuro.

Ese ámbar por el que Serafín reta a la oscuridad se formó gracias a la resina que supuró una planta que ya no existe. Un árbol que se extinguió hace muchos años, pero que podemos imaginar cómo era, porque aún quedan parientes cercanos.

Uno de ellos se levanta orgulloso a unos pasos del cerro donde Serafín está metido. Su nombre científico es Hymenaea courbaril. Su nombre común: guapinol. Es un árbol de más de 15 metros. La sombra que producen sus largas ramas, repletas de hojas, es un alivio en este día soleado.

Conexión África
Paleobotánicos mexicanos —entre ellos Sergio Cevallos y Laura Calvillo, ambos investigadores del Instituto de Geología de la UNAM y autores del libro Ámbar, recinto de vida, resguardo de biodiversidad— han estudiado las hojas, flores y polen capturado en algunas piezas de ámbar de Simojovel, Chiapas. Sus estudios —sobre todo los realizados por Calvillo— muestran que hace más de 23 millones de años había dos tipos de Hymenaea en estas tierras: la mexicana y la allendis, las dos ya se extinguieron, pero la última está más emparentada con las especies que se originaron —y crecen aún— en África.


El ámbar nos da herramientas para entender lo que sucedió, cómo se ha dado la dispersión de plantas, qué seres vivos se han extinguido, qué plantas había en el pasado de México. Es una ventana al pasado”, explica Laura Calvillo.

Gracias al estudio del ámbar y de otros fósiles, los científicos pueden tener indicios de cómo lucía, hace más de 23 millones de años, el territorio que hoy llamamos Chiapas. Había grandes bosques de Hymenaea. Hoy —dice Cevallos— Simojovel está a 600 metros sobre el nivel del mar, pero en el pasado estaba a nivel del mar. El ámbar —como todos los fósiles— nos recuerda que nuestro planeta está cambiando todo el tiempo.

Soñar con fósiles
Se dicen muchas cosas del ámbar. Para algunos indígenas de Chiapas (tzotziles, tzetzales y zoques), es un amuleto que protege a los niños más pequeños. Hay quien piensa que si una pieza se rompe, sin explicación aparente, es porque protegió a su dueño de la “mala vibra”. También se cuenta que los mineros sueñan con el lugar justo donde deben buscar para encontrarlo.

Serafín nunca ha soñado con “el lugar”. Él, como muchos otros mineros, busca el ámbar en una mina rentada. Cada mes paga 2,500 pesos para poder extraer la resina fosilizada.

En Simojovel, las minas de ámbar son ejidales o comunitarias. Patricia Díaz Ruiz, coordinadora de Turismo del municipio, asegura que entre 600 y 700 personas, de 10 comunidades, se dedican a la minería de ámbar y que existen alrededor de 100 minas, cuyos túneles pueden medir de 2 a 200 metros de profundidad y entre 1 y 1.60 metros de alto.

Cuando Serafín encuentra la veta del ámbar, excava alrededor con tiento. Un golpe propinado en un lugar incorrecto puede romper una pieza grande y devaluar su precio.

Serafín deja de golpear y toma unos pedacitos del ámbar que guarda en un rincón de la mina:

—Estos chiquitos se venden a dos o a tres pesos el gramo. Está barata porque está un poco manchada. Tiene que estar clarita, clarita, para que se venda mejor… Si está clarita, una pieza la puedo vender a 300; si yo la pulo, me pueden dar hasta 1,000 pesos. En el pueblo (Simojovel) nos engañan mucho con el precio. Hay unos que nos compran las piezas y las venden mucho más caro a los extranjeros. Son ellos los que ganan. Esa inconformidad tenemos, que el coyote lo compra barato, nos paga poco.

En otro rincón de la mina, Serafín guarda las piezas más grandes que ha encontrado hoy.

—Estas las tengo que trabajar (pulir), porque a veces traen insecto y pagan más. Si trae insecto, es otro precio.
—¿Cuánto pagan?
—Dependiendo de los insectos que traiga. Lo más caro es el insecto raro, lo más raro. El otro día me encontré un grillito y una hojita. En otro había una termita. Esas las doy a 500 pesos cada pieza.

Mosquitos y camarones
Para Serafín son la posibilidad de tener unos pesos más para aliviar alguna de las tantas necesidades que hay en su casa. Para los científicos, todo aquel rastro de vida que se encuentre atrapado en el ámbar es algo así como un tesoro, es la posibilidad de poder identificar una especie ya extinta y nueva para la ciencia, es la oportunidad de tener más datos sobre el pasado, sobre la historia de la vida en la Tierra.

En el ámbar puedes encontrar seres que vivieron hace más de 20 millones de años y que pareciera que acaban de ser incrustados en la resina —cuenta Gerardo Carbot Chanona, curador de la colección paleontológica de Chiapas—. Puedes observar interacciones ecológicas, como una araña cazando a un insecto. Hay reportes de telarañas o de parásitos de insectos. Con el ámbar se pueden hacer estudios que no es posible realizar con otros fósiles”.

Marco Antonio Coutiño, director del Museo de Paleontología del estado, agrega: “Hemos identificado insectos que vivieron en esta región y que ahora ya no están aquí. Por ejemplo, hay un género de termita que se encontró en el ámbar de Chiapas y que actualmente solo se encuentra viva en Australia”.

En el ámbar de Chiapas —cuenta Carbot Chanona— se han identificado cerca de 290 tipos de artrópodos, entre los que se cuentan ciempiés, ácaros, arañas e insectos; además de plantas, como la Hymenaea allendis. También se halló a una de las pocas ranas que existe en el mundo fosilizadas en ámbar y muchos organismos acuáticos, como ostrácodos y anfípodos.

—¿Por qué hay crustáceos en el ámbar de Chiapas?
—Hay muchos elementos que nos hacen pensar que la resina de los bosques de Hymenaea caía en cuerpos de agua, en esteros. Poco a poco están saliendo claves de que había cavernas en donde escurría el agua y la resina —explica Francisco Vega, especialista en crustáceos fósiles e investigador del Instituto de Geología de la UNAM.

En su cubículo, ubicado en Ciudad Universitaria, Vega muestra fotografías de algunos de los 60 ejemplares de organismos acuáticos que ha identificado en el ámbar de Chiapas —todos ellos estudiados por Lourdes Serrano, como parte de su tesis de doctorado—, entre los que se encuentran un milimétrico cangrejo, extremadamente raro como inclusión en ámbar.

—El ámbar es el método de fosilización más cercano a tener el organismo vivo. Además de permitirnos tener información para saber si es una especie nueva o no, también otorga elementos sobre el clima y los ecosistemas que existían. Desde el punto de vista evolutivo, nos brinda datos sobre qué especies han logrado sobrevivir durante 23 millones de años y por qué otras no lo hicieron —reflexiona Vega.

Hace tiempo, los científicos no tenían muchos problemas para adquirir piezas de ámbar con inclusiones (restos de organismos). Eso cambió, sobre todo cuando muchos extranjeros comenzaron a interesarse en comprar ámbar.

—A mí me han escrito chinos pidiéndome que les ayude a conseguir ámbar. Ahora, el ámbar se vende al mejor postor y ahí los investigadores mexicanos salimos perdiendo, porque no podemos pagar piezas que llegan a costar hasta 100,000 pesos —lamenta Vega.

El problema de los altos costos del ámbar —menciona Gerardo Carbot— es que muchas piezas con valor científico terminan en colecciones privadas y eso hace más difícil su estudio.

El alto costo de la resina fósil, sobre todo aquella que tiene inclusiones, ha propiciado la existencia de un mercado de falsificación de ámbar. Incluso, los investigadores comentan que se venden piezas falsas con supuestas inclusiones de insectos u otros animales.

Guía de estudio para Final de Temas



Las persona que ya están calculando hacer el examen final de Temas Selectos de biología aquí está la guía de estudio, las asesorías serán en los horarios habituales de clase, pero estén al pendiente para cualquier cambio de horario u escenario.

Suerte!!!

martes, 19 de mayo de 2015

Los biocombustibles (2)

La crisis alimentaria
Desde hace algunos años el mundo atraviesa una crisis alimentaria por el aumento de precios de alimentos básicos como el maíz, el arroz y el trigo. Entre las causas de esta crisis se encuentra la demanda de tierras y productos para la producción de biocombustibles. Según la Organización de las Naciones Unidas (ONU), la oferta alimentaria de granos se ha reducido y los precios de los alimentos han aumentado debido en parte a que países como Brasil y Estados Unidos usan grandes extensiones para cultivar la materia prima de los biocombustibles en lugar de alimentos. Este fenómeno afecta a los grupos humanos más vulnerables del planeta.

Según predicciones de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE), si se utilizara etanol para producir el 10% de los combustibles empleados en el transporte en Estados Unidos, se requeriría que el 30% de la superficie agrícola de ese país se dedicara al cultivo de materias primas; un porcentaje que en el caso de la Unión Europea ascendería al 72% de la superficie arable; a nivel mundial esta cifra sería del 9%. Es probable que los países desarrollados promuevan cultivos para biocombustibles fuera de sus territorios para después comprarlos, y no enfrentar así las consecuencias ambientales ni sociales de su producción.

Finalmente, debe hacerse notar que el uso de biocombustibles está asociado con los intereses de grandes empresas que tienen una enorme oportunidad de crecer y enriquecerse con su producción y comercialización. La organización Grain —un organismo no gubernamental que promueve el uso sustentable de la diversidad agrícola—, sostiene que estas empresas pretenden “reemplazar millones de hectáreas de sistemas agrícolas locales y a las comunidades rurales que trabajan en ellos, erradicando los sistemas indígenas de cultivo y pastoreo para sustituirlos con grandes plantaciones de monocultivo e ingeniería genética, en las que las empresas multinacionales tengan el control”.

La alternativa parece ser entonces no producir biocombustibles a partir de alimentos, sino con desechos de industrias como la forestal, la agrícola y la papelera. Estos biocombustibles, que se hacen con celulosa, madera de desecho o algas cultivadas, llamados de segunda generación, pueden ser una mejor opción porque no requieren grandes superficies de cultivo. Su uso permitiría además manejar los desechos de manera adecuada y no competir con la industria alimentaria. En México ya se desarrollan proyectos para producir biocombustibles a partir de desechos orgánicos, como cáscaras de frutas o aceite quemado.

También existen los biocombustibles de tercera y cuarta generaciones, que buscan aumentar la cantidad o calidad de la materia prima usando organismos genéticamente modificados (transgénicos).

Por ejemplo, la compañía estadounidense ArborGen desarrolla árboles con menor cantidad de lignina

(compuesto resistente, que da el carácter leñoso) y mayor cantidad de celulosa, lo cual reduce los costos de pretratamiento y aumenta la producción de biocombustibles. Otras modificaciones genéticas buscan aumentar la capacidad de las plantas de captar CO2. Aunque estas nuevas generaciones de biocombustibles podrían tener mejores rendimientos energéticos comparados con los de primera y segunda generaciones, los organismos genéticamente modificados conllevan amenazas ambientales que aún no han sido debidamente valoradas, además de que persiste el problema de utilizar tierras de cultivo de alimentos para sembrar la materia prima.

Usar formas alternativas de producción de energía puede ser una opción más limpia y eficiente (véase “Un rayo de Sol, un soplo de viento”, ¿Cómo ves?, No.121). Una de estas fuentes es el viento. La energía eólica es renovable, gratuita y limpia. Tiene algunos inconvenientes, por ejemplo, que los molinos de viento alteran el paisaje con su tamaño y su número, pues tienen que ser cuantiosos para producir suficiente energía y pueden afectar a las poblaciones de aves migratorias. Sin embargo, los beneficios tecnológicos, sociales, y económicos asociados con su uso, además de la reducción de las emisiones de carbono, hacen de la energía eólica una buena opción para sustituir a los combustibles fósiles.

Otra fuente de energía alternativa es la solar. Hay diversas tecnologías que permiten aprovecharla, en especial las celdas de semiconductores que se activan con la radiación solar (celdas fotoeléctricas) y producen electricidad. Al igual que la energía eólica, la solar es autónoma y descentralizada, pues proviene de una fuente gratuita e inagotable y puede obtenerse en prácticamente cualquier sitio, aunque es más eficiente en zonas calurosas con baja nubosidad, como los desiertos. En conjunto estas energías verdes y los biocombustibles pueden disminuir en gran medida nuestra dependencia de los combustibles fósiles.

Los biocombustibles podrían ser una buena alternativa si se lograra producirlos sin emplear combustibles fósiles. Hasta ahora, debido a que se producen a partir de cultivos agrícolas, lejos de representar una alternativa sustentable, son una fuente de problemas ambientales, sociales, políticos y económicos más graves que los que resultan de usar combustibles fósiles.




Adiós al petróleo

Actualmente, el 84% del consumo total mundial de energía primaria proviene de los combustibles fósiles, como el petróleo y el carbón mineral. El impacto ambiental causado por este uso, tan intensivo y prolongado, junto con la caída en las reservas de hidrocarburos, ha impulsado la búsqueda de tecnologías más eficientes, más limpias y que no dependan del petróleo.

Las reservas probadas de petróleo en el mundo se reducen. Además la extracción se complica en zonas productoras importantes por conflictos políticos. Aunque a mediados de los años 60 se alcanzó un récord en el número de ya- cimientos petroleros descubiertos, poco después se produjo una caída que se ha acentuado con el tiempo. En el año 2000 se descubrieron pocos yacimientos y las estimaciones pronostican aún menos en el futuro próximo. Al mismo tiempo, la demanda crece. Para el periodo 2002- 2025 se ha calculado un incremento en esa demanda de 57% entre 2002 y 2025. Estas circunstancias han fomentado las investigaciones encaminadas a aprovechar otras fuentes de energía.

Pez luna; el pez de sangre caliente


Con un tamaño similar a la de un gran neumático, el pez luna real (Lampris guttatus) habita en todos los océanos del mundo a más de 45 metros de profundidad en frías y oscuras aguas, en las que se mueve agitando rápidamente sus aletas pectorales. Los peces que nadan en estas aguas deberían ser lentos e inactivos para conservar su energía y tender emboscadas a sus presas en lugar de perseguirlas.

Un equipo de científicos de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA, por sus siglas en inglés) revela que el pez luna real calienta su cuerpo entero con el aleteo constante, acelerando su metabolismo, sus movimientos y sus tiempos de reacción. Para los investigadores se trata del primer pez con sangre caliente circulando por todo su cuerpo, como ocurre con mamíferos y aves.

“El hecho de descubrir un pez capaz de calentarse a pesar de la temperatura de su medio cambia nuestra manera de pensar sobre la habilidad de los peces y otros organismos para mantener el calor en sus cuerpos”, señala a Sinc Nicholas Wegner, biólogo en el Southwest Fisheries Science Center de la NOAA y autor principal del estudio que publica Science. Según Wegner, Lampris guttatus aumenta principalmente la temperatura de su cuerpo a través del constante aleteo de sus aletas pectorales.

“Los músculos usados para mover estas aletas generan calor”, indica el investigador estadounidense, quien añade que este pez posee unos vasos sanguíneos especializados en sus branquias que forman intercambiadores de calor a contracorriente que minimizan la pérdida de este calor al agua cuando el pez respira.


El científico se percató de que el diseño del tejido de las agallas era inusual. El pez luna real logra calentarse gracias a la presencia de una red de vasos sanguíneos sumamente compactos, que usa la sangre de las venas una vez caliente tras el funcionamiento muscular para aumentar la temperatura de la sangre arterial oxigenada en las agallas.
Este mecanismo, apilado en capas que intercambian calor y a su vez aislado con tejido conectivo graso dentro de los arcos de las agallas, protege así al sistema contra la pérdida de calor. Equipado con un corazón y cerebro calientes, el pez puede desplazarse por aguas frías y profundas de forma semejante a la de los depredadores muy eficientes, como el atún.
El pez ve mejor y nada más rápidoEl equipo de investigación recogió los datos de las temperaturas del pez luna real capturado durante el estudio. Los resultados revelan que las temperaturas del cuerpo del pez estaban de manera regular más calientes que las de las aguas de su entorno.

Además, la monitorización de la temperatura durante la sumersión del pez demostró que el calor se mantenía, incluso si la temperatura del agua descendía bruscamente. Según el trabajo, el pez tenía de media una temperatura muscular de unos 5 ºC por encima de las aguas mientras nadaba de 45 a 300 metros de profundidad.

Una de las ventajas del calentamiento constante del pez se aprecia en una mejora de su rendimiento. “Una región craneal caliente le permite incrementar las tasas de reacción y la resolución visual. Esto es importante cuando estos peces buscan comida en las frías y profundas aguas, donde pasan la mayoría de su tiempo”, recalca Wegner.Muy pocos peces son capaces de calentar ciertas partes de cuerpo, como la musculatura o el cerebro y los ojos. Es el caso del atún, el pez espada o algunos tiburones que usan estas adaptaciones para sumergirse en frías aguas y cazar presas. “Sin embargo, estos peces tienen que volver a la superficie para calentar el resto de su cuerpo, incluido el corazón, que queda a temperatura ambiente”, subraya el biólogo.

El pez luna real es el único pez conocido capaz de mantener su corazón caliente para mantenerse en las profundidades evitando así los viajes regulares hasta la superficie para calentarse. Al poder calentar todo su cuerpo, el pez se convierte en un predador muy activo que caza presas ágiles como los calamares. Además, puede migrar durante largas distancias.

“Este tipo de hallazgos nos permiten entender el papel que desempeñan diferentes especies en el medio marino, y cómo sus adaptaciones fisiológicas únicas les ayudan a sobrevivir”, concluye Wegner.

Vida de silicio


La vida, tal como la conocemos, está compuesta de derivados de hidrocarburos en agua.

¿Puede la vida estar compuesta de otra cosa? ¿Existen otros tipos de moléculas que proporcionen la complejidad y versatilidad de la vida, algo distinto del agua que proporcione, sin embargo, las propiedades poco usuales, pero necesarias, que sirven como trasfondo de la vida?

¿Es posible concebir algo parecido al agua que pudiera sustituirla? Las propiedades del, amoníaco líquido son las más afines o las del agua. En un planeta más frío que la Tierra, por ejemplo, Júpiter, donde el amoníaco abunda en estado líquido mientras que el agua está solidificada, puede que sea concebible una vida basada en el amoníaco.

Por otro lado, hay que decir que si el hidrógeno va unido a tantos puntos de la cadena del carbono, es porque es un átomo muy pequeño que se acopla en cualquier lugar. El átomo de flúor es parecido al de hidrógeno en algunos aspectos y casi tan pequeño como él. Así, pues, igual que tenemos una química de los hidrocarburos podemos tener una química de los fluorcarburos, con la única salvedad de que éstos son mucho más estables que aquellos. Quizá en un planeta más caliente que la Tierra podría concebirse una vida a base de fluorcarburos.

Pero ¿y en cuanto al átomo de carbono? ¿Existe algún sustituto? El carbono puede unirse a un máximo de cuatro átomos diferentes (que pueden ser también de carbono) en cuatro direcciones distintas, y es tan pequeño que los átomos de carbono vecinos se hallan suficientemente próximos para formar un enlace muy fuerte. Esta característica es la que hace que las cadenas y anillos de carbono sean estables.

El silicio se parece mucho al carbono y también puede unirse a un máximo de cuatro átomos diferentes en cuatro direcciones distintas. El átomo de silicio, sin embargo, es mayor que el de carbono con lo cual las combinaciones sili cio-silicio son menos estables que las de carbono-carbono. La existencia de largas cadenas y anillos de átomos de silicio es mucho más improbable que en el caso del carbono.



Lo que sí es posible son largas y complicadas cadenas de átomos en las que alternen el silicio con el oxígeno. Cada átomo de silicio puede unirse a otros dos átomos o grupos de átomos, y este tipo de moléculas se denominan «siliconas».

A la molécula de silicona pueden ir unidos grupos de hidrocarburos o de fluorcarburos, y estas combinaciones podrían resultar en moléculas suficientemente grandes, delicadas y versátiles como para formar la base de la vida En ese sentido sí que es concebible una vida a base de silicio.

Pero ¿existen realmente esas otras formas de vida en algún lugar del universo? ¿O serán formas de vida basadas en una química completamente extraña, sin ningún punto de semejanza con la nuestra? Quizá nunca lo sepamos.


lunes, 18 de mayo de 2015

Silicio

Continuamos el recorrido por la tabla periódica.

Al tener 14 protones –y por lo tanto, salvo que esté ionizado, 14 electrones–, los electrones ocuparán las siguientes capas: dos en la primera capa, ocho en la segunda y cuatro en la tercera y última.

Puesto que esa capa puede tener, como la anterior, ocho electrones, tenemos un elemento que está exactamente en el medio: dos capas perfectamente llenas y una tercera incompleta pero llena justo hasta la mitad. ¿Está el vaso medio lleno o medio vacío? La respuesta que daría el elemento de hoy si pudieras hacerle esa pregunta sería indudablemente: ¿Cómo desea el señor que esté el vaso? Así de solícito y adaptable es
.

El silicio es un elemento muy abundante en el Universo: ocupa el octavo lugar en la lista en masa. Se produce en estrellas de suficiente tamaño cuando la temperatura y la presión son suficientemente grandes como para que se inicie la fusión del oxígeno: todo el silicio de nuestro Sistema Solar proviene de los
restos de supernovas de generaciones anteriores de estrellas. Nuestro propio Sol no tiene la capacidad de producir silicio mediante la fusión.

Una enorme cantidad de la materia sólida de nuestro sistema estelar es silicio, aunque no puro: al ser un semimetal o metaloide, puede formar enlaces con multitud de elementos según lo que tenga cerca. En los planetas y asteroides del Sistema Solar casi todo el silicio se encuentra unido a oxígeno (formando dióxido de silicio o sílice, SiO2), o bien a oxígeno y diversos metales para formar silicatos como el de aluminio (Al2(SiO4)3). Muchas veces hablamos en astronomía de nubes de gas y polvo: una gran cantidad de ese polvo son gránulos de sílice.

En nuestro propio planeta el silicio está por todas partes: un 27% de la corteza terrestre está hecha de silicio. Si recuerdas la entrada del
oxígeno, aquel elemento constituye un 49% de la corteza, de modo que juntos suponen el 76% de la corteza, ¡las tres cuartas partes! La corteza terrestre es básicamente silicio y oxígeno con algunas otras cosillas mezcladas.

Esto quiere decir, que has visto silicio por todas partes durante toda tu vida. Llevaría mucho tiempo nombrar siquiera un pequeño número de las rocas y materiales comunes que contienen silicio, pero para que te hagas una idea aquí tienes una muestra: la arena, la arcilla, el cuarzo, el ágata, la amatista, el cristal de roca, el feldespato, la mica, el ópalo, el pedernal… todos contienen sílice o silicatos. Fíjate en que los tres componentes del granito (cuarzo, feldespato y mica) tienen todos silicio. La lista de minerales que no contienen silicio no es demasiado larga.

¿Significa esto que hemos conocido la existencia del silicio durante milenios? No, en absoluto. Al ser un elemento tan reactivo, es muy difícil encontrarlo puro en la naturaleza, de modo que hubo que esperar a que alguien consiguiera aislarlo de uno de sus compuestos: alguien con la curiosidad y la habilidad necesarias para lograrlo. Como en tantas otras ocasiones, esto sucedió durante la fiebre de búsqueda de elementos del siglo XIX.

Ya antes, en 1787, el francés Antoine Lavoisier había identificado el silicio como una sustancia (aún no como un elemento) que formaba parte de la sílice. El nombre del elemento proviene precisamente de ahí: “silicio” es “el elemento de la sílice”, que a su vez proviene del latín silex, que aún utilizamos en castellano (sílex) para referirnos al pedernal. En 1800 Humphry Davy estaba convencido de que el silicio era un compuesto, aunque nunca consiguió obtener sus elementos constituyentes…¡porque, naturalmente, no había ninguno!

Aunque en 1811 los franceses Joseph Louis Gay-Lussac y Louis Jacques Thénard probablemente lograron –por la descripción de sus experimentos y las propiedades de las sustancias obtenidas– aislar silicio a partir de tetrafluoruro de silicio, no fueron capaces de identificarlo como elemento. El honor de su descubrimiento como tal pertenece al sueco Jöns Jakob Berzelius, que logró aislarlo e identificarlo en 1823, utilizando un método muy similar al de Gay-Lussac y Thénard.

¡Poco podía sospechar Berzelius lo importante que sería ese polvo de color metálico que había logrado obtener! El silicio tiene propiedades similares a las del carbono (al fin y al cabo tiene el mismo número de electrones en la última capa): al igual que él puede encontrarse en forma amorfa o formar cristales. Eso sí, los cristales de silicio puro no tienen nada que ver con los de carbono: la peculiar geometría y solidez de los enlaces del carbono cristalino no se reproducen en el silicio, de modo que los cristales de silicio no son, ni de lejos, tan resistentes como el diamante.

Sin embargo, a cambio el silicio tiene una ventaja fundamental respecto al carbono: los electrones de la última capa están más lejos del núcleo que los del carbono y, por lo tanto, están menos “atados” al átomo. Por eso, el silicio se comporta de una manera más metálica que el carbono. Si te fijas en esta fotografía de silicio en polvo, ¿podrías distinguirlo de un metal cualquiera?


Pero el silicio no es un metal, aunque posea el brillo metálico debido a la movilidad de sus electrones: sus propiedades eléctricas son mucho más interesantes que las de un metal por su flexibilidad. Su condición de semiconductor es la que lo hace tan útil para nosotros: si se mezcla silicio puro con cantidades muy pequeñas de otros elementos (se dopa) pueden modificarse sus propiedades eléctricas de forma muy precisa.

De hecho, ése es el uso más conocido del silicio: como semiconductor en electrónica. No en vano Silicon Valley tiene ese nombre. Sin embargo, obtener silicio listo para ser usado de ese modo no es tan sencillo – hace falta por un lado una pureza extraordinaria y, por otro, una estructura a escala atómica muy ordenada.

Los primeros sistemas para obtener silicio, aunque sencillos, no permitían una gran pureza (no más de un 98%). Siguen utilizándose hoy en día para producirlo cuando no hace falta que sea muy puro, o para purificarlo posteriormente: se introduce sílice (SiO2) en una caldera con algún tipo de carbono (por ejemplo, carbón) y se calienta hasta casi 2000 °C. El carbono reemplaza entonces al silicio junto al oxígeno, formando dióxido de carbono y liberando el silicio:

SiO2 + C --> Si + CO2

El silicio fundido se va depositando en el fondo de la caldera, se retira y ¡voilá!, se tiene silicio relativamente puro a un precio muy bajo (la sílice y el carbón son baratos, y el proceso no es complicado). Sin embargo, como he dicho antes, este silicio no puede utilizarse aún como semiconductor en electrónica o como parte de un panel solar: aparte de tener impurezas es amorfo, es decir, los átomos de silicio están apelotonados unos contra otros de cualquier manera.

Eso hace que los electrones que se mueven por el silicio lo hagan bastante mal: el silicio no es, al fin y al cabo, un metal, de modo que no conduce demasiado bien. Al ser además amorfo, cuando un electrón empieza a moverse en una dirección determinada se encuentra muy pronto con un átomo de frente, de modo que su movimiento se ve interrumpido. Para lograr un flujo de electrones sin interrupciones hace falta silicio cristalino, en el que los átomos estén ordenados más o menos perfectamente y haya pocos átomos de otros elementos –salvo los que se introduzcan a propósito cuando se dopa, por supuesto, e incluso entonces deben estar en posiciones determinadas–.

Para lograr esto se han utilizado distintos métodos a lo largo del siglo XX. Al principio se utilizaban métodos físicos: cuando el silicio fundido se solidifica, las impurezas ralentizan el proceso, de modo que la parte que se solidifica antes es más pura. Si se solidifica silicio fundido en una barra, por ejemplo, la “corteza” de la barra será más impura que el centro. Si se lima y se descarta la parte más externa, lo que queda (el centro de la barra) tiene mayor pureza. A continuación se puede volver a fundir la barra, solidificarla y “pelar la corteza” de nuevo, etc. Al final se tiene una menor cantidad de silicio, pero de una pureza mayor en cada iteración del proceso.

Hoy en día se emplean, sin embargo, métodos químicos, que son más baratos: aunque parezca extraño, se mezcla el silicio impuro con otros elementos para formar compuestos, como el triclorosilano (HSiCl3 ) que son gases a temperaturas relativamente bajas (de unos 1200 °C). A continuación se cogen barras de silicio y se introducen en el gas: poco a poco, el triclorosilano se va descomponiendo y depositando silicio, átomo a átomo, sobre la barra, que se va haciendo más gruesa. Al depositarse poco a poco, los átomos lo hacen de forma relativamente ordenada, formando pequeños cristales. Este proceso, denominado proceso Siemens, produce silicio de una enorme pureza (una parte entre mil millones no es silicio). El silicio de este tipo, producido por el proceso Siemens y otros diferentes, se denomina silicio policristalino, pues está formado por multitud de pequeños cristales de silicio:


Estos cristales tienen un tamaño de unos nanómetros hasta unas micras, pero eso es suficiente para que sus propiedades eléctricas sean muy diferentes del silicio amorfo: para un electrón, recorrer una micra por un cristal ordenado es un verdadero viaje comparado con el silicio amorfo. El silicio policristalino se usa en paneles solares y electrónica, industrias que consumen enormes cantidades de este elemento.

Eso sí, a veces ni siquiera el silicio policristalino es suficiente: los pasos de un pequeño cristal al siguiente siguen interrumpiendo el flujo de los electrones y modificando las propiedades eléctricas del material. Es posible entonces, si se desea mayor perfección, obtener silicio monocristalino, en el que el bloque entero de silicio es un único cristal perfecto de tamaño macroscópico. Para ello se emplean procesos como el de Czochralski (que también sirve para producir cristales de otros semiconductores, metales e incluso producir gemas artificiales).

En el proceso de Czochralski se utiliza un crisol hecho de cuarzo, en el que se hace una especie de “sopa”: silicio de gran pureza fundido, al que se añaden otros elementos para doparlo, como boro o fósforo dependiendo de qué tipo de semiconductor se quiere obtener. A continuación se introduce en la “sopa”, colgando de un hilo metálico, un minúsculo cristal de silicio que actúa de semilla del cristal mayor. Se va rotando este pequeño cristal en el silicio fundido mientras se va subiendo poco a poco. El silicio, junto con las impurezas que se han añadido y algunos átomos de oxígeno de las paredes de cuarzo, se va depositando muy, muy lentamente sobre el cristal, formando capa tras capa de átomos perfectamente ordenados:



Cuando se acaba, se tiene una barra que es un cristal único de silicio, de uno o dos metros de largo y hasta 40 cm de grosor: una especie de “salchicha de cristal de silicio”:

Finalmente se coge la “salchicha” y se va cortando en obleas finas de medio milímetro de grosor utilizando cuchillas de diamante. Las obleas se pulen por una cara o las dos y finalmente se graban químicamente para ser utilizadas en la fabricación de circuitos integrados. Aún no sé si se utiliza más silicio policristalino o monocristalino en electrónica, de modo que si lo sabes deja un comentario.



Pero no hay que olvidar que sus propiedades como conductor no son lo único que hace útil al silicio para el ser humano: la arena es, al fin y al cabo, uno de los componentes fundamentales del cemento, y la arena no es más que sílice. Lo mismo sucede con el vidrio, que no existiría sin el silicio. Más interesantes aún son las siliconas, que son polímeros artificiales en los que el silicio es una parte fundamental de la cadena (de ahí su nombre). Las siliconas tienen multitud de usos, desde aislantes y pegamentos hasta… bueno, hasta la modificación de atributos que la Madre Naturaleza no creó tan prominentes como sus propietarios desearían.

El silicio es interesante, además, porque sus similitudes con el carbono han hecho a muchos preguntarse si es posible que existan formas de vida basadas en el silicio, en vez de en el carbono. De hecho, muchas obras de ciencia-ficción parten de esa premisa. La principal razón de que la vida terrestre esté basada en el carbono y no haya ninguna forma de vida basada en el silicio es que el disolvente ubicuo en la Tierra (el agua) no funciona demasiado bien para transportar silicio. El dióxido de carbono se disuelve muy bien en agua, pero el dióxido de silicio (como sabes si has intentado alguna vez disolver arena en agua) no lo hace nada bien, lo cual hubiera dificultado mucho la existencia de un “ciclo del silicio” equivalente al ciclo del carbono.

Además, el silicio es distinto del carbono en otros aspectos: para empezar, los átomos son más grandes y no hay muchos polímeros de gran longitud que sean estables. Una “química orgánica del silicio” no sería tan versátil y con tal abundancia de compuestos como la del carbono. En parte esto se debe también a que el silicio no puede formar enlaces dobles, triples y cuádruples con la facilidad del carbono. ¿Quiere todo esto decir que no vamos a encontrar formas de vida basadas en el silicio en el Universo? No – simplemente que es más probable que estén basadas en el carbono, que es incluso más abundante.


Esto tampoco significa que los organismos terrestres renieguen del silicio, sino que no lo utilizan como base de su química, sino para funciones muy especializadas: por ejemplo, los radiolarios (un protozoo) tienen esqueletos hechos de sílice, mientras que las diatomeas (un alga) crean polímeros basados en el silicio con los que refuerzan su pared celular a modo de armadura. Los erizos de mar, por su parte, tienen espinas de sílice. De modo que los seres vivos suelen utilizar la sílice, como ves, como refuerzo o protección.

En cualquier caso, ¿quién sabe? Si en no demasiado tiempo logramos crear una forma de vida artificial e inteligente, es posible que lo hagamos basando su “sistema nervioso” en el silicio, de modo que tal vez –aunque sea de una forma inesperada– el silicio sí se convierta en la base de una forma de vida, aunque sea inorgánica.

miércoles, 13 de mayo de 2015

Ecopolis (3)

Se trata de Ecópolis, una vanguardista serie de seis episodios que gira en torno a una ciudad virtual del mismo nombre: una mega-urbe del año 2050 en la que viven 18 millones de personas bajo un ambiente totalmente contaminado.

Cada semana, el programa conduce a los televidentes hasta diferentes partes del globo para estudiar sorprendentes tecnologías que pretenden disminuir las emisiones de carbón de esta ciudad, combatiendo como resultado de ello el cambio climático.

Enfocándose en diferentes temas como la construcción, el transporte, el tratamiento de basuras y la energía.



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