Átomo por átomo

Un nuevo laboratorio está en marcha en el Departamento de Física, se trata de un espacio de trabajo para manipular materia fría. El proyecto se concreta luego de varios años de planificación y múltiples colaboraciones junto a otras instituciones científicas.

- Por Lis Tous - 

En la frontera de la cuántica existen técnicas que permiten manipular iones y átomos de manera individual, uno por uno. Esta intervención de la materia resulta un área de estudio fundamental para la física contemporánea, así como sus aplicaciones en tecnologías vinculadas al procesamiento de la información y a la metrología.

“En rasgos generales los objetivos del laboratorio son estudiar ciertas propiedades del horizonte cuántico que nos permitan hacer sensores, relojes y computadoras de mayor precisión y exactitud; y explorar experimentalmente aspectos fundamentales de la transición entre el mundo cuántico y el mundo clásico”, dice Christian Schmiegelow, investigador del Laboratorio de Iones y Átomos Fríos (LIAF) perteneciente al Departamento de Física (DF) y al Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA) de la UBA y el CONICET.

A mediados del año 2015, los investigadores Juan Pablo Paz, Augusto Roncaglia, Miguel Larotonda y Christian Schmiegelow fundaron el grupo del LIAF del que hoy son responsables bajo la dirección del Dr. Paz. La comunidad del DF en su conjunto trabajó para que el proyecto pueda concretarse y junto con el IFIBA llevan más de cincuenta mil dólares invertidos en infraestructura: climatización, instalación eléctrica, mesas ópticas y equipos.

Recientemente el LIAF ganó un subsidio PME -Proyectos para Modernización de Equipamiento- otorgado por la Agencia Nacional de Promoción Científica y tecnológica que asciende a diecisiete millones seiscientos mil pesos, inversión que le permitiría equiparse completamente.

“Este año, nuestra meta es atrapar el primer ion en una trampa de iones que armamos en Alemania y traeremos a Argentina en unos meses”, dice Schmiegelow. El investigador hizo su post-doctorado en la Universidad de Mainz y decidió regresar al país para integrarse como parte del grupo fundador del LIAF.

Experimentación coherente

Para ganar velocidad en el procesamiento de datos; lograr mayor precisión en las comunicaciones y en la fabricación de nanotecnología; o para acortar la incertidumbre en las medidas y los pesos, los científicos necesitan manipular conjuntos de átomos de manera muy precisa con luz láser. La manera en que los iones son cazados es básicamente a través de un campo eléctrico oscilante, dentro de una cámara de vacío.

“Podemos atrapar uno, cien o una cantidad específica de iones; organizarlos en el espacio y hacer que interactúen entre ellos como queremos”, explica Schmiegelow y agrega: “Nosotros experimentamos de forma coherente con la materia. Trabajamos en el régimen cuántico en el cual los átomos se manifiestan como partículas y también como ondas. Esto permite, por ejemplo, en el ámbito de la computación cuántica hacer muchos cálculos en paralelo y así poder simular procesos físicos con menores recursos y mayor velocidad”.

Estabilidad, precisión y exactitud

“Las tecnologías que se desarrollan en esta área tienen un enorme impacto en la definición de nuevos patrones de medición de tiempos y frecuencias así como también en el desarrollo de diversos tipos de sensores, o en el avance hacia objetivos más distantes como la computación cuántica”, destaca Juan Pablo Paz director del IFIBA e impulsor del Laboratorio desde sus orígenes.

Schmiegelow, explica que un sensor magnético, por ejemplo, puede hacerse con objetos de distinto tamaño: Puede usarse una brújula, un circuito electromagnético o, incluso, un único átomo. En este caso, el estado del último electrón puede ser muy sensible campo magnético. En cada una de esas escalas hay beneficios y complicaciones. “Hoy buscamos hacer nuevos dispositivos en la escala atómica, esa es la idea que gira alrededor de este laboratorio”, sintetiza el investigador.

Relojes Atómicos

La relojería atómica está experimentando una revolución por su capacidad de generar niveles de precisión y exactitud cada vez mayores. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, por sus siglas en inglés) fija un límite a la exactitud: permite el atraso de un segundo cada 3700 millones años en los relojes atómicos. Sin embargo, ya existe un reloj que ha superado ampliamente esos estándares. La imprecisión aún puede achicarse más y lograr mejores resultados.

Estos relojes no se proponen reemplazar a los que  usamos cotidianamente, ya que no requieren tanta precisión. En cambio, serán utilizados en aplicaciones vinculadas a la mejora de los sistemas de navegación -como el GPS-; a la fabricación de nuevos sensores y a la redefinición de los patrones de medición de tiempos y frecuencias.   

En este contexto, el LIAF junto al Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa  (CITEDEF) y al Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) aspira a constituir una red de colaboraciones: “Mientras que en nuestro Laboratorios planeamos establecer patrones de mayor estabilidad para los relojes, en CITEDEF van a desarrollar patrones portables; y el INTI se va a llevar a cabo la homologación y contrastación de las frecuencias con la tecnología llamada láser de peine de frecuencias”, especifica Schmiegelow.

Perseguir al mensajero

 - Comunicación DF -  

Para poder sobrevivir las células necesitan comunicarse con el medio que las rodea. Deben ser capaces de percibir cambios en su entorno y reaccionar a los mismos. En una gran cantidad de circunstancias esos cambios se manifiestan en modificaciones en la concentración de sustancias. Podemos pensar entonces que hay un mensaje cifrado en ese cambio, mensaje que las células deben poder descifrar. Para ello poseen receptores en su membrana capaces de ligar estas sustancias. Al ligarlas se inducen modificaciones hacia el interior celular constituyendo el primer paso de una cascada de señalización que permitirá transmitir el mensaje y generar la respuesta necesaria.

Los cambios “hacia adentro” pueden incluir la producción de nuevas sustancias o la liberación de otras desde reservorios internos. Estas sustancias, a las que se llama mensajeros, difunden en la célula y actúan en receptores u otros blancos intracelulares. Es por ello que se habla de “cascada” ya que el cambio inicial induce una secuencia encadenada de cambios. Los mensajeros difunden durante un tiempo y hasta una cierta distancia, es decir, tienen un rango de acción que los caracteriza. Este rango determina sobre qué blancos intracelulares pueden actuar y, por lo tanto, qué tipos de respuestas pueden inducir. Conocer estos rangos permite comprender procesos fisiológicos específicos. Entre los múltiples mensajeros existentes, el ión calcio es utilizado en una enorme cantidad de procesos distintos. “Aparece en la comunicación entre neuronas; en la excitabilidad neuronal; en la contracción muscular; en la fertilización. Por eso se dice que es un mensajero universal. Pero, por otro lado, es muy específico porque genera respuestas puntuales dependiendo de la célula en la que esté actuando y, aún en una misma célula, da lugar a diferentes respuestas”, aclara la investigadora del DF Silvina Ponce Dawson especialista en la distribución espacio-temporal del calcio dentro de la célula.

Dentro de las células hay reservorios de calcio -por ejemplo, el retículo endoplasmástico- que permiten liberarlo cuando se necesita que actúe. Pero también hay calcio en forma libre, aunque en menor cantidad. Un exceso de este ion en estado de libertad puede provocar la muerte de la célula, por eso hay mecanismos que permiten controlar su presencia y distribución. Diversos grupos de investigación interdisciplinarios buscan entender cómo se distribuye en el espacio y el tiempo, si su concentración oscila o de qué modo la geometría intracelular afecta su distribución, entre otros aspectos.

Uno de los mecanismos que inducen la liberación de calcio desde el retículo endoplasmático es el mediado por el mensajero llamado Inositol 1,4,5 trisfosfato o IP3.  Frente a ciertos estímulos externos las células producen IP3 a partir de precursores contenidos en la membrana plasmática. Este IP3 difunde en el citoplasma y se liga a sus receptores que se encuentran en la membrana del retículo. Cuando estos receptores ligan también calcio se abren canales que permiten la salida de más calcio desde el retículo hacia el citosol. De este modo se genera una señal de calcio que luego puede actuar sobre otros blancos. Hasta recientemente se suponía que el IP3 difundía rápidamente dentro de la célula, es decir, que era un “mensajero global” y que era el calcio el que, debido a los múltiples mecanismos que poseen las células para removerlo, limitaba el rango espacial de las señales. Sin embargo, Ponce Dawson junto a científicos de la Universidad de Callifornia refutaron esta idea mostrando que el IP3 difunde a una velocidad mucho menor de lo que se pensaba.

La publicación, fruto de colaboraciones de muchos años fue tapa de la conocida revista Science Signaling en el último noviembre. Los resultados indican que la difusión constante de IP3 es casi treinta veces menor que lo reportado en investigaciones previas. Es decir que este mensajero se mueve, pero más lento, algo así como un tren que en vez de recorrer toda la Argentina solo viaja por la provincia de La Pampa.

La investigadora del Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA) perteneciente a UBA-CONICET explica: “Mi aporte a esta investigación fue el modelado matemático y el análisis de los experimentos.” Este aporte se enmarca dentro de un proyecto cuyo objetivo es estudiar los comportamientos espacio-temporales que puede desplegar el calcio intracelular.  “Busco saber cómo se distribuye el calcio, en qué cambia cuando llega un estímulo y cómo otras sustancias influyen en su distribución”, especifica Ponce Dawson.

El trabajo involucró la realización de experimentos donde se liberó IP3 con luz ultravioleta y se observaron las señales de calcio inducidas por dicha liberación. Utilizando un modelo matemático para analizar los datos experimentales se estimó el coeficiente de difusión del IP3. Para tal fin los investigadores usaron un modelo unidimensional simplificado, el cual simula el viaje del mensajero y los  disparos de calcio luego de la estimulación.

Las conclusiones tienen consecuencias en la interpretación de los mecanismos por los cuales el calcio puede generar respuestas en casos en que la propagación de las señales involucra la liberación a través de receptores de IP3. Es relevante, en particular, para señales que viajan entre células o para entender procesos relacionados con la fertilización, las contracciones del corazón y los mecanismos de la memoria.

Grafeno y óptica, lo que hay que saber

-Por Lis Tous-

En el año 2015 la editorial del Institute of Physics (IOP) –el Instituto de Física del Reino Unido- le propuso al profesor del DF, Ricardo Depine escribir un libro. Podría haber sido cualquiera de los temas en los que se especializa pero prefirió hablar del material que cautiva su atención hoy: el grafeno.

Las investigaciones sobre esta variedad del carbono llevaron a Andre Geim y Konstantin Novoselov a ganar el Premio Nobel de Física en 2010 y, desde ese momento, crecen las expectativas dentro y fuera de los laboratorios. Puede que en el futuro el grafeno reemplace al silicio en los microprocesadores, a los cables de cobre en los aviones o se lo use como filtro de alta densidad para el agua. Un universo de posibilidades.

“Los científicos imaginamos múltiples aplicaciones para el grafeno, pero creo que lo más interesante es lo que aún no sospechamos”, dice el autor que también es investigador del CONICET en el Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA).

Depine cree que el grafeno es “el material del futuro” porque tiene propiedades únicas: como es bidimensional –sus átomos se acomodan de manera plana- es muy liviano y flexible pero muy resistente, incluso mucho más que el acero. También porque es transparente y un buen semiconductor.

Ante las expectativas que genera el grafeno, el investigador explica porqué los chips de hoy tienen límites certeros y la producción de tecnologías para la comunicación necesita de nuevos materiales: “los electrones se mueven cada vez más rápido en circuitos más y más pequeños, eso genera calor y por lo tanto, problemas. Hoy la industria sigue duplicando la cantidad de transistores dentro de los procesadores pero restringe la velocidad y, así, el calor. En menos de una década, el tamaño de los transistores alcanzará el límite de 2 a 3 nanómetros, eso es el tamaño de diez átomos en línea. En esta escala, las incertidumbres cuánticas afectarán al comportamiento del electrón, haciendo que los transistores no sean confiables”.

Física concisa

Su texto Óptica del grafeno: soluciones electromagnéticas de problemas canónicos es un libro técnico, pensado para profesionales que estén interesados en introducirse en esta variedad de carbono. 

“Escribí durante un año sobre este material, que es también uno de los temas que se investigan en mi grupo. Me entusiasmó la propuesta de la colección porque son textos cortos en áreas de avance veloz y, también, que la editorial sea una sociedad científica que incrementa la práctica, el entendimiento y la aplicación de la física”, dice Depine.

Tal como lo propone la colección a la que pertenece el libro, el lenguaje es experto, claro y breve. Los años de docencia le permitieron al profesor del DF imaginar a sus lectores: estudiantes avanzados de posgrado o colegas en un curso de actualización. “Quise hacer una descripción rigurosa a nivel macroscópico de la relación entre la radiación electromagnética y las hojas de grafeno. No es un libro sobre el material en general, es una introducción a ese aspecto puntual”, especifica.

Entre los contenidos del libro pueden leerse las propiedades ópticas del material, su flexibilidad – se adapta a la forma de otro material y permanece en esa disposición sin necesidades de ser pegado o sujetado- o el problema de Fresnel aplicado a una hoja plana de grafeno.

Y, también, tal como anticipa el autor en el prefacio a sus lectores: “he elegido presentar solamente problemas canónicos rigurosos, con geometrías de traslación invariantes, en que la solución original al problema vectorial puede ser reducida al tratamiento de dos problemas escalares, correspondientes a dos modos de polarización básica. Esta elección excluye otros problemas importantes como la solución a la dispersión de radiación electromagnética por una esfera de grafeno,que puede ser considerada como el paradigma de una partícula 3D de grafeno.Pero incluye la solución análoga para la dispersión de radiación electromagnética de un cable de grafeno de sección circular, que puede ser considerada el paradigma de una partícula 2D de grafeno”.

Mientras los ejemplares físicos llegan a la hemeroteca pueden leerse algunos capítulos en línea, en el siguiente link: http://iopscience.iop.org/book/978-1-6817-4309-7

Bioplásticos para un futuro sustentable

Investigadores del Departamento de Física obtuvieron el UBATEC 2016. El proyecto ganador pertenece al área de estudios sobre envases y embalajes y permite seguir avanzando en la línea de los llamados bioplásticos.

Por Lis Tous