Investigación y ciencia 245

ORIGEN DE IBERICOS, VASCOS Y ARGELINOS

INFANCIA DEL UNIVERSO

EXISTE RIESGO DE UNA GUERRA BACTERIOLOGICA?

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00245 APOPTOSIS CELULAR

FEBRERO 1997800 PTAS.

Armas biolgicasLeonard A. Cole

Los romanos condenaban ya el uso de venenos en la guerra por ser contrario al derecho de gentes. Hoy, las armas biolgicas se han convertido en la opcin ms interesante para muchas naciones y terroristas debido a su bajo coste y su enorme potencial lesivo. El autor de un nuevo libro sobre esta amenaza describe qu pasos deben seguirse para frenar su proliferacin.

El deuterio primordial y la gran explosinCraig J. Hogan

Todos los tomos de deuterio, un istopo pesado del hidrgeno, son remanentes csmicos de los primeros minutos de la creacin. Saber qu cantidad de esta materia exista originalmente sirve para conocer las condiciones primitivas del universo. Se ha encontrado una forma de escrutar el universo de hace miles de millones de aos: el examen de las lneas espectrales de los cusares.

Creacin de materiales nanofsicosRichard W. Siegel

Quiere fabricar cobre cinco veces ms resistente o cermicas que no se rompan? Disminuyendo 10.000 veces el tamao de los granos estructurales que constituyen a estos y a otros slidos, los fabricantes pueden ya establecer, a conveniencia del usuario, la resistencia, el color y la plasticidad de nuevos materiales para aplicaciones que van de la electrnica a la cosmtica.

Suicidio celular, en la salud y en la enfermedadRichard C. Duke, David M. Ojcius y John Ding-E Young

El organismo no est capacitado slo para producir nuevas clulas. Para que nuestro cuerpo se mantenga sano, millones de clulas deben autosacrificarse cada minuto. Cncer, sida, Alzheimer y otras muchas enfermedades parecen deberse, en parte, a las alteraciones de ese proceso de autodestruccin celular, denominado apoptosis.

Polvo atmosfrico y lluvia cidaLars O. Hedin y Gene E. Likens

Por qu contina la lluvia cida siendo un problema ambiental en Europa y Norteamrica, pese a las medidas tomadas contra la contaminacin? La respuesta est literalmente flotando en el viento: el polvo atmosfrico. Esas partculas suspendidas en el aire ayudan a neutralizar los cidos que caen sobre los bosques, pero en la actualidad los niveles de polvo son inslitamente bajos.

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Febrero de 1997 Nmero 245

La vida diaria en el antiguo EgiptoAndrea G. McDowell

Los arquelogos conocen mejor la historia de los faraones del antiguo Egipto que los problemas cotidianos de la gente que levant sus monumentos funerarios. Pero los restos literarios que han aparecido en Deir el-Medina estn desenterrando la vida diaria de los habitantes de una singular villa egipcia.

Origen de ibricos, vascos y argelinosAntonio Arniz Villena y Jorge Martnez Laso

El origen y las relaciones entre poblaciones se han fundado por lo comn en datos arqueolgicos, culturales, lingsticos y otros factores externos. El estudio directo de los genes permite proceder sobre bases ms fiables. Algunas poblaciones conservan en parte frecuencias de los alelos especficos del grupo fundador.

Un grillo robotBarbara Webb

Suele creerse que la educcin de conductas naturales en una mquina ha de exigir complejos programas de control. A veces, sin embargo, puede lograrlo un programa sencillo que interacte con el ambiente. Tal fue el enfoque adoptado por la autora para construir un robot que se comporta como una hembra de grillo.

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Edicin espaola de

SECCIONES

META

3 HACE...

26 PERFILES

28 CIENCIAY SOCIEDAD

84 JUEGOSMATEMTICOS

42 DE CERCA

79 INFORMTICA

90 LIBROS

96 IDEAS APLICADAS

Mejora vegetal. 87 TALLER Y LABORATORIO

Vacas en el laberinto.

INVESTIGACION Y CIENCIADIRECTOR GENERAL Francisco Gracia GuillnEDICIONES Jos Mara Valderas, directorADMINISTRACIN Pilar Bronchal, directoraPRODUCCIN M.a Cruz Iglesias Capn Bernat Peso Infante Carmen Lebrn PrezSECRETARA Purificacin Mayoral MartnezEDITA Prensa Cientfica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa) Telfono (93) 414 33 44 Telefax (93) 414 54 13

SCIENTIFIC AMERICANEDITOR IN CHIEF John RennieBOARD OF EDITORS Michelle Press, Managing Editor; Philip M. Yam, News Editor; Ricki L. Rusting y Timothy M. Beardsley, Associate Editors; John Horgan, Senior Writer; Corey S. Powell, Electronic Features Editor; W. Wayt Gibbs; Kristin Leutwyler; Madhusree Mukerjee; Sasha Nemecek; David A. Schneider; Gary Stix; Paul Wallich; Glenn Zorpette; Marguerite Holloway, Contributing EditorPRODUCTION Richard SassoCHAIRMAN AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER John J. HanleyPUBLISHER Joachim P. Rosler

PROCEDENCIADE LAS ILUSTRACIONES

Portada: Slim Films

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Fuente

M. Milner, SygmaPatric Robert, SygmaM. Walker, Photo Researchers (arriba); CNRI, Science Photo Library/Photo Res. (centrales); Photo Researchers (abajo)Brian R. Wolff, IIPICortesa de Craig J. HoganRoger Ressmeyer, CorbisCortesa de Craig J. Hogan (inserto); Alfred T. Kamajian (pintura)Ian WorpoleCortesa del Observatorio Naval de EE.UU.; Ian Worpole (retoque)Remi Benali, Gamma LiaisonSilvia Otte (foto); JenniferC. Christiansen (dibujo);George Thomas (micrografa)Marc Fieli y Philippe-Andr Buffat (arriba); JenniferC. Christiansen (abajo)Adam LichtAudra GerasBrian V. Harmon, Universidad de Tecnologa de Queensland (arriba); Jared Schneidman Design (abajo)Jared Schneidman DesignSlim FilmsJared Schneidman DesignRoberto OstiJennifer C. ChristiansenRoberto OstiJohn Beatty, Tony Stone WorldwideTomo Narashima; O. Louis Mazzatenta, coleccin del National Geographic (fotografa)Museo Fitzwilliam, Universidad de Cambridge; Museo Egipcio, El Cairo (arriba); Ministerio de Cultura y Medio Ambiente, Museo Egipcio, Turn (abajo)Media Services, Museo Hunter, Univ. de GlasgowMedelhavsmuseet, Museo de Antigedades del Mediterrneo y del Prximo Oriente, Estocolmo; Museo Egipcio, Univ. de LeipzigInstituto Oriental de Arqueologa,El CairoAntonio Arnaiz Villena y Jorge Martnez LasoLaurie Grace (composicin digital); Barbara Webb (foto)Jeff Foott, Bruce Coleman Inc.Laurie GraceRobert P. Carr, Bruce Coleman Inc. (animal); Barbara Webb (modelo)Jennifer C. ChristiansenEdward Bell; adaptado por SKI & TELESCOPEIan WorpoleDRT MFG. CO. (fotografa); M. Goodman (arriba. dcha.); Dan Wagner; retoque color Michael Goodman (abajo, dcha.); Jim Callaway SABA (abajo, izda.)

COLABORADORES DE ESTE NUMEROAsesoramiento y traduccin:

Jos Mara Valderas Martnez: Armas biolgicas; Juan Pedro Campos: El deuterio primordial y la gran explosin; Xavier Obradors: Creacin de materiales nanofsicos; Santiago Torres: Suicidio celular, en la salud y en la enfermedad; Manuel Puigcerver: Polvo atmosfricoy lluvia cida; J. M. Garca de la Mora: La vida diaria en el antiguo Egipto; Luis Bou: Un grillo robot; J. Vilardell: Hace..., Taller y laboratorio e Ideas aplicadas; Angel Garcimartn: Perfiles; Diana Estvez: Informtica

Ciencia y sociedad: Juan Pedro Campos y Manuel Puigcerver

Copyright 1996 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017.

Copyright 1997 Prensa Cientfica S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (Espaa)Reservados todos los derechos. Prohibida la reproduccin en todo o en parte por ningn medio mecnico, fotogrfico o electrnico, as como cualquier clase de copia, reproduccin, registro o transmisin para uso pblico o privado, sin la previa autorizacin escrita del editor de la revista. El nombre y la marca comercial SCIENTIFIC AMERICAN, as como el logotipo correspondiente, son propiedad exclusiva de Scientific American, Inc., con cuya licencia se utilizan aqu.ISSN 0210136X Dep. legal: B. 38.999 76Filmacin y fotocromos reproducidos por Scan V2, S.A., Avda. Carrilet, 237 08907 L'Hospitalet (Barcelona)Imprime Rotocayfo, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - Santa Perptua de Mogoda (Barcelona)Printed in Spain - Impreso en Espaa

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INVESTIGACIN Y CIENCIA, febrero, 1997 3

...cincuenta aos

SCIENTIFIC AMERICAN: El uranio podra emplearse como patrn mone-tario internacional en sustitucin de la plata y el oro, tradicionales estn-dares internacionales de la riqueza. La fisin atmica puede convertir directamente en energa al menos una parte de una masa de uranio; la energa, o sea, la capacidad de realizar trabajo, se sugiere como cimiento de los valores econmicos bastante ms lgico que los que poseen los metales preciosos. La dureza del uranio y la facilidad con que se oxida impide su uso en las monedas modernas. Sin embargo, las distintas propuestas acerca del control internacional de las sustancias fisionables podran por s mismas llevarnos a un papel moneda inter-nacional respaldado por un depsito de uranio metlico controlado por un nico centro.

Por fin los qumicos han con-seguido dominar el flor, el ms ingobernable de los elementos. El primer plstico comercial de flor es un polmero del tetrafluoretileno, un plstico translcido y ceroso, estable hasta los 250 grados centgrados. La resistencia qumica del Teflon, tal es el nombre dado al material, es excepcional. Pero, a tenor de su precio, su campo de aplicacin es limitado. Adems de su empleo en instalaciones elctricas, es muy proba-ble que pudiera aplicarse como material para jun-tas y conductos inertes en la industria qumica.

...cien aos

SCIENTIFIC AMERICAN: Segn Medical Report, miss Lilias Hamilton, m-dico personal del emir de Afganistn, ha logra-do convencer a su real paciente de las ventajas de la vacuna. Cada pri-mavera, la viruela asuela el pas matando a un nio de cada cinco. El emir ha decretado la vacuna

obligatoria en todos sus estados. Se ha dado la orden de construir establos y de criar terneras. Miss Hamilton ha sido encargada de organizar un servicio general de vacunacin.

En el fondo del ocano la presin es enorme. A 2500 brazas la presin es treinta veces ms intensa que la presin del vapor de una locomotora que arrastre un tren. Ya en 1880 un destacado zologo explic la existen-cia de animales de las profundidades marinas suponiendo que sus cuerpos estuvieran compuestos de slidos y lquidos de gran densidad y sin aire. No es ste el caso de los peces de las profundidades, provistos de vejigas natatorias que se llenan de aire. Los miembros de estas desgra-ciadas especies son susceptibles de ser vctimas del inslito accidente de caerse hacia arriba y, sin duda, encontrar una muerte violenta al poco de abandonar su profundidad acostumbrada.

En Nueva York una tormenta de nieve fuerte es la seal para poner en orden de batalla a todas las fuer-zas del Departamento de Limpieza Callejera. Durante das una compacta columna de carros, llenos de nieve, avanza en direccin al ro, donde aqulla se arroja. Son muchos los experimentos llevados a cabo para

eliminar un material de tan difcil manejo en favor de unos procedi-mientos menos pesados y costosos. Ilustramos aqu una licuadora de nie-ve quemadora de nafta recientemente ensayada en Nueva York. La llama generada por la nafta al quemarse en el aire entra en contacto directo con la nieve, fundindola al momento. Para alimentar el monstruo insaciable se necesitan catorce hombres.

...ciento cincuenta aos

SCIENTIFIC AMERICAN: Ms acer-ca del hambre: Un peridico de Liverpool afirma que el desembarco en ese puerto de irlandeses ham-brientos excede de los 1000 diarios; en su mayora mujeres y nios. En Irlanda los guardianes de la Ley de los Pobres han sido obligados a cerrar las puertas de las casas de caridad (asilos para pobres), y en sus propias palabras adoptar la terrible alternativa de excluir a centenares de seres enfermos y hambrientos que cotidianamente solicitan la ad-misin. Slo en una de esas casas fallecieron doscientos sesenta en el curso de tres meses. Resulta im-posible procurarse atades para los muertos; y los cadveres se arrojan a las fosas sin otro atavo que los harapos que vestan en vida. 400.000 hombres aceptaron contentos un em-pleo por diez peniques diarios, con

los que muchos sostienen a su familia, pese a los elevados precios de los alimentos.

Un escritor berlins da a conocer el proyecto Panam que el prncipe Luis Napolen est a punto de comenzar en Centroamrica, al objeto de poner en aplicacin la idea de unir los dos oca-nos. El profesor Charles Ritter, gegrafo reputa-do, ha informado a la Sociedad Geogrfica de Berln del proyecto del prncipe, proyecto que ste concibi, tal parece, durante su encarcelamien-to en Ham.

HACE...

Licuadora de nieve en funcionamiento

4 INVESTIGACIN Y CIENCIA, febrero, 1997

En 1995 tuve la ocurrencia de preguntarle a un amigo: Qu te inspira mayor temor, ser vctima de un ataque con armas bio-lgicas o de un bombardeo qumico? Me mir estupefacto. La verdad es que lo que me produce pavor es el Alzheimer, me contest. Soltamos una carcajada. De forma ingeniosa haba esquivado mi pregunta por con-siderar el tema improcedente. En una sociedad civilizada, las personas no piensan en esas cosas.

Al da siguiente, el veinte de marzo, alguien solt sarina, un agente ner-vioso, en el metropolitano de Tokio. Murieron 12 personas y 5500 ms sufrieron lesiones. En Japn, nada menos, uno de los pases ms seguros del mundo. Telefone a mi amigo y comentamos la coincidencia en el tiempo con mi pregunta a bote pronto. Lo que un da haba sido un juego aparentemente frvolo se convirti, al da siguiente, en un asunto mortal-mente trgico.

Si en el ataque de Tokio no mu-rieron miles de personas, hay que atribuirlo a la composicin impura del gas. La sarina se desarroll en los aos treinta en Alemania y apenas una gota basta para matar en pocos minutos, por contacto cutneo o por inhalacin de sus vapores. Al igual que el resto de agentes nerviosos, esta substancia bloquea la accin de la acetilcolinesterasa, una enzima ne-cesaria para la transmisin de los impulsos nerviosos.

La secta responsable del ataque, Aum Shinrikyo (Verdad Suprema), estaba preparando tambin agentes biolgicos. Si un ataque qumico es

algo terrible, mucho peor lo es uno biolgico. Los agentes qumicos son inanimados, pero las bacterias, los virus y otros agentes vivos pueden ser contagiosos y reproducirse: una vez establecidos en un ambiente, se multiplican. A diferencia de cualquier otro tipo de armamento, el biolgico incrementa su peligrosidad con el tiempo.

Unos agentes biolgicos incapa-citan a la vctima; otros, la matan. El virus Ebola, por ejemplo, acaba con la vida del 90 por ciento de sus vctimas en poco ms de una semana. El tejido conectivo se licua; se observan hemorragias en todos los orificios. Los atacados por el virus Ebola sufren convulsiones en los estadios finales de la enfermedad. De esta forma esparcen su sangre contaminada mientras se doblan y retuercen hasta fallecer.

No existe cura ni tratamiento conocido para el virus Ebola. Ni siquiera se sabe con claridad cul es su mecanismo de propagacin: si por contacto con las vctimas y su sangre, sus fluidos y restos cor-porales, o sencillamente al respirar el aire de un mismo ambiente. La reciente aparicin de brotes en el Zaire oblig a poner en cuarentena regiones enteras del pas hasta que la enfermedad remiti.

El horror que todo esto representa slo se ve superado por la posibilidad de que individuos o naciones tomen en consideracin el recurso a em-plear tales virus para atacar a otros. En octubre de 1992 Shoko Asahara, jefe de la secta Aum Shinrikyo, y cuarenta de sus seguidores viajaron al Zaire, supuestamente para soco-rrer a las vctimas del virus Ebola. Pero, segn consta en informe del 31 de octubre de 1995 del subco-mit permanente de investigaciones del Senado de los Estados Unidos, su intencin fue probablemente la de obtener muestras del virus para

poder cultivarlas y emplearlas en ataques biolgicos.

Tambin en EE.UU. existen grupos interesados en la obtencin de orga-nismos asesinos con fines siniestros. El 5 de mayo de 1995, seis semanas despus del incidente en el metro de Tokio, Larry Harris, tcnico de laboratorio en Ohio, solicit a una empresa de suministros biomdicos de Maryland la bacteria que pro-voca la peste bubnica. La compaa, American Type Culture Col lection de Rockville, le envi por correo tres envases con muestras de Yersinia pestis.

Harris slo levant sospechas cuando telefone a la empresa cuatro das despus de enviar su peticin para preguntar por qu an no la haban satisfecho. Los encargados de la compaa se sorprendieron de su impaciencia y de su falta de familia-ridad con las tcnicas de laboratorio, por lo que decidieron ponerse en contacto con las autoridades fede-rales. Se descubri ms tarde que perteneca a una organizacin en pro de la supremaca de la raza blanca. En noviembre de 1995 se declar culpable de fraude postal ante un tribunal federal.

Harris no precis ms que de una tarjeta de crdito y un membrete falso para hacerse con la bacteria. En parte debido a este hecho, una ley aprobada en abril de 1996 obliga a los centros de prevencin y control de las enfermedades a verificar con mayor detenimiento los envos de agentes infecciosos.

Qu es lo que podra haber hecho Harris con la bacteria? El sostuvo que

LEONARD A. COLE ensea ciencias polticas en la Universidad Rutgers en Newark. Es una autoridad mundial en el campo de las relaciones entre ciencia y poltica.

Armas biolgicasEl arsenal biolgico ha despertado un inters creciente en los estados

y en las bandas terroristas. Son necesarios controles ms estrictossobre este tipo de armamento para evitar su empleo

Leonard A. Cole

1. EN 1991, durante la guerra del golfo Prsico y ante la posibilidad de un ataque iraqu con armamento qumico o biolgico, se distribuyeron entre los viajeros mscaras de gas en el aero-puerto de Tel Aviv.

quera llevar a cabo investigaciones para eliminar ratas iraques que lleva-ran grmenes de especial virulencia. Pero si hubiera intentado desarrollar un arsenal biolgico, le hubiera sido aterradoramente sencillo. Yersinia pes-tis se divide cada veinte minutos. Una sola bacteria puede producir ms de mil millones de copias en diez horas. Basta una pequea muestra de microorganismos para engendrar un cifra altsima en una semana. En algunas enfermedades, como el ntrax, la inhalacin de un par de miles de bacterias que no ocuparan un rea mayor que el punto que cierra esta frase sera fatal.

Kathleen C. Bailey, que fuera di- rectora adjunta de la estadouni-dense Oficina de Control y De sar me, ha visitado varios laboratorios farma-cuticos y empresas dedicadas a la biotecnologa. Est absolutamen te con-vencida de que se puede desarrollar un arsenal biolgico respetable en una habitacin de cinco metros cuadrados con una inversin en equipamiento de diez mil dlares. Al fin y al cabo, un equipo tan sencillo como un fer-mentador de cerveza, un medio de cultivo con protenas, una mscara

de gas y un traje de plstico bastan para cultivar billones de bacterias, con un riesgo relativamente pequeo para los manipuladores.

Afortunadamente, el terrorismo biolgico se ha limitado a casos contados. En septiembre de 1984, en una ciudad de Oregn llamada The Dalles, unas setecientas cincuenta per-sonas enfermaron tras haber comido en restaurantes. Ma Anand Sheela confes ante un tribunal federal que per te neca a un grupo, equiparable a una secta, enfrentado a los ve-cinos y que ella y otros miembros del grupo diseminaron bacterias del gnero Sal monella en ensaladas de cuatro restaurantes. Las bacterias procedan de cultivos realizados en laboratorios instalados en el rancho de la secta. Sheela ocupaba una posicin preeminente dentro de la secta, liderada por Bhagwan Shree Rajneesh, y pas dos aos y me-dio en prisin, tras los cuales fue deportada a Europa.

Segn indica un informe de 1992 de la Oficina de Asesoramiento de Asuntos Tcnicos, el terrorismo bio-lgico y qumico ha sido hasta ahora excepcional. Como infrecuente tam-bin ha sido el empleo militar de

agentes biolgicos. Tal vez el primer incidente del que se tiene noticia ocurriera en el siglo XIV, cuando una flota que puso asedio a la ciudad de Kaffa, un puerto del Mar Negro, en Crimea, catapult cadveres de vctimas de la peste por encima de las murallas de la ciudad. Existen documentos que certifican que, en la Amrica colonial, un oficial ingls distribuy entre los indios mantas con-taminadas con grmenes de la viruela que haba sacado de la enfermera con la intencin de desencadenar una epidemia entre las tribus. En este siglo, slo se tiene constancia oficial del empleo que Japn hizo de bacterias, como la responsable de la peste y otras, contra China en los aos trein ta y cuarenta.

Ahora que termina el siglo veinte, nos encontramos ante una desagra-dable paradoja. Nunca antes tantos estados haban firmado tratados in-ternacionales para la eliminacin de armas qumicas y biolgicas. Pero se sospecha que son muchos los que estn desarrollndolas a pesar de ta-les tratados. En 1980 slo un pas, la Unin Sovitica, fue denunciado por EE.UU. por violar la convencin sobre armas biolgicas de 1972, un


tratado que prohbe el desa-rrollo o la posesin de armas biolgicas.

Desde entonces, el nmero se ha disparado. En 1989 William Webster, director de la Oficina Central de Inteli-gencia (CIA), anunci que al menos diez pases fabri-caban armas biolgicas. En 1995 eran ya diecisiete, segn fuentes citadas por la Oficina de Ase soramiento de Asuntos Tc nicos y las sesiones del comit del Senado de EE.UU.: Irn, Irak, Libia, Siria, Corea del Norte, Taiwan, Israel, Egipto, Vietnam, Laos, Cuba, Bulgaria, India, Corea del Sur, Sudfrica, China y Rusia. (Los lderes rusos insisten en haber cerrado su programa biolgico, pero los EE.UU. lo ponen en duda.)

Irn, Irak, Libia, Siria y Corea del Norte inspiran es-pecial preocupacin a la vista de su historial militar. Irak, por ejemplo, ha reconocido las acusaciones de los inspec-tores de Naciones Unidas de que se encontraba en posesin de misiles Scud con cabeza biolgica durante la guerra del golfo Prsico en 1991. En 1994 un informe del Pentgono al Congreso de EE.UU. sealaba la inestabilidad en Europa oriental, Oriente Medio y el Sudoeste asitico como factores que incitaban a cada vez ms pases a desarrollar armas qumicas y biolgicas.

Debera ser una cuestin de primer orden para la comunidad de nacio-nes el revertir esta tendencia. La eliminacin de armamento qumico y biolgico es una meta valiosa, si bien difcil. El fracaso en este empeo reforzara la posibilidad de que se produjeran plagas provocadas por el hombre, ya fuera del virus Ebola o de otro agente igualmente estremecedor.

El empeo en el desarme biolgico debera verse respaldado con la consideracin de otro dato alar-mante: en numerosas situaciones, la poblacin general carece de defensa ante un ataque biolgico. Las vacu-nas pueden prevenir algunas enfer-medades, pero slo son eficaces si se sabe a qu microorganismo hay que hacer frente. Los antibiticos resultan eficaces contra bacterias o clases de agentes biolgicos espe-cficas, pero no contra todas ellas, indiscriminadamente. An ms, la

incidencia de enfermedades infec-ciosas crece en todo el mundo por la aparicin de cepas de bacterias resistentes al tratamiento. En esta era de la biotecnologa, en suma, se pueden disear organismos nuevos contra los que nada pueden vacunas y antibiticos.

Las barreras fsicas contra la in-feccin no producen ninguna tranqui-lidad. Afortunadamente, la mayora de los agentes infecciosos no tienen efecto sobre la piel intacta ni pueden atravesarla. Una mscara de gas y la ropa apropiada bastan para propor-cionar proteccin suficiente. Tras un corto perodo de tiempo, el peligro remitir al destruir la luz del sol y la temperatura ambiente los agen-tes. Pero algu nos microorganismos pueden permanecer indefinidamente en el medio. La isla de Gruinard, frente a las costas escocesas, estuvo contaminada durante cuarenta aos con esporas de ntrax, debido a los experimentos sobre armamento biol-gico que se llevaron a cabo durante los aos cuaren ta. Rex Watson, jefe del departamento de defensa qumica y biolgica britnico, asegur en 1981 que, si se hubiera bombardeado Berln con bacterias productoras de ntrax durante la segunda guerra

mundial, la ciudad seguira todava contaminada.

Si bien muchos israeles se acostumbraron a llevar msca-ras en 1991 durante la guerra del golfo Prsico, no cabe esperar que la poblacin ci-vil emplee semejante equipo durante meses o aos. Los inspectores de Naciones Uni-das en Irak explicaron que, si haca calor, apenas podan soportar la mscara ms de quince minutos seguidos.

Se han multiplicado las vo-ces en favor de programas de defensa biolgica ms slidos, especialmente a raz de la guerra del golfo Prsico. Los que apoyan un aumento de las subvenciones a la inves-tigacin de defensa biolgica aducen que el material y las vacunas desarrollados sera susceptible de proteger tanto a la poblacin civil como a la militar. Pero lo cierto es que, y esto vale para solda-dos y paisanos, a menos que se conozca con antelacin el organismo responsable del ata-que y sea adems sensible a procesos mdicos, la defensa puede ser una quimera.

Ciertamente la experiencia de la guerra del golfo Prsico puede inducir a error en algunos aspectos. Se crey que las armas biolgicas iraques eran el bacilo del ntrax y la toxina botulnica. (Si bien las toxinas son productos inanimados de los microorganismos, se consideran agentes biolgicos, segn se recoge en la convencin de 1972 sobre armas biolgicas.) Ambos son vulnerables a vacunas y tratamientos conocidos. Por ello la proteccin de las fuer-zas militares se consider una meta alcanzable. El apoyo generalizado a investigaciones que consolidaran la defensa contra estos agentes estaba garantizado.

Las pocas probabilidades que exis-ten de repeler un ataque con agentes que no sean los tradicionales merecen un atencin mayor. Parece caprichoso afirmar que la investigacin podra facilitar mecanismos defensivos cuya naturaleza no se conozca con antela-cin. An ms, con todas las limi-taciones que pudiera tener, el coste de un sistema de defen sa civil contra una agresin qumica o biolgica se-ra importante. Un informe elaborado en 1969 por las Na ciones Unidas indicaba que el coste de proveer de mscaras antigs, antibiticos, vacu-nas y de otras medidas defensivas

2. ENTERRAMIENTO EN MASA en una fosa comn de las vctimas del virus Ebola, en Kikwit (Zaire), en 1995. La secta japonesa Aum Shinrykyo consider su uso como arma biolgica.

para los civiles podra superar los 20.000 millones de dlares. Si co-rregimos la cifra segn la inflacin, actualmente estaramos hablando de 80.000 millones.

Vacunas y equipos protectores son algunos de los desafos que plantea la defensa biolgica, pero no los nicos. Resulta problemtica, por ejemplo, la identificacin de un microorganismo en el mismo campo de batalla. Incluso la determinacin de si se ha producido o no un ataque puede ser incierta. Por ello, el Pentgono ha empezado a centrar sus investigaciones en la deteccin.

En mayo de 1994 el vicesecretario de Defensa John Deutch pre-sent un informe sobre actividades contra la proliferacin de armamento de destruccin masiva preparado por varios grupos de la administracin norteamericana. En l se afirmaba que, en particular, no se estaban inves-tigando adecuadamente los detectores de agentes biolgicos. El informe recomenda ba que se incrementara en 75 millones de dlares los 110 pre-supuestados para el desa rrollo de la deteccin de armamento biolgico y qumico. Ya estaban en marcha progra-mas subvencionados por el Pentgono y que incluan la espectrometra de masas de trampa inica y la espec-troscopa de ruptura inducida por lser, tcnicas que se basan en las caracters ticas qumicas de los agen-tes peligrosos presentes en el aire. El ejrcito cifra sus esperanzas en encontrar un detector genrico, capaz de identificar clases de patgenos, si bien reconoce que se encuentra an muy lejos de su objetivo.

En paralelo, el ejrcito est tambin ponderando otro enfoque ms limi-tado basado en la identificacin de agentes especficos gracias a combi-naciones del tipo antgeno-anticuerpo. El sistema de deteccin biolgica integrada (BIDS) expone muestras de aire sospechosas a anticuerpos especficos que reaccionan con un agente biolgico determinado. Una reaccin positiva, proceso que dura unos 30 minutos, para un anticuerpo dado implica la presencia del agente correspondiente en el ambiente.

Mediante reacciones antgeno-an-ticuerpo, BIDS reconoce ya cuatro tipo de agentes: Bacillus anthracis (bacilo del ntrax), Yersinia pestis (productora de la peste bubnica), la toxina botulnica (el veneno libe-rado por los bacilos implicados en el botulismo) y la enterotoxina B estafiloccica (que fabrican algunas cepas de estafilococos). Estn en


Bacillus anthracis. Produce ntrax o carbunco. Tras inhalacin de las bacterias, los sntomas tardan unos dos o tres das en desarrollarse. Los sntomas iniciales son compatibles con los de una infeccin respiratoria comn, pero luego siguen fiebre alta, vmito, dolor articular, respiracin fatigada y lesiones he-morrgicas internas y externas. La exposicin puede ser fatal. La vacuna y los antibiticos ofrecen proteccin suficiente, a menos que la exposicin sea alta.

Toxina botulnica. Liberada por la bacteria Clostridium botu-linum, produce botulismo. Los sntomas aparecen a las 12-72 horas despus de la ingesta o inhalacin y se inician con nuseas y diarrea, seguidos de debilidad, sensacin de vrtigo y parlisis respiratoria que a menudo acarrea la muerte. La antitoxina detiene a veces el proceso.

Yersinia pestis. Produce la peste bubnica, la Peste Negra de la Edad Media. Si las bacterias llegan al pulmn, los sntomas (fiebre y delirio) pueden aparecer en tres o cuatro das. Los casos que no se tratan tienen casi siempre un desenlace fatal. Las vacunas proporcionan inmunidad y los antibiticos suelen ser eficaces si se administran precozmente.

Virus Ebola. Muy contagioso y letal. Su incierta estabilidad fuera del husped animal hace que no sea deseable como agente biolgico. Los sntomas aparecen dos o tres das despus del contacto: fiebre alta, delirio, artritis severa, hemorragias por los orificios naturales y convulsiones. El cuadro desemboca en la muerte, sin que se conozca tratamiento alguno.

Agentes biolgicos potenciales

desarrollo investigaciones de labora-torio que permitan la identificacin de otros agentes mediante reacciones antgeno-anticuerpo, pero son cientos los organismos y las toxinas que pue-den, en principio, convertirse en armas biolgicas. Se ignora cul puede llegar a ser el espectro de grmenes que BIDS sea capaz de identificar.

La medida ms eficaz contra la guerra y el terrorismo biolgicos es, y ser, la prevencin. A tal efecto, importa potenciar los servicios de informacin y el control de los su-ministros comerciales de patgenos. El plan antiterrorista presentado a principios de 1996 ya contempla ambas iniciativas. Tambin generan inters los intentos de identificacin y control de enfermedades emergentes. ProMED (Programa de Control de Enfermedades Emergentes) es uno de estos intentos y fue propuesto en 1993 por la Federacin de Cientficos Norteamericanos, que cuenta con tres mil miembros.

Los responsables de ProMED se pro-ponen investigar la aparicin brusca de enfermedades en general, sin cerrar los ojos a la posibilidad de epidemias producidas por el hombre. El sistema de vigilancia de ProMED incluir la creacin de una base de datos de las enfermedades endmicas de todo el

mundo, la advertencia inmediata de la aparicin de brotes no habituales y medidas orientadas a controlar la enfermedad, tales como asesoramiento mdico del comercio y de los viajes. Un programa de estas caractersticas permitira una deteccin ms eficaz de los brotes malignos causados por grupos hostiles.

Asimismo deberan darse los pasos necesarios para hacer ms estricta la Convencin de 1972 sobre Armas Biolgicas mediante procedimientos de verificacin que incluyeran ins-pecciones in situ. En la conferencia de 1991 se design un comit que estudiara tales medidas. VEREX, ana-grama del comit, elabor una lista con varias posibilidades, desde el control de la bibliografa cientfica hasta la realizacin de inspeccio-nes in situ en reas potencialmente productoras, tales como laboratorios, empresas farmacuticas o fbricas de cerveza. Del 25 de noviembre al 6 de diciembre de 1996 se ce-lebr en Ginebra otra conferencia de revisin, en la que, pese a los avances, no se logr introducir de la verificacin in situ del cumplimiento de los acuerdos. Se retras para la conferencia de 1998 la creacin de un protocolo donde podra hallar cabida esa cautela.


Dada la facilidad con que se pueden fabricar armas biolgicas, siempre ser posible que ciertos individuos contravengan los acuerdos interna-cionales. Pero su ausencia de los arsenales nacionales y la estricta re-gulacin de la adquisicin y transfe-rencia de patgenos har ms difcil su obtencin con fines criminales. La verificacin no podr ser nunca exhaustiva; por eso, algunos crticos opinan que los procedimientos de verificacin constituyen una prdida de tiempo. Los que estn a favor de tales procedimientos argumentan que las sanciones que sigan a las violaciones detectadas pueden tener cierto efecto disuasorio y que esto es preferible a que no haya sanciones en absoluto. An ms, un acuerdo global estricto debera obligar a las naciones del mundo a no traficar con ese armamento.

Existen varias circunstancias que explican el uso infrecuente de las armas biolgicas hasta la fecha. Algunos usuarios potenciales pro-bablemente no estn familiarizados con la lucha bacteriolgica. Incluso es posible que teman infectarse ellos mismos. La naturaleza imprevisible de los agentes biolgicos puede ha-ber tenido un efecto disuasorio para las naciones y para los terroristas. Las mutaciones pueden hacer que un virus o una bacteria incremente o pierda su virulencia, lo que puede suponer un revs a la estrategia de quien los disemin. Una ltima razn nada desdeable es que, una vez liberado en un medio, el patgeno

puede infectar a cualquiera que en l penetre, lo que dificulta la ocupacin del territorio.

Junto a estas razones de ndole prctica existe otra que requiere un nfasis mayor del que es objeto habi-tualmente: la repugnancia moral que inspiran estas armas. Su capacidad de producir un sufrimiento grande, junto a su carcter indiscriminado, contribuyen a la aversin profunda, asentada muy dentro, que la mayora de las personas sienten por ellas. Y esta repulsin explica el escaso uso de las armas biolgicas en el pasado. Contrariamente a los anlisis que habitualmente ignoran o minimizan este fenmeno, tal antipata natural debe apreciarse en su justa magnitud y sacrsele partido. Incluso es posible que algunos terroristas se resistan a usar armas que acabaran por poner a la gente definitivamente en contra de su causa.

En sintona con estos sentimien tos, la convencin de 1972 sobre armas biolgicas considera el armamento bio lgico repugnante para la con-ciencia del hombre. Las races de este pensamiento se hunden miles de aos. (Hasta el siglo XIX no se supo que los microorganismos causaban infecciones; se supona que el veneno y la enfermedad participaban de una misma realidad. En latn, veneno se dice virus.)

En muchas civilizaciones estuvie-ron prohibidos el envenenamiento de comida y de pozos, as como el recurso a las armas emponzoadas. Griegos y romanos condenaron el uso de venenos en la guerra por ser

violacin del ius gentium (derecho de gentes). Los venenos y otros tipos de armas reputadas inhumanas quedaron prohibidos por la ley Manu en India, alrededor del 500 a.C. y entre los sarracenos mil aos despus. Hugo Grotius, filsofo holands del derecho, reiter estas prohibiciones en su obra de 1625 La ley de guerra y de paz, y se acataron, en su mayor parte, en los encendidos conflictos religiosos de la poca.

Como los tabes de incesto, ca-nibalismo y otros actos repudiados, el tab del veneno se ha violado en ocasiones. Pero la frecuencia de tales violaciones puede haberse re-ducido gracias a su castigo como apropiacin fraudulenta de derechos naturales, en palabras del jurista ingls Robert P. Ward, que vivi a caballo de los siglos XVIII y XIX. En el marco del derecho de gentes, Ward escribi: Nada est ms ex-presamente prohibido que el uso de armas envenenadas (el subrayado es del original).

El historiador John Ellis van Courtland, profesor emrito de la Universidad estatal de Fitchburg, ex-plica cmo el auge del ideario nacio-nalista en el siglo XVIII arrincon el pensamiento contrario al empleo mi-litar de los venenos. Como resultado de lo que Moon denomina naciona-lizacin de la tica, las necesidades militares terminan por desplazar a las consideraciones morales en el gobierno de los pases. En estado de guerra, las naciones se disponen a emplear cuanto est a su alcance para lograr sus fines.

A mediados del siglo XIX algunos jefes militares propusieron el empleo de armas txicas, sin que se llegara llevar a prctica. S se emple, en cambio, el gas mostaza en la primera guerra mundial. La experiencia de una guerra qumica a gran escala fue tan estremecedora, que condujo al protocolo, firmado en 1925 en Ginebra, por el que se prohbe el uso de agentes qumicos y bacteriol-gicos en la guerra. Las imgenes de las vctimas, que moran respirando convulsivamente hasta la asfixia y echando espuma por la boca, tuvo un impacto muy profundo. El texto del protocolo refleja el sentido global de repulsa. As se afirma que el uso de estas armas ha sido justamente condenado por la opinin general del mundo civilizado.

En ninguna de los cientos de gue-rras o escaramuzas que les siguieron se utilizaron armas qumicas o bio-lgicas, hasta que Irak las emple

3. EN UN LABORATORIO de mxima seguridad del Instituto Mdico de Investigacin de Enfermedades Infecciosas de Maryland, se estudian agentes bio-lgicos y defensas potenciales.


extensamente durante la guerra Irn-Irak. Lamentablemente, la respuesta internacional al comportamiento iraqu fue, si no nula, ineficaz. Desde 1983 hasta el final de la guerra en 1988, a Irak se le permiti proseguir con el asesinato qumico. El miedo a que fuera Irn el que ganara la guerra acall protestas ms enrgicas contra un tipo de arma que haba ya recibido la repulsa universal.

Las consecuencias de este silen-cio ante el comportamiento iraqu fueron, no por desafortunadas, me-nos previsibles. La habilidad iraqu para hacer uso de su arsenal qumico con impunidad y su aparente eficacia contra Irn movieron a varios pases a potenciar su arsenal qumico y biolgico. Por irona de las cosas, en 1991 algunos de los pases que haban optado por el silencio sobre los ataques qumicos iraques tuvie-ron que enfrentarse en el campo de batalla con un ejrcito iraqu armado qumica y biolgicamente.

Desde la guerra del golfo Prsico, gran parte de la comunidad in-ternacional ha presionado a Irak por sus programas de armamento no con-vencional mediante las sanciones deci-didas por el Consejo de Seguridad de las Naciones Unidas. Las resoluciones del Consejo incluyen la destruccin del arsenal biolgico iraqu (y de otras armas de aniquilacin masiva), as como la entrega de informacin sobre programas pasados que sirvieron para desarrollarlo. Irak ha colaborado slo parcialmente y los inspectores de la ONU siguen esperando que se completen las revelaciones.

Pero incluso ahora, los informes de la ONU son, por lo comn, pro-clamas escuetas. Las expresiones de indignacin son raras. Cualquier pas o grupo que fabrique este tipo de armamento merece una severa con-dena. Se necesita que haya algo que nos recuerde permanentemente que las personas civilizadas ni usan ni trafican con estas armas. A tal efecto debera ser de ayuda el acuerdo al-canzado por EE.UU. y Rusia, por el que ambos pases se comprometen a destruir sus arsenales qumicos en el plazo de diez aos.

Evidentemente las palabras de in-dignacin no bastan por s solas. Es importante mantener un servicio adecuado de informacin, como tam-bin lo son los controles sobre los envos interiores e internacionales de patgenos y la vigilancia de brotes de enfermedad. Adems, son esenciales instituciones que refuercen las con-ductas y los valores positivos.

Actualmente se considera prioritaria en este ltimo aspecto la observacin de lo recogido en la Convencin so-bre Armas Qumicas, por la que se prohbe su posesin. Se ha elaborado una lista de productos qumicos de obligada declaracin para los pases firmantes. A diferencia de la Con-vencin sobre Armas Biolgicas, estn previstas medidas para la verificacin de su cumplimiento, entre las que se encuentran inspecciones de supuestas violaciones avisadas con poca antela-cin. Tambin existen incentivos para los pases adheridos, como participar de intercambios de informacin o pri-vilegios comerciales.

El tratado qumico se abri para su firma en 1993. En octubre de 1996 ciento sesenta pases haban firmado el texto y sesenta y cuatro lo haban ratificado, uno menos del nmero re-querido para que el tratado entrara en vigor. Un punto de desacuerdo apart a EE.UU. del pacto. En parte por disconformidad sobre las medidas de verificacin previstas, el Senado ha demorado la incorporacin.

El desarrollo del tratado sobre armas qumicas sera oportuno para endurecer las resoluciones sobre armas biolgi-cas. De otra manera, el fracaso en el cumplimiento de las expec ta tivas planteadas por la convencin sobre armas qumicas no favorecera la apro-bacin de medidas encaminadas a la verificacin del tratado sobre arma-mento biolgico. La consecuencia ms probable sera la proliferacin mundial de arsenales qumicos y biolgicos.

Cuanto ms tiempo persistan estas armas, tanto ms irn perdiendo el sentido de ilegitimidad y tanto ms probable ser su uso militar o en actos de terrorismo.

Como han sealado los analistas, los grupos subnacionales a menudo recurren al mismo armamento existente en los arsenales nacionales. Por ello, la ausencia de armamento qumico y biolgico de los arsenales militares nacionales puede disminuir su atractivo para los terroristas. Segn el experto antiterrorista Brian M. Jenkins, los lderes de Aum Shinrikyo sealaron que fue el uso de productos qumicos por parte de Irak en su guerra contra Irn lo que despert su inters por las armas qumicas.

Tratados, regmenes de verificacin, control global, supervisin del inter-cambio de patgenos en todos ellos se cifra el control de este armamento. Su eficacia depende en ltima instancia del fondo moral que los sustenta y del deseo de potenciarlos rigurosamente.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

BIOLOGICAL WEAPONS: WEAPONS OF THE FUTURE? Dirigido por Brad Roberts. Center for Strategic and International Studies, 1993.

BIOLOGICAL WARFARE IN THE 21ST CENTURY. Malcolm Dando. Macmi-llan, 1994.

THE ELEVENTH PLAGUE: THE POLI-TICS OF BIOLOGICAL AND CHEMICAL WARFARE. Leonard A. Cole. W. H. Freeman and Company, 1996.

Defensas contra las armas biolgicasMscara respiratoria o de gas. Los filtros, normalmente de carbn activado, han de bloquear las partculas mayores de un micrometro. Los trajes apropiados tambin son tiles para proteger del contacto a travs de heridas abiertas u otro tipo de discontinuidades de la piel.

Refugio. Lo mejor es un habitacin cerrada, aislada con un recubrimiento plstico o de cualquier otro material aislante y ventilacin con aire filtrado.

Descontaminacin. Se pueden esterilizar superficies con desinfectantes tradi-cionales como el formaldehdo.

Vacunacin. Para un agente especfico. En algunas ocasiones son precisas varias inoculaciones en un extenso perodo de tiempo antes de conseguir inmunidad frente al agente. Para muchos agentes no se conoce vacuna.

Antibiticos. Son eficaces frente algunas bacterias, pero no frente a todas. (Ineficaces contra los virus.) Algunas bacterias susceptibles obligan a trata-miento precoz en las primeras horas tras el contacto, antes de que aparezcan los sntomas.

Sistemas de deteccin. Slo se dispone de unidades de campo muy rudimen-tarias para algunos agentes especficos. Se estn desarrollando investigaciones orientadas a incrementar el nmero de agentes detectables en el campo de batalla o en cualquier otra situacin.


El modelo del universo primitivo que se basa en la gran explosin (big bang) es sencillsimo. De acuerdo con el mis mo, el universo incipiente care-ca de cualquier tipo de estructura a escalas mayores que las partculas elementales. Sus predicciones se rigen slo por la relatividad general, el modelo estndar de la fsica de las partculas elementales y las reglas de distribucin de la energa de la termodinmica fundamental; no obs-tante, describe casi a la perfeccin la bola de fuego primordial.

Los ncleos atmicos que se engen-draron durante los primeros segundos y minutos del universo nos hablan de lo que sucedi en los balbuceos del universo y de su composicin y estructura actuales. La gran explo-sin gener un universo hecho casi exclusivamente de hidrgeno y helio. El deuterio, istopo pesado del hidr-geno, slo se form al principio del universo; es, por tanto, un testimonio muy importante de las circunstancias de entonces. La razn entre el nmero de tomos de deuterio y el de tomos de hidrgeno ordinario depende de la cantidad total y de la uniformidad de la materia que se cre durante la gran explosin. A lo largo de los

ltimos aos se han logrado, por fin, mediciones fidedignas y directas del deuterio presente en las nubes de gas ms viejas. Cabe esperar que sus resultados ofrezcan una contrastacin precisa de la cosmologa de la gran explosin.

Parece que la expansin del uni-verso empez hace entre diez y veinte mil millones de aos. Estaba enton-ces todo mucho ms junto, todo era mucho ms denso y caliente. Cuando el universo slo tena un segundo, su temperatura pasaba de los 10.000 millones de grados, es decir, era mil veces ms caliente que el centro del Sol. A esa temperatura no era tan tajante la distincin entre unas y otras formas de materia y energa como en las condiciones actuales: los protones y los neutrones se transformaban con-tinuamente entre s, cocinados por sus interacciones con una pltora de electrones, positrones y neutrinos de gran energa. Los neutrones son un poco ms pesados que los protones; a medida que el universo se fue enfriando, la mayor parte de la ma-teria tom la forma ms estable, el protn: cuando la temperatura baj de los 10.000 millones de grados y la intertransmutacin ces, haba unas siete veces ms protones que neutrones.

Hecho en el horno primordial

Cuando el universo contaba apenas unos minutos (y su tem-peratura era de unos 1000 millones de grados), los protones y los neu-trones estaban ya lo bastante fros para unirse y formar ncleos. Cada neutrn encontr un protn que lo acompaase; se crearon as los deu-

terones. Casi todos stos, a su vez, se juntaron dos a dos y construyeron dos protones, dos neutrones los ncleos de helio. Con el helio pri-mordial ya constituido, la densidad del universo era demasiado pequea

CRAIG J. HOGAN estudia los lindes del universo visible. Dirige el departa-mento de astronoma de la Universidad de Washington. Tras doctorarse en la Universidad de Cambridge, prosi-gui su formacin en la de Chicago y en el Instituto de Tecnologa de California.

El deuterio primordialy la gran explosin

Los ncleos de este istopo del hidrgenose formaron en los primeros momentos tras la gran explosin.

Su abundancia nos introduce en la evolucin del universo primitivoy nos desentraa la naturaleza de la materia oscura del cosmos

Craig J. Hogan

1. EL TELESCOPIO KECK (a la derecha), instalado en Mauna Kea, recogi la luz proce-dente de un cusar distante y la concentr en el fotodetector de un espectroscopio de alta reso-lucin. Las bandas de color resultantes (arriba) estn definidas por las lneas oscuras que las separan, correspondientes a las longitudes de onda que han absorbido los gases interpuestos. El anlisis de los patrones de lneas caracters-ticos del gas hidrgeno revela la presencia de su istopo pesado, el deuterio.

cifra es importante para comprender la evolucin ulte-

rior del universo, porque podemos compararla con la cantidad real de materia, la vista en las estrellas y en el gas de las galaxias, as como la cantidad mayor de materia oscura no observada.

Para que la gran explosin constru-yese la mezcla de elementos ligeros

para que nuevas fusiones produje-ran elementos ms pesados en el tiempo disponible. En consecuencia, casi todos los neutrones quedaron incorporados en el helio.

Sin neutrones que los mantuvie-sen unidos, los protones no podan, a causa de su repulsin elctrica, asociarse y formar ncleos. A causa del nmero limitado de neutrones en la bola de fuego primordial, seis de cada siete protones tuvieron, pues, que seguir siendo ncleos aislados de hidrgeno. Por eso, el modelo de la gran explosin predice que alrededor de una cuarta parte de la masa de la materia normal del universo consta de helio y las otras tres cuartas partes de hidrgeno. Esta sencilla prediccin concuerda muy bien con las observaciones. Por ser la fuente principal de energa de las estrellas del universo, el predominio del hidrgeno explica que las estrellas y el Sol luzcan.

Durante la formacin de los ncleos de helio quiz slo uno de cada 10.000 deuterones qued desparejado. Una fraccin an menor se fusion, creando un ncleo ms pesado que el de helio, el del litio. (Los dems elementos, como el carbono y el oxgeno, se produjeron mucho ms tarde, en el interior de las estrellas.) Los porcentajes exactos del helio, el deuterio y el litio dependen de un solo parmetro: la razn entre el nmero de protones y neutrones unos y otros encuadrados en la categora de los bariones y el nmero de fotones. El valor de esa razn, (la letra griega eta), se mantiene en esencia constante a medida que el universo se expande; como podemos medir el nmero de fotones, si supise-mos cunto vale sabramos cunta materia hay. Esta

HACE 9000MILLONESDE AOS

HACE 9500MILLONESDE AOS


nada, disipada, cuyos gases han experimentado una larga

historia de diez mil millones de aos de procesamiento qumico. El deuterio se destruye muy fcilmente en las estrellas, hasta en sus capas exteriores o en la primera etapa, preestelar, de su evolucin. Las es-trellas, adems, al morir expulsan sus envolturas: el gas de nuestra galaxia ha entrado y salido de ellas muchas veces. La observacin de las nubes de gas cercanas slo nos proporciona, pues, una cota inferior de la cantidad de deuterio primordial.

Sera mucho mejor recurrir a un material primigenio que se hubiera mantenido siempre intacto, que nunca haya sufrido una evolucin qumica. No podemos llevar tal mues-tra al laboratorio, pero s descubrir su composicin mediante el efecto que tenga en el espectro de la luz procedente de fuentes remotas. Los cusares, brillantes, los objetos ms luminosos del universo, estn tan lejos que la luz que vemos ahora parti de ellos cuando el universo slo tena de un sexto a un cuarto de su tamao actual y quiz slo un dcimo de su edad presente. En el camino hacia nosotros, la luz proce-dente de los cusares atraviesa nubes de gas que no se han condensado an creando galaxias maduras; la manera en que esas nubes absorben la luz nos revela la naturaleza de que estn hechas. Algunas de las nubes detectadas contienen menos de una milsima de la proporcin de carbono y silicio (ambos, productos de la fisin estelar) que se encuentra en el espacio cercano, buena seal de que conservan una composicin muy parecida a la que tendran justo despus de la gran explosin.

del deuterio en el universo; el procesamiento posterior en

las estrellas slo lo destruye gra-dualmente. Al deuterio se le puede considerar, como al carbn de lea, un combustible a medio consumir, que subsiste an porque no dio tiempo a quemarlo por completo antes de que el fuego original se enfriase. La nucleosntesis dur en la gran explosin escasos minutos, pero la combustin nuclear persiste en las estrellas durante millones o miles de millones de aos; por eso, en ellas todo el deuterio se convierte en helio o en elementos ms pesados. Cualquier tomo de deuterio que ha-llemos ser, pues, un residuo de la gran explosin, hasta el que sustituye al hidrgeno en una molcula de cada diez mil de agua de mar.

Cusares y nubes de gas

La determinacin de la razn primordial entre el deuterio y el hidrgeno ordinario, que sera muy esclarecedora, no resulta fcil. El universo no es hoy tan sencillo como ayer. Los astrnomos pueden medir el deuterio de las nubes de gas hi-drgeno atmico existentes entre las estrellas de nuestra galaxia, pero la fragilidad del elemento hace que el resultado sea dudoso. Vivimos en una galaxia de edad mediana, contami-


que se observa, haba de ser muy pequea. El universo

tiene menos de un barin por cada mil millones de fotones. La temperatura de la radiacin csmica de fondo nos dice directamente el nmero de fotones que quedaron tras la gran explosin; en el presente hay unos 411 por centmetro cbico de espacio. Por tanto, la densidad de los bariones debera ser de algo menos de 0,4 por metro cbico. Aunque los cosmlogos saben que es pequea, las estimaciones de su valor exacto varan en estos momentos en un factor de casi diez. Los indicadores ms precisos y fiables de son las concentraciones de los elementos ligeros primordiales, en particular el deuterio. Una quintuplicada, diga-mos, se manifiesta en una cantidad de deuterio creada 13 veces menor.

La mera existencia del deuterio pone un lmite superior a porque la gran explosin constituye, con toda probabilidad, la fuente primaria

2. MEDIR LA CONSTITUCION del universo primitivo es difcil porque dentro de las estrellas se ha transmutado mucha materia. La radiacin de los cusares, distantes miles de millones de aos luz, en los lmites de lo observable, ofrece, no obstante, una forma de ha-cerlo. Hace mucho esa luz atraves nubes de gas primordial bastante puro, situadas posiblemente en los aledaos de galaxias en formacin (en el recuadro de la izquierda se muestra un modelo por ordenador de una nube de gas primordial). El hidrgeno y el deuterio de estas nubes suprimen ciertas longitudes de onda de la luz caractersticas; esos cambios pueden detectarse y medirse en la Tierra.

HOY


Mirar tan lejos ofrece otra ventaja. El componente principal de esas nu-bes, el hidrgeno atmico, absorbe la luz en el ultravioleta a unas lon-gitudes de onda muy precisas, la serie de Lyman. Cada una de estas lneas de absorcin (se las llama as porque dejan una lnea oscura en el espectro) corresponde a la longitud de onda de un fotn cuya energa sea la justa para excitar el electrn del tomo de hidrgeno hasta un nivel de energa determinado. Los colores de esas lneas caen profundamente dentro de la regin ultra-violeta; no se distinguen del fondo a causa de la absor-cin atmosfrica. Hasta la ms roja (y ms promi-nente) de ellas, la lnea alfa de Lyman, aparece a una longitud de onda de 1215 angstrom. Por suerte, la ex-pansin del universo produce un corrimiento al rojo cosmolgico, que aumenta las longitudes de onda de los fotones que llegan a la Tierra hasta el punto de que las lneas de absorcin del hidrgeno que se hayan creado por nubes de gas lo bastante alejadas caern en la zona visible del espectro.

La lnea alfa de Lyman aparece cientos de veces en la luz de un cusar tpico, una por cada nube que haya en la lnea de visin, con un corrimiento al rojo y, por tanto, una longitud de onda distintos. El espectro resultante es un corte de historia csmica, como lo son en otros mbitos los anillos de los rboles o los testigos de hielo de Groenlandia: los espectros de absorcin de los cusares registran la transformacin del gas uniforme salido de la gran explosin en las galaxias que hoy vemos dispersas por un volumen de espacio enorme. Esta multiplicidad de espectros ofrece otra manera de

comprobar el carcter primordial del material absorbente: el modelo de la gran explosin predice que todas las nubes de gas que procedan del uni-verso primitivo tendrn ms o menos la misma composicin. La medicin de la concentracin existente en nubes diferentes que se encuentren a una distancia muy grande las unas de las otras y de nosotros, en el tiempo y en el espacio, refren dar directamente la uniformidad csmica.

A partir de los espectros de los cusares podemos determinar canto

hidrgeno ordinario y cunto deute-rio contienen algunas de esas nubes. Podemos separar la seal procedente del deuterio porque la masa extra del ncleo del deuterio aumenta la energa requerida para las transiciones atmicas en alrededor de una parte en 4000 (dos veces la razn entre las masas del protn y el electrn). El es pectro de absorcin del deuterio, pues, se parece al del hidrgeno de un solo nuclen, con la salvedad de que todas las lneas estn corridas hacia el extremo azul del espectro en la misma

LUZ QUE ENTRA

REJILLAPRIMARIA

ESPEJODE ENFOQUE

FOTODETECTORDE SILICIOLENTES CORRECTORAS

COLIMADOR

REJILLASECUNDARIA

3. LA NUCLEOSINTESIS, la formacin de los ncleos atmicos, empez instantes despus de la gran explosin: al irse enfriando el universo, los quarks libres se condensaron (a) creando los protones (rojo) y los neutrones (azul) (b), que se emparejaron y formaron los deuterones. Como los

protones eran ms numerosos que los neutrones, la mayora permanecieron solos, es decir, se convirtieron en los ncleos de hidrgeno (c). Casi todos los deuterones se combinaron a su vez y produjeron ncleos de helio (d), menos un pequeo residuo, que hoy se pretende detectar.

4. EL ESPECTROSCOPIO conectado al telescopio Keck de 10 metros puede distinguir 30.000 matices cromticos distintos. Dos rejillas pticas, que sirven de prismas, dispersan la luz. Los otros componentes enfocan el haz en una oblea de silicio de unos cen-tmetros cuadrados de rea y producen en ella una imagen como la de la figura 1. La oblea contiene cuatro millones de fotodetectores diminutos, cada uno de slo 20 micrometros de lado.

a b c d


medida que producira un movimiento de 82 kilmetros por segun do hacia el observador. El deuterio apa rece en las mediciones espectro grficas de las nubes de hidrgeno como un dbil eco, desplazado hacia el azul, del hidrgeno ordinario.

Estos espectros registran tambin la velocidad y la distribucin de tempe-ratura de los tomos. En virtud del efecto Doppler, que altera la longitud de onda aparente de acuerdo con el movimiento relativo de la fuente y el observador, los tomos que se mueven a velocidades diferentes absorben la luz a longitudes de onda un poco distintas tambin. Los movimientos trmicos aleatorios impulsan los to-mos de hidrgeno a velocidades de unos 10 kilmetros por segundo, que producen un desplazamiento de la lon-gitud de onda de una parte en 30.000; como los tomos de deuterio pesan el doble, a la misma temperatura se mueven slo a unos siete kilmetros por segundo y tienen, por tanto, una distribucin de velocidad ligeramente distinta. Un espectrgrafo moderno puede distinguir esas diferencias de las velocidades trmicas, as como flujos colectivos a una escala mayor.

Esperando la luz

A los espectrgrafos les es fcil re- solver las diferencias de longitud de onda entre el hidrgeno ordinario y el deuterio. Ahora bien, el dividir la luz de un cusar remoto en 30.000 matices de color deja muy poca in-tensidad para cada tonalidad. Durante ms de veinte aos estas observaciones resultaron demasiado difciles. Muchos nos hemos pasado largas noches espe-rando que los fotones goteasen uno a uno en los detectores de los mayores telescopios del mundo para al final encontrarnos con que las perturba-ciones de la atmsfera, los problemas instrumentales y la falta de tiempo haban impedido que se acumulase la luz suficiente para que el resultado fuera convincente. Hoy s es prctico el procedimiento gracias al refinamiento de los detectores, al telescopio Keck de 10 metros de Mauna Kea y a espec-trgrafos de alta resolucin avanzada y gran capacidad de procesamiento, como el HIRES del Keck.

Tras muchos intentos fracasados en telescopios menores, se asign a Antoinette Songaila y Lennox L. Cowie, colegas mos de la Universidad de Hawai, la primera noche de in-vestigacin con el telescopio Keck concedida a su universidad para que la dedicasen a este proyecto. Apuntaron el telescopio al cusar

0014+813, famoso entre los astr-nomos por su brillo (durante unos aos no se conoci otro objeto ms brillante en el universo). Sabamos, gracias a los estudios de Ray J. Weymann, de los Observatorios de la Institucin Carnegie de Washington, y de Frederic Chaffee, Craig B. Foltz y Jill Bechtold, de la Universidad de Arizona, y sus colaboradores, que ante ese cusar haba una nube de gas en buena medida primigenia.

La calidad del primer espectro que se obtuvo con el Keck bastaron unas pocas horas era ya suficiente para que se vieran en l seales aceptables del deuterio csmico. Mostraba el patrn de absorcin del hidrgeno en movimiento a distintas velocidades y un eco casi perfecto de la lnea alfa de Lyman con el caracterstico desplazamiento del deuterio hacia el azul. De la medida en que esta se-gunda seal se haba absorbido se segua que la nube contena unos dos tomos de deuterio por cada 10.000 de hidrgeno. Han confirmado este resultado por su cuenta el grupo de Robert F. Carswell, de la Uni versidad de Cambridge, con datos del telesco-pio Mayall, del Observatorio Nacional de Kitt Peak, en Arizona. Los an-lisis posteriores han descubierto que la absorcin por el deuterio exhibe una dispersin trmica de velocidades inslitamente estrecha, tal y como se esperaba.

Cabe dentro de lo posible que parte de la absorcin que vimos se

debiese a la interposicin casual de una nube de hidrgeno pequea que se alejara de nosotros 82 kilmetros por segundo menos que la nube prin-cipal que observamos. En tal caso, la concentracin de deuterio sera menor de lo que creemos. Aunque la probabilidad a priori de una co-incidencia as es pequea, debemos considerar que nuestra estimacin es slo provisional. Se pueden estudiar con las nuevas tcnicas las nubes absorbentes que hay ante muchos cusares; pronto tendremos un mues-treo estadstico del deuterio presente en el material primordial. Nuestro grupo y otros equipos han publicado ya las mediciones y lmites de ocho nubes diferentes.

Uno de los resultados ms des-concertantes es la medicin de David Tytler y Scott Burles, de la Universidad de California en San Diego, y de Xiao-Ming Fan, de la Universidad de Columbia, que ha arrojado una razn casi diez veces menor que la obtenida por nosotros. Est por ver si se trata del verdadero valor primordial. La menor abundan-cia se podra deber a la combustin del deuterio en unas estrellas primitivas o a que la produccin del deuterio no fue quiz tan uniforme como predice el modelo de la gran explosin.

Hacia la materia oscura

Si nuestro valor ms alto es el co- rrecto, la cantidad de deuterio primordial casara muy bien con las predicciones ordinarias del modelo de la gran explosin para un valor de de alrededor de dos bariones por diez mil millones de fotones. Con esta proporcin, las predicciones de la gran explosin concuerdan tambin con las cantidades de litio que hay en las estrellas ms viejas y con las estimaciones del helio primordial existente en las galaxias cercanas, pobres en metales. Que este resul-tado se confirmase sera una noticia extraordinaria: quedara a su vez con-firmado que los cosmlogos saben qu pas slo un segundo despus de que el universo empezara a expandirse. Querra adems decir que la historia de la materia a grandes distancias es igual a la de la materia cercana, tal y como se presupone en el modelo ms sencillo posible del universo.

Esta evaluacin de concuerda de forma razonable con el nmero de ba-riones que vemos hoy en el univer so. Con esa y la densidad observada de fotones, tendra que haber alrededor de un tomo por cada diez metros cbicos de espacio, y esta cifra coincide con

5. EL CUASAR 0014+813 es uno de los objetos ms brillantes que se cono cen en el universo. Esta imagen del objeto cuasiestelar se ha tomado con un radio-telescopio. Las primeras mediciones del deuterio primordial se efectuaron con la luz de este inmenso agujero negro situado en el centro de una galaxia muy joven, cerca de los lmites del universo observable.


el nmero de tomos que se cuenta directamente sumando toda la materia que hay en el gas, las estrellas, los planetas y el polvo conocidos, inclui-das las nubes que absorben la luz de los cusares; no habra, pues, un gran almacn de bariones que no hayamos visto. Pero la observacin ensea que la explicacin de las caractersticas gravitatorias de las galaxias y de sus halos requiere una cantidad enorme de materia oscura, por lo menos diez veces la densidad media de los bariones visibles. La elevada concentracin de deuterio que nos ha salido indica, en consecuencia, que esa masa no est hecha de materia ordinaria.

Se han propuesto muchas formas no barinicas de materia que po-dran aportarla. La gran explosin, por ejemplo, predice que en el uni-verso quedan casi tantos neutrinos como fotones. Si cada uno tuviese siquiera unas milmillonsimas de la masa del protn (unos cuantos elec-tronvolt), en conjunto aportaran al universo tanta masa como todos los bariones sumados. Tambin es posi-ble que el universo primitivo creara algn tipo de partcula residual que no hayamos podido producir en el laboratorio. Sea como sea, el mo-delo de la gran explo sin, afianzado por la observacin, proporciona un marco conceptual a la prediccin de las consecuencias astrofsicas de esas nuevas ideas fsicas.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

THE FIRST THREE MINUTES. Steven Weinberg. Basic Books, 1977.

THE PHYSICAL UNIVERSE: AN INTRO-DUCTION TO ASTRONOMY. F. H. Shu. University Science Books, Mill Va-lley, California, 1982.

A SHORT HISTORY OF THE UNIVERSE. J. Silk. W. H. Freeman and Com-pany, 1994.

DEUTERIUM ABUNDANCE AND BACK-GROUND RADIATION TEMPERATURE IN HIGH-REDSHIFT PRIMORDIAL CLOUDS. A. Songaila, L. L. Cowie, C. J. Hogan y M. Rugers en Nature, vo-lumen 368, pgs. 599-604; 14 de abril, 1994.

COSMIC ABUNDANCES. ASP Confe-rence Series, volumen 99. Dirigido por S. S. Holt y G. Sonneborn. Astronomical Society of the Pa-cific, 1996.

THE HISTORY OF THE GALAXIES.M. Fukugita, C. J. Hogan y P. J. E. Peebles en Nature, pginas 489-495; 6 de junio, 1996.


En septiembre de 1989 un ca- ballero de sienes plateadas y con dinero para invertir en-tr en mi despacho del Laboratorio Nacional de Argonne. Steven Lazarus, de la corporacin ARCH Development, vena dispuesto a crear una empresa. Lazarus, su colega Keith Crandall y yo habamos hablado ya largo y tendido sobre la posibilidad de establecer una compaa dedicada a la fabricacin de una nueva generacin de materiales. Aquel otoo, tras nueve meses de darle vueltas al asunto, Lazarus se mostraba convencido del inters comercial de la idea.

Desde 1985 vena mi grupo estu-diando esos materiales. Cierto da, avanzada ya la tarde, y ante la ne-cesidad de ttulo para un proyecto de investigacin, los bautizamos ma-teriales nanomtricos. La expresin recoga la diferencia esencial que los separa de los materiales ordinarios. Metales, cermicas y otros slidos nanofsicos estn hechos con los mis-mos tomos que sus correspondientes formas macroscpicas habituales; en aqullos, sin embargo, los tomos se ordenan en agregados de tamao nanomtrico, que constituyen los gra-nos o bloques estructurales de esos nuevos materiales.

En los materiales comunes, el dimetro de los granos oscila entre algunos micrometros y varios mil-metros; tales materiales contienen, adems, miles de millones de to-

mos. Por contra, el dimetro de los materiales nanofsicos cae por debajo del centenar de nanmetros; constan slo de algunas decenas de millares de tomos. Para dar cierta perspec-

RICHARD W. SIEGEL ocupa la c-tedra Robert W. Hunt del Instituto Politcnico de Renssealer, cuyo de-partamento de ciencia e ingeniera de materiales dirige. En 1965 se doctor en metalurgia por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Pas 21 aos en el Laboratorio Nacional Argonne. Cofundador de la empresa Nanophase Technologies, preside el Comit Internacional de Materiales Nanoestructurados.

Creacin de materialesnanofsicos

Las propiedades de estas sustancias con granos ultrafinos,que hallamos ahora en numerosos productos comerciales,

pueden disearse a medida del usuario

Richard W. Siegel


tiva de estos tamaos, recordemos que un agregado de tres nanmetros de dimetro contiene alrededor de 900 tomos y es casi un milln de veces menor que el punto con el que se acaba esta frase; expresado de forma ms plstica: viene a ser como un barco de unos 12 metros de eslora comparado con el tamao de la Tierra.

En 1989 sabamos ya algo im-portante. Puesto que estos granos mi nsculos respondan a la luz, a los esfuerzos mecnicos y a la electrici-dad de un modo distinto de la forma en que lo hacan los granos de tamao micromtrico o milimtrico, resultaba que los materiales nanofsicos en su conjunto mostraban un elenco de nuevas propiedades. As, en punto a resistencia, el cobre nanofsico quintuplicaba al metal ordinario. Las cermicas nanofsicas, en contraste con sus homlogas de grano grueso, resistan a la fractura. Y quiz lo que

encerraba un mayor valor aadido desde el punto de vista comercial: podamos modificar a voluntad la resistencia, el color o la plasticidad de los materiales nanomtricos con slo dominar el control del tamao de los granos que los integran.

Basados en esas expectativas, fund con Lazarus la empresa Nanophase Technologies Corporation en noviem-bre de 1989. Mi vida no volvera a ser la misma. La creacin de una empresa fabricadora de estas subs-tancias sirvi de revulsivo en el campo de la industria y en el de la ciencia. Desde entonces, nuestros expertos y los de otros centros re-partidos por el globo han ahondado en el conocimiento de la naturaleza de estos materiales singulares y sus provechosas caractersticas. Gracias a ello, encontramos ahora materiales nano fsicos en productos muy dispa-res, desde el campo de la cosmtica hasta el de la electrnica. Sus aplica-ciones, qu duda cabe, se extendern a nuevas reas. El crecimiento de nuestra propia empresa refleja ese progreso: fabricamos ya sustancias en cantidades superiores a la tonelada, cuando hace slo algunos aos apenas si alcanzbamos miligramos en los ensayos de laboratorio.

Elaboracinde mejores materiales

La historia de los materiales nanofsicos empez al poco de iniciarse el enfriamiento que sigui a la gran explosin originaria (big bang), cuando la materia condensada

inicial form nanoestructuras en los primeros meteoritos. Ms tarde, la naturaleza desarroll nanoestructuras diversas, as las conchas marinas y los esqueletos que inventaron organis-mos de nuestro planeta. Cuando los primeros homnidos descubrieron el fuego, crearon partculas nanofsicas al generar humo. Pero la historia cientfica de los materiales nanof-sicos arranca de mucho ms tarde; podemos fechar su nacimiento en la conferencia de la Sociedad Ameri ca na de Fsica de 1959.

En esa reunin, el fsico Richard Feynman, del Instituto de Tecnologa de California, laureado ms tarde con el premio Nobel, abord los posibles efectos que se derivaran de la ma-nipulacin de minsculos trozos de materia condensada. No me cabe nin-guna duda de que, cuando tengamos algn control sobre el ordenamiento de las cosas a una escala menor, presinti, conseguiremos que las sustancias gocen de una gama mu-cho ms amplia de propiedades. Las reflexiones de Feynman recibieron un pronto respaldo terico. A principios de los aos sesenta, Ryogo Kubo, de la Universidad de Tokyo, formul un modelo para predecir el comporta-miento mecnico-cuntico de agrega-dos atmicos mnimos al confinarlos en un volumen determinado.

Aunque ese trabajo no contemplaba los efectos del confinamiento espacial en el comportamiento macros cpico (clsico) de los materiales, s prevea la existencia de tales efectos, que ms tarde descubrimos en los mate-riales nanofsicos. As pues, cuando el tamao de los bloques construc-tivos de estos materiales pasa a ser menor que la longitud caracterstica asociada a cualquier pro piedad, dicha propiedad cambia y podemos entonces modificarla a tra vs del control del tamao de los bloques.

La investigacin en agregados at-micos no se interrumpi a lo largo de los dos decenios siguientes. En Japn se llev a cabo una actividad intensa en partculas ultrafinas. Tra-bajos similares, aunque sometidos a secreto, se realizaron en instalacio-nes militares de la Unin Sovitica. Verosmilmente, se ensayaban mate-riales consolidados, preparados con polvos ultrafinos; pero apenas si se informaba de ello.

Sin embargo, en 1981 se produjo un punto de inflexin. Herbert Gleiter, adscrito entonces a la Universidad de Saarlandes, sugiri, en una reunin celebrada en el Laboratorio Nacional de Riso, que los materiales preparados mediante consolidacin de par tculas

1. EL COLOR y otras propiedades de los materiales nanofsicos varan de acuerdo con el tamao de los granos o agregados que lo forman. Por ejem-plo, los cuatro frascos de la izquierda contienen seleniuro de cadmio. Se trata, pues, de muestras idnticas. Sin em-bargo, porque tienen agregados con diferentes tamaos, cada uno presenta un tono distinto al iluminarlos con luz blanca (izquierda) y con luz ultravioleta (arriba).


ultrafinas deberan presentar propieda-des radicalmente diferentes. Despus de esta conferencia, el laboratorio de Gleiter public varios estudios provocadores sobre los metales na-nocristalinos, que provocaron mucho revuelo entre los investigadores en materiales a uno y otro lado del Atlntico.

Mi propia implicacin en la nanoes-tructuracin de materiales empez de una manera casual en un congreso que se celebr en la India cuatro aos ms tarde. Me encontr all con Horst Hahn, quien haba sido alumno de Gleiter. Hahn, hoy en la Universidad de Darmstadt, se dispona entonces a iniciar una estancia posdoctoral en Argonne. Le ayud a instalarse, pro-porcionndole el equipo de vaco que necesitaba para construir una cmara para sintetizar agregados atmicos. Muy pronto comenzamos a hablar sobre la posibilidad de que los polvos ultrafinos sirvieran para preparar otros materiales, adems de los metales, tarea sta a la que inicialmente ha-ba previsto dedicarse. Transcurridos escasos meses, habamos obtenido ya una cermica, la titania nanofsica, constituida por agregados de titanio

de 10 nanmetros que haban reac-cionado con oxgeno. (En su forma habitual, la titania es el blanqueador por excelencia en muchas aplicacio-nes, de las pinturas al papel.)

Para preparar titania nanofsica (TiO2), adoptamos una metodologa similar a la que usaban la mayora de los expertos en Japn, la Unin Sovitica, Alemania y otros lugares. La estrategia recuerda lo que ocurre cuando hierve agua en un hornillo que est bajo una ventana fra en invierno. Con la ebullicin, las mo-lculas de agua de la superficie se evaporan, colisionan con el aire fro del ambiente y forman condensados de humedad, constituidos por gotculas suspendidas en el aire. La conveccin natural desplaza el aire y a las gotitas con l desde el hornillo caliente hacia la ventana fra. All, el rimero de gotculas se congrega en cristalitos de hielo, que los nios suelen arrancar de la ventana para formar bolas de nieve.

As tambin, cuando un metal llega a temperaturas iguales o superiores a la de su punto de fusin, se evaporan los tomos de la superficie del ma-terial precursor. Para crear materiales

nanofsicos, se exponen luego estos tomos evaporados a un gas inerte, helio por ejemplo; el helio no reac-cionar qumicamente con ellos, pero los enfriar. Con este procedimiento, los tomos de helio, ms fros, dejan a los tomos evaporados sin energa, lo que determinar su condensacin en pequeos agregados slidos, cua-siesfricos. Mediante el control de la tasa de evaporacin de los tomos del precursor, la eleccin del gas inerte y la presin, podemos fijar el dimetro de los agregados entre uno y 100 nanmetros.

Si se desea obtener un metal na-nofsico, el precursor ser el propio metal en su forma habitual, e impe-diremos que los agregados reaccionen con cualquier otro elemento en la cmara de sntesis antes de que se consoliden. Si nos interesa una ce-rmica, los agregados metlicos de-ben reaccionar con un gas apropiado oxgeno en el caso de la titania nanofsica antes de la consolidacin de los mismos. Merced a su sencillez, este mtodo se convirti en la base de buena parte de nuestro trabajo. Comprobamos que, con la tcnica de la condensacin, podamos crear formas nanofsicas de la mayo ra de los materiales: metales, cermicas, semiconductores, polmeros y materia-les compuestos de dichas sustancias. Pero necesitbamos concentrarnos de entrada en la preparacin de cermicas y metales, hasta que supiramos qu estaba exactamente ocurriendo.

FLUJ

O DE G

AS EN

CONVEN

CION

MATERIALORDINARIO

CALOR

3. EN EL INTERIOR de la cmara de sntesis, se calienta el metal por encima de su punto de fusin, de tal forma que los tomos se evaporan desde su superficie. Estos tomos se condensan y forman agregados que se transportan por conveccin al tubo colector fro. Los agregados aglomerados, retirados del tubo, se consolidan en slidos densos.

2. LA PREPARACION DE MATERIALES NANOFASICOS precisa aparatos es-peciales, entre los que se incluyen una cmara de sntesis (arriba a la izquierda) y una prensa para consolidar (abajo a la derecha).


Cermicas nanofsicas

En los experimentos iniciales con titania nanofsica, nos impor-taba sobre todo conocer la respuesta de este material a la sinterizacin, as se llama el proceso comn de manufactura a travs del cual los polvos compactados se transforman en slidos. (La sinterizacin ocu-rre a temperaturas suficientemente altas para permitir que los granos que componen el polvo intercambien tomos y se traben completamente.) Desde tiempo atrs se vena supo-niendo que, si se sinterizaban polvos cermicos con partculas ultrafinas densamente empaquetadas, el proceso podra desarrollarse a temperaturas inferiores, con lo que resultara un slido ms compacto. Pero apareci un problema frustrante.

Antes del advenimiento de nues-tro mtodo, los polvos cermicos con granos muy pequeos deban prepararse mediante tcnicas de qumica hmeda, cuyos productos acostumbra ban hallarse intensamente aglomerados. Ahora bien, los polvos aglomerados no podan alcanzar la plena consolidacin, por cuyo motivo los slidos sinterizados preparados con ellos carecan a menudo de la densidad debida. Los polvos nanofsi-cos de titania que nosotros creamos agregando tomos tambin estaban aglomerados, como haba ocurrido en todas las cermicas nanofsicas investigadas hasta entonces. Pero la fortuna nos ayud. Los aglomera-dos mostraban la suficiente debilidad y fragilidad para que, en cualquier caso, los granos se consolidaran o se dispersaran fcilmente. Haba ms. Nuestros polvos con grano ultrafino

presentaban excelentes propiedades reolgicas, es decir, fluan sin difi-cultad, y podamos manipularlos con comodidad.

Trabajando con nuestros colegas de Argonne, Sinnanadar Ramasamy, Zongquan Li y Ting Lu, financia-dos por el Departamento de Energa, demostramos que el nuevo material poda sinterizarse a temperaturas que eran unos 600 grados inferiores a la temperatura requerida para sinterizar titania convencional (1400 oC). Ade-ms, nuestra titania nanomtrica sin-terizada mostraba una mayor dureza y resistencia a la fractura.

Y lo que resultaba ms notable, hallamos que la titania nanofsica era bastante maleable, o dctil: se formaron a temperatura ambiente pequeos discos, conformndolos con moldes donde se llevaba a cabo el proceso de consolidacin. Estos efectos observados en la ti-tania se corroboraron en un amplio muestrario de cermicas nanofsi-cas estudiadas en colaboraciones subsiguientes con Jeffrey Eastman, Alwar Narayanasa my, Youxin Liao y Uthamalingham Balachandran, compa-eros nuestros tambin de Argonne.

En 1988 William Nix, de la Uni-versidad de Stanford, Merrilea Mayo, entonces en el Laboratorio Nacional Sandia, y yo acometimos la reali-zacin de mediciones ms precisas de deformacin. Demostramos que la titania nanofsica, a temperatura ambiente, se volva muchsimo ms dctil cuando el tamao de grano ba-jaba por debajo de los 30 nanmetros. Se abra as la puerta a una nueva posibilidad de comercializacin, la del conformado acabado. Por primera vez podase moldear cantidades impor-tantes de cermicas nanofsicas con formas finales variables (por ejemplo, piezas de automvil), en poco tiempo y a un coste relativamente bajo. An ms, estas piezas resultaban ms ade-cuadas que las piezas metlicas al

uso para soportar altas temperaturas y atmsferas corrosivas, tales como las que se crean en los motores de los coches.

El equipo de Hahn, adscrito por aquellas fechas a la Universidad de Illinois, hall ms tarde que la tita-nia nanofsica completamente densa poda deformarse en compresin a temperaturas de hasta 800 oC; el material se deform hasta en un 60 % sin agrietarse. Estas condiciones suelen provocar fracturas catastrficas en las cermicas tradicionales. Re-cientemente un equipo de la empresa Nanophase Technologies, dirigido por John Parker (en colaboracin con otros equipos de Caterpillar y Lock-heed y financiados por el Departa-men to de Comercio), ha corroborado la validez del conformado acabado para cermicas nanofsicas, trabajo ste que facilita todava ms la aproxi-macin comercial de los resultados iniciales.

A qu se debe que materiales tan quebradizos como las cermicas se deformen de tal modo en su presen-tacin nanofsica sin despedazarse en varios trozos? La respuesta radica en el fenmeno siguiente: bajo presin, los granos de tamao nanomtrico se deslizan entre s mucho ms f-cilmente que los granos de tamao milimtrico. El proceso fundamental denominado deslizamiento de las fronteras de grano es el que deter-mina la manera en que las cermicas nanofsicas se deforman; se parece a lo que ocurre cuando pisamos un montn de arena. En el caso de los slidos, por contra, los granos estn engarzados entre s. Se produce frac-tura cuando se deshace un nmero sustantivo de tales enlaces. Si se abre una grieta o se insina una fractura, los tomos del material cercanos a la misma empezarn a desplazarse para cubrirla. Cuanto menor sea el tamao de grano, menor resultar la distancia que deban recorrer los to-mos y, en consecuencia, la reparacin podr lograrse antes. En realidad las cermicas comunes, minerales por

AGLOMERADOSNANOFASICOS

TUBOENFRIADO

CONNITROGENO

LIQUIDO

MATERIAL NANOFASICO CONSOLIDADO


ejemplo, se deforman as a lo largo de la escala de tiempo geolgica, que se mide en millones de aos. Pero la industria debe estar capacitada para deformar el material en una configuracin determinada en cuestin de minutos o incluso menos. Lo que slo puede hacerse con cermicas nanofsicas.

Metales nanofsicos

Mi incursin en las propiedades de los metales nanofsicos aconteci cosa de un ao despus de haber iniciado los trabajos sobre titania nanofsica. En 1986, en un congreso que tuvo lugar en Nueva Orleans coin cid con Julia Weertman y Johan nes Weertman, ambos de la Universi dad Northwestern. Hablamos sobre la resistencia de los metales nanofsicos. Dado que rebajar el ta-mao de grano en los metales ordina-rios significa aumentar su resistencia, podran los metales nanofsicos, con su tamao de grano excepcionalmente pequeo, ser excepcionalmente re-sistentes?

Julia, G. William Nieman, becario de Northwestern, y yo nos pusimos a preparar paladio y cobre nanofsi-cos, amn de abordar su resistencia en funcin del tamao de grano. Para determinar la resistencia de los metales medimos su dureza a travs de su capacidad de deformacin. De acuerdo con lo esperado, la resisten cia del cobre puro aumentaba conforme decreca su tamao de grano. Cuando los granos alcanzaban un dimetro de 50 nanmetros, la dureza del cobre doblaba la caracterstica del metal en

su presentacin ordinaria. Los granos de seis nanmetros el menor tamao que podamos preparar en nuestra cmara de sntesis proporcionaron un cobre cuya dureza quintuplicaba la acostumbrada en el cobre normal. Ulteriores investigaciones realizadas en nuestro propio laboratorio con Gretchen Fougere y Paul Sanders, doctorandos de la Uni versidad de Northwes tern, y en otros labora torios dispersos por el globo, confirmaron nues tros descubrimientos en muchos metales nanofsicos preparados me-diante mtodos diversos.

Qu suceda en esos metales na-nofsicos? Para descubrirlo, haba que partir del proceso normal de deformacin de los metales. Se me entender mejor con el ejemplo del movi-miento de una alfom-bra sobre un sue lo de madera. Un metal se deforma cuando los pla-nos atmicos del cris-tal se deslizan el uno respecto al otro. Ima-ginemos que un plano es la alfombra y el otro es el suelo. Si nos limi-tamos a tirar de la al-fombra, ser muy difcil que la movamos, pues se opone la fuerza de rozamiento que ope ra en toda la superfi cie de la alfombra. Pero si creamos un pliegue transversal en un ex-tremo de la alfombra y lo hacemos avanzar

hasta el otro extremo, e iteramos esa maniobra, la tarea resulta mucho ms fcil. Eso es lo que sucede con los metales, donde una dislocacin en un plano de tomos vendra a ser el pliegue de la alfombra. En los metales comunes, puede impedirse el deslizamiento de las dislocaciones mediante la colocacin de barreras en la trayectoria de la dislocacin mvil; por ejemplo, una interfaz entre granos orientados de forma diferente (una frontera de grano).

Supusimos en un comienzo que los metales nanofsicos resistiran ms porque contenan muchos granos y, por tanto, numerosas fronteras de grano que frenaran o bloquearan el desplazamiento de las dislocacio-nes, igual que en los metales ordi-narios. La verdad result ser muy otra. Los granos nanomtricos eran, sencillamente, demasiado pequeos para respaldar tales dislocaciones; ni las haba en cuanta suficiente, ni podan engendrarse con facilidad. Mediante la observacin directa por microscopa electrnica de transmi-sin de los agregados metlicos y las muestras nanofsicas hechas con ellos, descubrimos, y corroboraran ms tarde otros grupos de investiga-cin, que los agregados y los granos de los materiales nanofsicos apenas si presentaban dislocaciones. (En el proceso de observacin contamos con la colaboracin de Ronald Gronsky, del Laboratorio Lawrence en Berkeley, y George Thomas, del Laboratorio Nacional Sandia.) En ausencia de con-centraciones elevadas de dislocaciones mviles, estos metales nanofsicos se

0,0

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4. AGREGADOS DE ORO, de unos tres nanmetros de dimetro, depositados en una lmina de carbono amorfo, tal

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