¿Cómo cambiarían la ciencia los superconductores a temperatura ambiente?

La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. Cuando el científico medía la resistencia del mercurio a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15ºC), observó que al bajar la muestra por debajo de los 4,2 ºK (-268.95°C) la resistencia del mercurio desaparecía abruptamente. Aquel descubrimiento abrió las puertas al estudio de materiales, conocidos como superconductores, que tienen la notable habilidad de conducir corrientes eléctricas sin resistencia, lo que significa que no hay pérdida de energía en forma de calor residual.
A pesar de que ha pasado más de un siglo de su descubrimiento, la mayoría de los superconductores existentes hoy en día, solo funcionan a temperaturas extremadamente bajas, lo que ha limitado su uso en aplicaciones cotidianas y ha agregado un nivel significativo de costos y complejidad, especialmente en investigaciones y experimentos de laboratorio.
Un ejemplo claro de las limitaciones actuales es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en CERN, cerca de Ginebra, Suiza. Para mantener a los protones moviéndose en un círculo de 27 kilómetros, el LHC genera potentes campos magnéticos con bobinas superconductoras que se mantienen a una temperatura de 1.9 kelvin (–271.25 ºC). Para lograr estas temperaturas, se necesita un sistema criogénico masivo, el más grande de su tipo en el mundo, que contiene 96 toneladas de helio líquido. La capacidad de operar superconductores a temperaturas más altas simplificaría enormemente la ingeniería y reduciría costos en proyectos como este y haría posible la creación del próximo colisionador que se piensa tendrá 100 kilómetros de circunferencia. Uno de los muchos inconvenientes de ese proyecto es que necesitaría contar con bobinas superconductoras monstruosas capaces de crear campos magnéticos de 16 teslas, mucho más altos de lo que hasta ahora se ha logrado conseguir.
Pero, ¿un superconductor a temperatura ambiente resolvería todos los problemas? No necesariamente. Mientras estos materiales podrían revolucionar campos como la medicina, el transporte y la generación de energía, existen desafíos significativos. En la computación cuántica, por ejemplo, un ordenador basado en superconductores se degrada rápidamente con el más mínimo aumento de temperatura. Además, no es solo la capacidad de conducir electricidad sin resistencia lo que importa. Propiedades como la corriente crítica (la cantidad máxima de corriente que un superconductor puede llevar) y el campo magnético crítico (el campo magnético máximo que un superconductor puede soportar) son esenciales para determinar su utilidad.
La fusión nuclear es otro campo que se beneficiaría de la superconductividad a temperatura ambiente. Una forma de lograrlo consiste en confinar un plasma de núcleos de hidrógeno utilizando imanes dispuestos en forma de rosquilla llamado tokamak. El tokamak experimental más grande del mundo, llamado ITER, se está construyendo en el sur de Francia y utilizará enormes imanes refrigerados por helio líquido para producir campos de casi 12 tesla. Un superconductor a alta temperatura podría aumentar drásticamente la velocidad a la que un reactor de fusión quema su combustible y, por lo tanto, aumentar la energía que se puede producir, además, evitaría el uso de helio para refrigeración.
Los superconductores actuales siguen sin alcanzar ese objetivo. Hasta ahora se han descubierto superconductores compuestos de magnesio y boro con temperaturas críticas de 234ºC bajo cero. Otros compuestos de cobre (cupratos) son superconductores a 135ºC bajo cero, lo que supone un gran avance porque son temperaturas que pueden conseguirse con nitrógeno líquido. La temperatura crítica más alta, hasta ahora, se ha logrado con un compuesto de hidruro de lantano e hidrógeno que se hace superconductor por debajo de los 23ºC bajo cero, pero a la escalofriante presión de 1,67 millones de atmósferas.
No faltan noticias que hablan de superconductores a temperatura ambiente. El pasado mes de julio, un equipo dirigido por Sukbae Lee y Ji-Hoon Kim en el Centro de Investigación de Energía Cuántica de Seúl, afirmó que un material, denominado LK-99, es superconductor a presión normal hasta temperaturas de 127 ºC ¡por encima de cero. Esto sería el salto largamente esperado, si fuera verdad. Por desgracia, los laboratorios que han intentado reproducir el experimento han fracasado y, al parecer, LK-99 ni siquiera es superconductor.
El viaje hacia el desarrollo de superconductores de temperatura ambiente ha sido largo y arduo. A pesar de los desafíos, la búsqueda sigue siendo emocionante y tiene el potencial de cambiar el mundo en formas que apenas podemos imaginar.
Referencia:
How would better superconductors change Science? Nature 621 , 18-19 (2023)doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02681-8

Un señuelo molecular para el SARS-CoV-2 como tratamiento para la COVID-19

Un estudio pionero dirigido por el profesor Toru Okamoto, de la universidad Juntendo, de Tokio, y su equipo interdisciplinario ha diseñado un receptor ACE2 (la proteína que recibe y une al virus SARS-CoV-2 en la superficie celular), llamado 3N39v4-Fc, como señuelo para neutralizar eficazmente el virus que causa la COVID-19. El estudio mostró que este receptor de diseño se une con una fuerza 100 veces mayor a la proteína espiga del virus, en comparación con el ACE2 no modificado o de tipo salvaje. Esta capacidad es fundamental para evitar que el virus infecte a las células hospedador al bloquear el acceso a su sitio de unión normal, es decir, la proteína ACE2.
En este trabajo, publicado en la revista Science Translational Medicine, el equipo estudió la potencia de este receptor de diseño y demostró que se unía a múltiples variantes de Omicron, lo que indica su versatilidad para luchar contra las variantes surgidas por evolución del virus, que siguen todas, no obstante, uniéndose a la proteína ACE2 en la superficie de las células. De manera significativa, el equipo pudo confirmar el efecto terapéutico de este receptor de diseño en un modelo preclínico utilizando monos cinomolgos, un paso crucial antes de los ensayos en humanos.
Otro aspecto importante del estudio fue evaluar el riesgo de aparición de “mutantes de escape”, es decir, potenciales variantes del virus que pudieran eludir el señuelo ACE2 diseñado. Los resultados fueron prometedores. Mediante el uso de técnicas muy avanzadas, el equipo encontró que la alta fuerza de unión de 3N39v4-Fc a ACE2 reducía significativamente las posibilidades de que surgieran tales mutantes de escape, validando sus hallazgos anteriores.
Además, el equipo examinó la distribución y la farmacocinética de 3N39v4-Fc administrado por diferentes vías —intravenosa e inhalación— a roedores. Descubrieron que mientras que la administración intravenosa llevaba a que la mayoría de receptor se acumulara en el hígado, la administración por inhalación resultaba en una acumulación predominante en los pulmones. Esto es particularmente importante, porque la inhalación producía resultados terapéuticos equivalentes con solo el 5% de la dosis requerida por administración intravenosa. Esto es ventajoso no solo en términos de protección del órgano más vulnerable, el pulmón, sino que también tiene implicaciones significativas sobre el coste de la terapia.
El estudio concluyó con pruebas adicionales en monos cinomolgos infectados con la variante Delta, examinando ambas vías de administración. Los resultados fueron alentadores, ya que ambas vías llevaron a reducciones sustanciales en las anomalías pulmonares y en la carga viral, lo que subraya el potencial terapéutico del señuelo de ACE2 diseñado.
En resumen, esta investigación presenta una opción de tratamiento potente y versátil contra el SARS-CoV-2 y sus variantes en evolución. Su alta fuerza de unión minimiza el riesgo de resistencia, y su efectividad cuando se administra por inhalación ofrece una ruta de tratamiento más eficiente y rentable. Como tal, el estudio sienta las bases esenciales para una evaluación en profundidad en ensayos clínicos en humanos.

Referencia:
EMIKO URANO et al. (2023). An inhaled ACE2 decoy confers protection against SARS-CoV-2 infection in preclinical models. SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICINE 30 Aug 2023 Vol 15, Issue 711. DOI: 10.1126/scitranslmed.adi2623

Rápidos y destructivos flujos volcánicos submarinos.

En 2022, el mundo experimentó una de las erupciones más explosivas en más de un siglo cuando el volcán parcialmente sumergido Hunga Tonga-Hunga Ha’apai estalló. Este suceso acaecido en el Reino de Tonga tuvo ramificaciones masivas, no solo a nivel local sino también global. La erupción proyectó material volcánico directamente al océano, lo que provocó un flujo de escombros submarinos que avanzó a velocidades de hasta 122 km/h, alterando radicalmente el paisaje submarino y dañando la infraestructura clave.
Las erupciones volcánicas, especialmente las que ocurren en tierra, pueden producir flujos piroclásticos; corrientes de cenizas y rocas calientes que, al entrar en contacto con el agua, pueden generar tsunamis, marejadas y corrientes de turbidez peligrosas. Estos flujos son extremadamente calientes, rápidos y densos, viajando a velocidades que pueden superar los 700 km/h y a temperaturas que oscilan entre 200°C y 700°C. Su poder destructivo es evidente en ejemplos históricos como el devastador evento de Pompeya en 79 d.C.
La particularidad de la erupción de Hunga Tonga-Hunga Ha’apai reside en que, en lugar de simplemente crear un tsunami o una marejada, el material expulsado al océano formó una corriente de escombros submarinos. Esta corriente de densidad submarina viajó más de 100 km por el fondo del océano, dejando tras de sí una remodelación del lecho marino, creando socavaciones y canales de más de 100 metros de profundidad.
Un estudio llevado a cabo por Michael Clare del National Oceanography Centre y sus colegas aporta detalles de cómo esta erupción impactó en la infraestructura submarina. Utilizando una combinación de datos de rotura de cables, estudios batimétricos y muestreo de núcleos, el equipo pudo construir una imagen detallada de la erupción y su impacto. El análisis mostró cómo el material volcánico, al colapsar en el océano, formó una corriente de escombros de alta velocidad y destructiva. Dos cables submarinos próximos al volcán se vieron afectados el 15 de enero, con más de 89 km del cable internacional dañados y 105 km del cable nacional afectados, aislando a la nación de Tonga de las comunicaciones globales en un momento crucial.
La importancia de este estudio se extiende más allá de un simple análisis de eventos. Las formas de relieve similares observadas alrededor de otros volcanes sumergidos sugieren que erupciones similares han sucedido en otros lugares del mundo. A medida que se buscan mejorar las conexiones de telecomunicaciones en regiones como el Pacífico Sur y el Caribe, es crucial comprender y evaluar las amenazas que estos volcanes sumergidos representan no solo para las infraestructuras submarinas sino también para las comunidades costeras.
Estos eventos subrayan la necesidad de un monitoreo más extenso y avanzado, incluyendo la implementación de sensores en cables submarinos. Las corrientes de densidad volcánica pueden viajar largas distancias a altas velocidades y representan un peligro para las comunidades y estructuras cercanas. Las erupciones de volcanes sumergidos, a menudo poco estudiadas y monitoreadas, merecen una consideración más detallada dada su capacidad para producir tsunamis y amenazar comunidades costeras e infraestructuras críticas.

Referencia:
Michael A. Clare et al. Fast and destructive density currents created by ocean-entering volcanic eruptions.Science381,1085-1092(2023).DOI:10.1126/science.adi3038

El riesgo cardiovascular puede suponer también riesgo de demencia-

Un estudio pionero del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC) en Madrid, publicado en The Lancet Healthy Longevity, (que podríamos traducir como The Lancet envejecimiento saludable) aclara la relación entre los factores de riesgo cardiovascular y el inicio de la demencia, particularmente la enfermedad de Alzheimer. El estudio aboga por el control de los factores de riesgo cardiovascular tradicionales, como la hipertensión, el colesterol alto, la diabetes, el tabaquismo y un estilo de vida sedentario, no solo para mantener la salud del corazón, sino también para preservar la función cognitiva y prevenir la demencia.
El Dr. Valentín Fuster, director general del CNIC y autor del estudio, enfatiza que esta investigación indica que el tratamiento de las enfermedades cardiovasculares, un factor modificable, puede mitigar los riesgos de demencia, una condición para la cual actualmente no hay cura. Este estudio complementa hallazgos anteriores que habían revelado que los riesgos cardiovasculares y la aterosclerosis presintomática en las arterias carótidas pueden causar una disminución del metabolismo de la glucosa en el cerebro, un indicador conocido de la salud cerebral.
La investigación forma parte del estudio PESA-CNIC-Santander, dirigido por el Dr. Fuster, que comenzó en 2010. Incluye a más de 4,000 participantes de mediana edad que han sido evaluados de manera exhaustiva para la aterosclerosis subclínica, es decir, aún asintomática. Tras recolectar datos durante cinco años, el estudio encontró que aquellas personas con un riesgo cardiovascular alto sostenido mostraron una reducción mucho más significativa en el metabolismo cerebral de glucosa, determinado mediante la técnica de tomografía de emisión de positrones (PET), que aquellos con un riesgo cardiovascular bajo. Un descenso en el metabolismo cerebral indica que el cerebro es más vulnerable a enfermedades neurodegenerativas en el futuro.
En colaboración con expertos de la Universidad de Gotemburgo en Suecia, el equipo del CNIC descubrió que los individuos que muestran este declive metabólico también muestran signos de lesiones neuronales irreversibles. Además, la progresión de la aterosclerosis subclínica en las arterias carótidas durante el período de los cinco años se vio asociado con un declive metabólico en regiones cerebrales susceptibles a la enfermedad de Alzheimer.
En conclusión, el estudio afirma la importancia de la detección temprana de los riesgos cardiovasculares y la aterosclerosis para la prevención del deterioro cognitivo y promueve la idea de la detección del estado de las carótidas como una herramienta efectiva para evaluar los riesgos para la salud cerebral. Los investigadores argumentan que las estrategias de prevención cardiovascular primaria deben implementarse temprano en la vida para fomentar una longevidad cerebral saludable y evitar las demencias.
El Dr. Cortés Canteli, coautor del estudio, lo resume diciendo que cuanto antes controlemos estos factores de riesgo cardiovascular, mejor será el resultado para la salud de nuestro cerebro. El estudio subraya la interconexión entre la salud del corazón y del cerebro, instando a los médicos y al público en general a reconsiderar las implicaciones de amplio alcance del bienestar cardiovascular.

Angel Rodríguez y Jorge Laborda (13/09/2023)