miércoles, 17 de enero de 2018

Yo quiero ser Científico - Eduardo Hernández

Y yo quiero ser...Científico
(Por Eduardo Hernández)

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Recuerdo el día en que hablé con mi padre sobre el espinoso tema de cuáles serían mis estudios universitarios. Hasta entonces había pasado por varias fases: estudiar magisterio, o incluso filología inglesa (que en mi caso habría sido una opción fácil, teniendo madre inglesa). Con todo el respeto hacia esas opciones, lo cierto es que ninguna de las dos me convencía demasiado. Siempre me había sentido atraído por las ciencias, pero nunca me había planteado seriamente la posibilidad de estudiar una carrera científica, y mucho menos dedicarme profesionalmente a la ciencia (que al fin y al cabo es para lo que se supone que uno estudia una carrera). Pero, ya en el último año de mis estudios pre-universitarios, era hora de tomar una decisión en firme. La primera parte de esa decisión consistió en desechar opciones por las que no sintiese un mínimo de entusiasmo, así que el magisterio y la filología quedaron descartados. La segunda fue reducir el rango de opciones: decidí que estudiaría una carrera científica, a elegir entre física o química. Mi padre se alegró enormemente con esa decisión, y así me lo dijo aquel día.

Ahora sólo era cuestión de tomar una decisión final: ¿física o química? ¡No era tan fácil! Yo me inclinaba más por la física, pero en aquellos tiempos, en mi ciudad, Alicante, no era posible estudiar esa carrera, aunque sí había licenciatura de química. Estudiar física suponía realizar mis estudios en otra ciudad, con la consiguiente carga económica para mi familia (en aquellos tiempos no había muchas becas), y todas las complicaciones añadidas que se derivan de dejar el nido familiar. Con esos condicionantes, no es extraño que al final triunfara la opción de estudiar química; no obstante siempre me ha quedado la curiosidad por saber cómo me habrían ido las cosas si hubiese optado por estudiar física.

Así pues, con una decisión ya tomada, me embarqué en mis estudios de química con entusiasmo, y para mi agradable sorpresa descubrí que la química y la física tenían en común más de lo que yo había supuesto. De hecho, se estudiaba mucha física en la licenciatura de química, además de matemáticas, y por supuesto, química. Varias de las asignaturas del temario tenían el nombre de química-física. Estas asignaturas eran invariablemente las que me gustaban más, y me resultaba cómico descubrir que a mis compañeros de estudios en general no les sucedía lo mismo; ellos sí tenían claro que lo suyo era la química, y no la física. Mi preferencia por las asignaturas más tendentes a la física acabó valiéndome el sobrenombre de “el anti-químico”. No es que yo renegara de la química, ni mucho menos, pero el mote me hacía gracia.

Acabado el tercer curso de la carrera de ciencias químicas, que en aquellos tiempos constaba de cinco, se me planteó una nueva disyuntiva: podía seguir como hasta entonces y acabar la carrera en la Universidad de Alicante, o bien podía marcharme para completar el segundo ciclo en otra universidad. Quedarme en Alicante suponía acabar con la licenciatura en Química General, ya que allí no existía la posibilidad de cursar ninguna especialidad. Por otro lado, si me marchaba a una universidad más grande, podría especializarme en alguna rama de las que me atraían más, léase química-física o química cuántica. Tres años antes la idea de marcharme se me había hecho muy cuesta arriba, pero la verdad es que ahora me moría de ganas por dejar el hogar familiar y lanzarme a la aventura. Tras cursar asignaturas de química analítica, ingeniería química y otras similares, tenía claro que prefería ahondar en la química-física. Así pues decidí liarme la manta a la cabeza y trasladarme a Madrid para estudiar la especialidad de química cuántica en la Universidad Autónoma, la especialidad más teórica de la química, y por tanto la más cercana a la física.

Después de esos años en Madrid acabé la carrera estudiando más física y más matemáticas que química propiamente dicha, pero disfrutando mucho en el proceso. Después de eso vino la posibilidad de realizar un doctorado en simulación de materiales, en Londres, y así fue como mi inquietud entre la química y la física fue labrando mi carrera científica. Mi doctorado me sirvió para introducirme en el fascinante mundo de la informática aplicada a la investigación científica; me sirvió también para encauzar mi carrera científica en la dirección de la ciencia de materiales, un campo a medio camino entre la física y la química, al que pareciera que me encontraba predestinado sin yo saberlo. Hoy en día trabajo para el Consejo Superior de Investigaciones Científicas, concretamente en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, y mi trabajo consiste en emplear técnicas de simulación aplicadas al estudio de propiedades y diseño de nuevos materiales.

¿Qué es la Simulación de Materiales?

Actualmente, a pesar de que nuestro conocimiento de las leyes que gobiernan el comportamiento de la materia a escala atómica y molecular es todavía parcial, resulta posible simular con ayuda de un ordenador muchos materiales de manera suficientemente realista como para poder predecir sus propiedades físicas y químicas. Dichas propiedades son el resultado de las interacciones entre los átomos o moléculas que conforman el material en cuestión. Por ejemplo, si los enlaces químicos entre los átomos son fuertes, como ocurre en el caso del carbono, tendremos un material con alta resistencia a la deformación, un material de gran dureza. Éste es el caso del diamante. Si podemos modelar con suficiente precisión y fidelidad las interacciones que tienen lugar entre átomos y moléculas, podremos calcular cómo dichas interacciones se traducen en propiedades macroscópicas de los materiales resultantes. Todo ello nos puede ayudar a diseñar nuevos materiales con propiedades deseables desde un punto de vista de posibles aplicaciones tecnológicas.

La simulación de materiales también es útil como complemento a la labor experimental. Aunque las técnicas experimentales son cada día más finas y precisas, no siempre resulta posible obtener una visión detallada de lo que ocurre durante un experimento a escala atómica. Sin dicha imagen resulta complicado, cuando no imposible, interpretar certeramente los resultados experimentales. Por ello es cada vez más frecuente que se publiquen artículos científicos en los que se combinan técnicas experimentales y simulación para lograr una interpretación lo más completa posible del fenómeno estudiado.

Gracias a la simulación resulta posible investigar el comportamiento y las propiedades de materiales en condiciones extremas de presión y/o temperatura, condiciones en las que la experimentación resultaría extremadamente difícil y costosa. Preguntas tales como ¿cómo se comportan los minerales que se encuentran en las profundidades del interior de la Tierra, o en el interior de Júpiter o Saturno? resultan muy difíciles de responder mediante experimentos, pero se pueden plantear, y responder al menos parcialmente, mediante simulaciones. Veamos un ejemplo: sabemos, gracias a medidas sismológicas, que el interior de la Tierra se estructura en capas. La capa más externa, sobre la que vivimos, es la corteza; esta se encuentra sobre el manto, que alcanza una profundidad de unos 2900 km, formado principalmente por silicatos, y que a su vez se divide en dos capas, el manto externo y el interno, con una zona de transición entre ambos. Más abajo aún está el núcleo, que nuevamente se divide en núcleo externo e interno. El núcleo se compone principalmente de hierro. En el núcleo externo el metal se encuentra en estado líquido, mientras que en el núcleo interno es sólido. Las medidas sismológicas nos informan además sobre la presión y sobre la densidad a medida que aumenta la profundidad; sin embargo, no nos dicen nada acerca de la temperatura. Una forma de deducir indirectamente la temperatura a la que se encuentra el interior de la Tierra a la profundidad a la que se encuentra la transición entre el núcleo interno y el externo (unos 5100 km) es medir la temperatura de fusión del hierro a 330 GPa (3,300,000 atm), la presión a la que se da esa transición. Dichos experimentos son extremadamente costosos y difíciles, y durante mucho tiempo no han sido concluyentes, ya que distintos grupos han obtenido resultados divergentes. Sin embargo, para una simulación las altas presiones no son a priori un problema. Hace ya algunos años, un grupo de geofísicos empleó técnicas de simulación ab initio para predecir que el hierro a 330 GPa de presión funde a la pasmosa temperatura de 6000 K, una temperatura comparable a la que impera en la superficie del sol. Por lo tanto, esa debe de ser la temperatura a la que se encuentra la frontera entre el núcleo interno y el externo. Posteriormente, esta predicción ha sido corroborada experimentalmente en varios estudios.

Hoy en día la simulación se emplea asiduamente en la mayoría de las disciplinas científicas, desde la física y la química a la biología, o, como acabamos de ver, la geología. Yo he encontrado mi línea de trabajo en este fascinante mundo de la simulación aplicada al campo de la investigación en ciencia de materiales. Es un campo que me ha dado un sinnúmero de satisfacciones, tanto personales como profesionales.

Fig. 1. Nanotubos de carbono transportando una carga (en este caso una placa de oro) bajo los efectos de un gradiente térmico a lo largo del nanotubo amarillo (1).


Notas:
(1) Simulaciones realizadas por Riccardo Rurali y Eduardo Hernández (más detalles en Barreiro et al., Science vol. 320, p. 775 (2008)).
Eduardo Hernández
Doctor en Ciencias, Especialista en Simulación de Materiales
Investigador Científico del CSIC en el Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid

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