Investigadores de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEN) están publicando sus descubrimientos en prestigiosas revistas científicas como Nature, Scientific Reports o Journal of Nuclear Materials. Pero no son hechos aislados sino el resultado de mucho trabajo y una prueba de que, según palabras de uno de los investigadores, “en la Universidad se puede hacer ciencia de primer nivel”.

Dos laboratorios de la FCEN, uno de Simulaciones de Materiales, Astrofísica y Física (SIMAF), a cargo del doctor Eduardo Bringa, y otro de Simulación en Biofísica y Materia Condensada Blanda, a cargo del doctor Mario Del Pópolo, trabajan en diferentes líneas de investigación en temas de punta en el ámbito científico a nivel mundial. Sin embargo, tienen mucho en común: trabajan con simulaciones en computadoras en colaboración con laboratorios extranjeros y sus resultados han sido recientemente publicados en revistas de alto impacto.

Tengo el líquido con agujeritos

La revista británica Nature, que nació en 1869, es una de las más prestigiosas e influyentes. Sus páginas revelaron al mundo descubrimientos tales como la estructura del ADN y el genoma humano. Publicar en ella es todo un logro ya que posee requisitos muy exigentes en cuanto a calidad, novedad y potencialidad de generar un nuevo campo de investigación. ‘Liquids with permanent porosity’ es el título de un artículo publicado en Nature por un grupo internacional de investigadores entre los que se encuentra Del Pópolo.

Para entender de qué se trata, hay que considerar que los líquidos están formados por moléculas que se mueven constantemente, lo que provoca que entre ellas aparezcan y desaparezcan cavidades. En cambio, un sólido poroso tiene una estructura cristalina formada por moléculas que no se desplazan demasiado, y por lo tanto sus poros son permanentes. “Hace mucho años empezamos a pensar si era posible producir un material líquido que tuviera poros permanentes”, recuerda Del Pópolo.

Pero ¿cómo lograrlo? El investigador revela el truco: “Pensamos que sería posible hacerlo si de alguna manera metíamos el poro en la estructura misma de la molécula del líquido, o sea, construyendo moléculas que tuvieran cavidades”. El equipo de Del Pópolo comenzó a trabajar en el diseño de estas moléculas en la computadora mientras investigadores del Reino Unido estudiaban candidatos promisorios de moléculas en el laboratorio. “Después de un par de idas y vueltas entre la computadora y los experimentos, por fin llegamos a un material”, cuenta el experto. El material que obtuvieron es un líquido formado por moléculas con forma de “caja” inmersas en un solvente a una concentración extremadamente alta.

El trabajo no acabó allí, faltaban pruebas para ver si las moléculas porosas podían capturar gases. Del Pópolo explica: “Con las simulaciones y los experimentos probamos que este líquido puede absorber selectivamente ciertos gases. Lo novedoso es que esto no había sido hecho antes. La gente que estudia captura de gases, por ejemplo, trabaja con materiales sólidos, pero la ventaja que tiene el líquido es que lo podés transportar fácilmente por una tubería”.

Cuando se le preguntó por las posibles aplicaciones de este descubrimiento, el especialista reflexionó: “Las aplicaciones potenciales existen, pero por ahora nosotros no queremos enfatizar demasiado ese aspecto. Lo que hemos hecho es proponer y demostrar un concepto nuevo, el del ‘líquido microporoso’, que esperamos conduzca a nuevos descubrimientos en el área de la química. Tal vez en el futuro veamos que los líquidos porosos encuentran aplicaciones novedosas, pero para eso todavía queda mucho trabajo por hacer”.

Estudiar los defectos

El equipo de Bringa, liderado por Carlos Ruestes, estudiante posdoctoral, están por publicar un artículo en Scientific Reports, una ‘hermanita menor de la Nature’. El trabajo está relacionado con los llamados ‘defectos supersónicos’.

“En general, el comportamiento de los materiales tiene que ver con los defectos que tienen. Entonces hay muchísimo interés en comprender en detalle qué le sucede a los defectos de los materiales cuando uno los somete a condiciones extremas como, por ejemplo, presión elevada”, comenta Bringa, y aclara: “Los metales con los que trabajamos son cristalinos, lo cual significa que cada átomo está en un lugar muy predecible respecto a los demás. Cuando hay algo fuera de lugar se dice que el material tiene un defecto, que puede ser puntual, como cuando falta o sobra un átomo, o lineal, como cuando existen dislocaciones”. En la década del ’30 se predijo la existencia de esos defectos lineales, que se comprobó mucho después. Hoy en día se sabe que son responsables de gran parte de las propiedades mecánicas de los metales.

Desde hace un par de décadas los físicos se preguntan si esos defectos se mueven a velocidades supersónicas (del orden de varios kilómetros por segundo) dentro de los materiales si se los ‘empuja’ con alguna fuerza externa. Esta propiedad es lo que le permitiría al material acomodarse frente a una deformación y no romperse, o resistir presiones gigantescas sin colapsar.

“Con este trabajo proponemos un posible camino para, por primera vez, intentar dar una respuesta experimental a esta pregunta de décadas”, destaca el especialista. “Simulamos en la computadora una situación muy realista para que se pueda verificar en un futuro en un laboratorio. La respuesta fue positiva: nuestra simulación encontró que había defectos que se movían muy rápido. Además, las condiciones de la simulación se pueden obtener experimentalmente hoy en día. Incluso presentamos en este artículo un resultado preliminar del experimento que se está haciendo”, concluye.

“Un resultado experimental que nos dejó atónitos”

El equipo de Bringa ayudó a dirimir otro debate de décadas, lo que le valió una nueva publicación en Scientific Reports. Todo comenzó cuando un investigador dijo haber visto una nueva fase de un material luego de haberlo comprimido a alta presión y descomprimido. El investigador se ganó el descrédito y las críticas de la comunidad científica de su época ya que esa fase no debería existir según las leyes de la termodinámica.

“Nuestros colegas en Estados Unidos hicieron una serie de experimentos de alta calidad y encontraron que, en contra de lo previsto, en las muestras que se había comprimido y después recuperado a temperatura ambiente había bastante de esta fase que no debería existir”, revela Bringa. “Luego simulamos las condiciones experimentales y pudimos dar una explicación: lo que sucede es que aparecen esfuerzos de corte gigantescos que cambian la posibilidad de que exista esa fase, se genere y crezca. Sin la simulación no se podría comprender demasiado”, destaca.

El trabajo continuó, como comenta el investigador: “Fue un resultado experimental que nos dejó atónitos. En ciencia uno es incrédulo hasta de las cosas que uno mismo hace, así que estuvimos analizando los datos y rehaciendo cosas durante bastante tiempo antes de convencernos de que realmente estaba bien”, confiesa.

Aún queda mucha tela para cortar

“Lo que me interesa destacar es que somos un grupo de gente, hay becarios doctorales, posdoctorales y de grado. Estamos trabajando en temas que van desde astrofísica hasta nanomateriales y algunos relacionados con Biología y o Ciencia de la Computación, utilizando las computadoras como una herramienta para entender la realidad que nos rodea”, amplía Bringa y concluye: “Las personas que estén interesadas por supuesto pueden acercarse en cualquier momento, sabiendo que en la FCEN se puede hacer ciencia de primer nivel”.