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Océanos de Ciencia

Los mares y océanos han motivado desde siempre a los científicos. La necesidad de orientarse en un entorno cambiante nos ha hecho mirar al cielo y conocer los astros y sus movimientos, hemos creado instrumentos de navegación en los que se dan la mano arte, ciencia y tecnología, y han tenido lugar grandes expediciones científicas que han cambiado la visión del mundo y de nosotros mismos. De todo ello nos habla Manuel Díez Minguito.

Capturados por rayos tractores

Rayos tractores - Océanos de Ciencia podcast - CienciaEs.com

En este nuevo programa de Océanos de Ciencia se discuten algunas investigaciones recientes sobre rayos tractores y sus posibles aplicaciones en futuras misiones espaciales, medicina o el control de la polución marina.

La idea de los campos o rayos de tracción, que permiten controlar el movimiento de objetos sin necesidad de contacto material alguno, aparece recurrentemente en películas de animación y de ciencia ficción, como bien saben los fans de las sagas de la Guerra de las Galaxias o Star Trek, por ejemplo. Estas ideas han inspirado y animan nuevas investigaciones para crear campos de fuerza que modifiquen las propiedades del espacio tri-dimensional mediante diferentes tipos de ondas, ya sean de ondas luz o electromagnéticas, ondas acústicas, e incluso las que se forman en la superficie del agua.

El astrónomo Johannes Kepler a principios del s.XVII ya sugirió que, para explicar que la cola de un cometa se extiende alejándose del Sol, la luz procedente del sol debía ejercer una fuerza repulsiva, un empuje, sobre los cuerpos expuestos a su luz, como la cola del cometa. Este fenómeno, que la luz ejerza una presión sobre cualquier superficie irradiada produciendo una fuerza de empuje, se conoce como presión de radiación y su existencia fue demostrada teóricamente 250 años más tarde, a finales del s.XIX, por el físico y matemático James Clerk Maxwell; y la verificación experimental no se hizo esperar. Antes de que alumbrara el siglo XX, Pyotr Lebedev confirmó experimentalmente la intuición de Kepler y los cálculos de Maxwell. Sin embargo, atraer o capturar a distancia objetos es más problemático.

Si bien el control a distancia de partículas elementales, como electrones o incluso átomos está relativamente avanzado, la realidad es que el desarrollo científico actual está aún lejos de poder mover remotamente y a voluntad objetos de tamaño arbitrario mediante un campo de fuerza. Pero tan solo mover objetos de pequeño tamaño ya sería de gran utilidad. La NASA, por ejemplo, ha financiado proyectos, sin mucho éxito por el momento, para diseñar y construir rayos tractores generados electromagnéticamente (por ejemplo, mediante sistemas basados en tecnología láser) para capturar y recoger desechos de la órbita terrestre. Esta idea es relevante pues la basura espacial representa un riesgo potencial para futuras misiones espaciales. También podría servir para la toma de muestras de materiales en otros planetas, asteroides o cometas desde una sonda en su órbita, sin necesidad de arriesgar un descenso a la superficie.

Marzo de 2014: investigadores de diferentes centros de Australia y España consiguieron manipular una pequeña esfera de poliestireno de 50nm de diámetro, 1000 veces más pequeño que el diámetro de un pelo humano, sin tocarla, manipulándola solamente irradiando la esfera con luz conducida por una fibra óptica. Modificando la geometría de una de las aberturas de la fibra óptica, se las ingeniaron para, solo con la luz incidente, capturar durante varios minutos la esfera y con la luz desplazar la esfera una distancia de varios centenares su diámetro. Esta especie de pinza óptica a escala nanométrica pueda parecer tal vez un logro menor si lo comparamos con capturar naves espaciales, pero lo cierto es que supone un salto cuantitativo respecto a mover partículas elementales. Una interesante posible aplicación la encontramos en el ámbito de la medicina. Durante mucho tiempo se han estado buscando formas para manipular virus o células para aplicaciones biomédicas, donde muchas estructuras biológicas son tan frágiles que serían fácilmente destruidas por el simple contacto con unas pinzas sólidas.

También se han dado pasos prometedores haciendo uso, no de ondas luminosas, sino de ondas de sonido (acústicas) para crear rayos tractores. También en 2014, otro equipo de investigadores, esta vez de la Universidad de Dundee en Escocia (RU), fue capaz de controlar el movimiento de un objeto prismático de algo más de 1cm de largo emitiendo ultrasonidos. Generando un patrón de interferencias, similar al que puede formarse cuando se superponen las ondas creadas por dos piedras arrojadas en un estanque, pudieron concentrar más energía acústica a espaldas del objeto, presionándolo, y generando a su vez una baja presión relativa en el lado próximo al emisor. Con esto, consiguieron ejercer una fuerza sobre el objeto lo suficientemente grande como para poder moverlo y tirar de él hacia la fuente emisora de los ultrasonidos.

Las aplicaciones más inmediatas de esta técnica también están en el campo de la medicina. Con este rayo tractor de ultrasonidos podrían mejorarse técnicas no invasivas de cirugía, por ejemplo. Otra potencial aplicación de esta técnica es la conducción de fármacos almacenados en pequeñas cápsulas por el interior del cuerpo humano. Con un campo de tracción como este podría ser posible dirigir por el torrente sanguíneo las cápsulas a órganos específicos del cuerpo, localizando mejor sus efectos terapéuticos y minimizando efectos secundarios.

Otro tipo de ondas con las que potencialmente podrían diseñarse campos de tracción, son las ondas que se forman en la interfase entre dos fluidos, como las olas en la superficie del mar que se forman en la interfase entre el aire y el agua. A pesar de que el ya fallecido premio nobel de Física Richard Feynmann reconoció que este tipo de ondas de superficie son más complicadas de tratar que las ondas de luz o de sonido, otro grupo de científicos coordinado por la Universidad Nacional Australiana en Canberra, ha ideado una manera de crear olas que, enviadas hacia un cuerpo flotante, permite manipular remotamente el movimiento del cuerpo flotante.

En un tanque de agua, no más grande que una bañera como las que podamos tener en casa, han conseguido controlar el movimiento de una pelota de ping-pong generando un patrón de ondas específico desde uno de los extremos del tanque de agua. Las ondulaciones en la superficie se generan sumergiendo y sacando alternativamente del agua un cilindro con su eje de simetría paralelo a la superficie. Las ondas generadas se propagan hacia la pelota de ping-pong alejándose del cilindro. Para ondas de periodo pequeño el vaivén experimentado por la pelota al verse sometida a las olas produce poco a poco un alejamiento de la pelota de ping-pong del generador de olas. Esta deriva de la pelota se puede predecir con bastante precisión con las teorías existentes. Sin embargo, incrementando la frecuencia hasta 200 oscilaciones por segundo y aumentando la amplitud de las olas generadas, los investigadores han sido capaces de controlar la trayectoria de la pelota por el tanque de agua a voluntad. No existe una teoría hidrodinámica que pueda explicar estos resultados. No obstante, se prevé algunas posibles aplicaciones prácticas futuras que van desde confinar y contener en el mar vertidos altamente contaminantes (vertidos de crudo, por ejemplo) hasta recolectar objetos flotantes a la deriva.

(Manuel Díez Minguito, 03/2017, cienciaes.com)

REFERENCIAS

J. Berthelot y colaboradores (2014) Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers . Nature nanotechnology, 9(4), 295-299.

C. E. M. Démoré y colaboradores (2014) Acoustic Tractor Beam . Physical Review Letters, 112, 174302.

H. Punzmann (2014) Generation and reversal of surface flows by propagating waves . Nature physics, 10(9), 658-663.

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