Te recomiendo disfrutar del episodio 484 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox A, iVoox B; ApplePodcast A, ApplePodcast B], titulado “DANA; Micronuclear; Cerveza: Genes; Solitones”, 31 oct 2024. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. Cara A: DANA (7:00) [iV, AP]. Baterías micronucleares (Parte 1) (34:30) [iV, AP]. Cara B: Baterías micronucleares (Parte 2) (00:05) [iV, AP]. Promo AICAD (42:35) [iV, AP]. La forma óptima de un vaso de cerveza para que siga bien fría (46:20) [iV, AP]. Diseñan mediante modelos de deep learning elementos reguladores de la expresión genética para diferentes tejidos (1:08:05) [iV, AP]. Solitones en potenciales tipo Frankenstein (1:20:35) [iV, AP]. Señales de los oyentes (1:47:35) [iV, AP]. Imagen de portada realizada por Héctor Socas. Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso».

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Descargar el episodio 484 cara A en iVoox.

Descargar el episodio 484 cara B en iVoox.

Como muestra el vídeo participamos por videoconferencia Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro (@pCoffeeBreak), Sara Robisco Cavite @SaraRC83, Andrés Asensio @aasensior, Juan Carlos Gil Montoro @Ooxine/@ApuntesCiencia (solo cara A), Alberto Aparici @cienciabrujula (solo cara A), Gastón Giribet @GastonGiribet (solo cara B), y Francis Villatoro @eMuleNews. Por cierto, agradezco a Manu Pombrol @ManuPombrol el diseño de mi fondo para Zoom; muchas gracias, Manu.

Tras la presentación, Héctor recuerda que el episodio CB 485 será grabado desde el Planetario Galileo Galilei de Buenos Aires, donde estarán en persona Héctor, José y Gastón. Por desgracia parece que no habrá participaciones a distancia. Agradecemos la generosa financiación de la Embajada Española y del planetario.

Alberto, que vive en Valencia, nos cuenta lo que ha pasado con la DANA (depresión aislada en Niveles Altos, siglas en honor al meteorólogo Francisco García Dana, jefe del Centro de Predicción del Instituto Nacional de Meteorología, que falleció en 1984). Menciona que a la hora de la grabación hay 104 fallecidos por esta tragedia climática. Me permito recordar un meme: “El cambio climático consiste en ir viendo una serie de vídeos de catástrofes climáticas grabados con móviles, cada vez más cerca de tu casa, hasta que un día eres tú quien está grabando”. Este meme lo destaca Antonio Martínez Ron, «No es solo una DANA: es una escalada de eventos extremos por una atmósfera enloquecida«, elDiario.es, 30 oct 2024; y Antonio Martínez Ron, «Qué es una DANA y por qué pueden ser tan destructivas», elDiario.es, 30 oct 2024. Por cierto, Alberto nos recomienda el podcast «Welcome to the Martian Revolution» Player FM, donde se menciona que en el siglo XXI España y Portugal sucumbieron a una catástrofe climática.

Juan Carlos nos comenta un  artículo en Nature sobre un nuevo tipo de (micro)batería nuclear radiofotovoltaica. Muchas misiones espaciales usan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG), que generan electricidad a partir del calor producido por la desintegración alfa del plutonio-238, con una energía por partícula alfa de 5.6 MeV y una vida media de 88 años; para duraciones más largas se pueden usar el americio-241, con 5.5 MeV y 432 años, y el americio-243, con 5.3 MeV y 7380 años. El gran problema de los radioisótopos alfa es que la penetración en sólidos de las partículas alfa es muy corta (10–25 μm), por lo que su eficiencia termoeléctrica es muy baja. Juan Carlos también destaca que las microbaterías (baterías de tamaño micrométrico) de tipo nuclear pueden tener aplicaciones biomédicas (marcapasos, …), en la internet de las cosas y muchos más.

El nuevo artículo propone usar un generador radiofotovoltaica, basado en la conversión (transducción) de energía de las partículas alfa a luminiscencia y luego a electricidad con una célula fotovoltaica. Para ellos se incorpora el americio-243 en un polímero de coordinación de lantánidos luminiscentes. Gracias a esta idea se incrementa la eficiencia de conversión de energía en un factor de 8000 y se logra una eficiencia de conversión de energía total del 0.889 % con una potencia de 139 microvatios por curie (μW/Ci). Puede parecer poco, pero supera a lo que se puede lograr con generadores de americio (70 μW/Ci). De hecho, la potencia emitida por el americio está entre 24 y 36 mW/Ci, con lo que se esperan futuras mejoras en el nuevo tipo de microbatería nuclear de americio-243. Por cierto, se trata de una microbatería porque tiene un tamaño de un milímetro cúbico (1 mm³).

La nueva arquitectura de microbaterías nucleares de radioisótopos alfa se denomina transductor de energía coalescente. En Nature solo se ha publicado una prueba de concepto usando un polímero de coordinación cristalino llamado melato de terbio (melliate terbium, TbMel, Tb₂(C₁₂O₁₂)·(H₂O)₈·2H₂O; melato viene del anión del ácido melítico C₆(COOH)₆). Se aprovecha que el radio iónico del terbio Tb³⁺ es similar al del Am³⁺, lo que permite la incorporación del americio-243 en la estructura cristalina de dicho polímero (²⁴³AmMel). La radioluminiscencia del TbMel es de color verde (transiciones 4f−4f del Tb³⁺) con un alto rendimiento cuántico del 61.53 % (unos 6000 fotones por MeV). La radioluminiscencia del ²⁴³AmMel es de color amarillo (transiciones 5f−5f del ²⁴³Am³⁺) a 507 nm y 817 nm). Se han usado cristales dopados TbMel:5%Am y TbMel:10%Am con dopaje reales del 4.8 ± 0.3 % y 9.9 ± 0.15 %.

Como célula fotovoltaica se ha usado una película delgada de perovskita de haluro de plomo con cationes mixtos. El dispositivo autoluminiscente resultante se encapsuló dentro de una celda de cuarzo. La microbatería nuclear tiene un voltaje en circuito abierto (Voc) de 0.1988 V, una corriente  de cortocircuito (Isc) de 20.40 nA y una potencia máxima (Pmax) de 1.538 nW (para 11 μCi de ²⁴³Am); luego la eficiencia de conversión de potencia total (PCE) fue de 0.889 % (el valor más alto entre todas las baterías radiofotovoltaicas actuales). Sin entrar en más detalles, el artículo es Kai Li, Congchong Yan, …, Shuao Wang, «Micronuclear battery based on a coalescent energy transducer,» Nature 633: 811-815 (18 Sep 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07933-9. Por cierto, Juan Carlos mostró en YouTube la fotografía una batería nuclear rusa de 2018, figura del artículo de V.S. Bormashov, S.Yu. Troschiev, …, V.D. Blank, «High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes,» Diamond and Related Materials 84: 41-47 (2018), doi: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2018.03.006; por cierto, el informe de los revisores (referees) está disponible Peer Review File [PDF].

Héctor agradece el patrocinio de AICAD Business School (https://www.aicad.es). Aicad es la empresa de Inma y Ermel, oyentes del programa y cientófilos.

Me toca comentar un artículo sobre la forma óptima de un vaso de cerveza para que se mantenga bien fría. Se trata de un artículo de carácter académico, un sencillo cálculo de transferencia de calor para que los profesores de física usen en sus clases. Por ello, el objetivo es obtener una solución analítica, lo que implica simplificar al extremo el problema. El modelo es ρ V cₚ dT/dt = hₗₐ A (T − Tₑₓₜ), donde T es la temperatura de la cerveza, V es el volumen, A es el área externa (paredes del vaso y capa de espuma), Tₑₓₜ es la temperatura del ambiente, ρ es la densidad, cₚ es el calor específico y hₗₐ es el coeficiente de  transferencia de calor por convección superficial entre el líquido y el aire exterior. Al escribir dT/dt = (A/V) (hₗₐ/(ρcₚ)) (T − Tₑₓₜ), se observa que la forma óptima del vaso requiere un valor mínimo para el cociente área/volumen (A/V). Para una superficie de revolución con radio r = r(h), en función de la posición vertical en el vaso h < H, siendo H la altura del líquido; r(0) = Rₔ es el radio del fondo del vaso y r(H) = Rₒₚ el radio de apertura del vaso. Por tanto, se tiene que A(r)/V(r) = A(h)/V(h) y en el mínimo se cumple que d(A/V)/dh = 0. Un poco de geometría diferencial elemental muestra que la solución es la expresión h(r) = (2/C₁) log (( C₁² r² − 4)/(C₁² Rₔ² − 4)); para C₁ > 0, la solución es monótona creciente entre r = Rₔ y Rₒₚ; en el artículo la solución se escribe en función de λ = Rₒₚ/Rₔ. Sin entrar en más detalles, la forma resultante es poco agradable para el bebedor habitual de cerveza (como reconoce el propio autor del artículo).

Hay muchos fenómenos de transferencia de calor que no han sido tenidos en cuenta en el artículo (quizás el más relevante para un cervecero es la presencia de la espuma y su grosor). Los profesores interesados en usar este sencillo modelo como ejercicio de clase, disfrutarán del artículo original en portugués del brasileño Cláudio de Castro Pellegrini, «A busca pelo copo ideal: um estudo de otimização em transferência de calor,» Revista Brasileira de Ensino de Física 41: e20180234 (2019), doi: https://doi.org/10.1590/1806-9126-RBEF-2018-0234, traducido al inglés en Claudio de Castro Pellegrini, «Optimizing Beer Glass Shapes to Minimize Heat Transfer During Consumption,» arXiv:2402.18544 [physics.pop-ph] (28 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2402.18544; con una secuela, que supongo habrá sido enviada a una revista de docencia de la física, Cláudio C. Pellegrini, «Optimizing Beer Glass Shapes to Minimize Heat Transfer —New Results,» arXiv:2410.12043 [physics.pop-ph] (15 Oct 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.12043.

Nos cuenta Sara que se publica en Nature el diseño mediante aprendizaje profundo (DL) de interruptores genéticos que regulan la expresión de genes de forma específica en cada tejido. La activación precisa de genes en un tejido sin afectar a otros tejidos pretende superar uno de los mayores obstáculos en las terapias génicas. Este logro de científicos del MIT, Harvard y Yale (EEUU), liderados por Ryan Tewhey ha usado inteligencia artificial (IA) para activar y desactivar genes de manera precisa en hígado, cerebro y riñón de ratones y peces cebra. Los autores afirman haber desarrollado una «gramática reguladora» del lenguaje de la regulación genética. Los interruptores génicos artificiales diseñados imitan la acción de los elementos reguladores cis (CRE), que controlan la expresión génica; se han identificado más de un millón de CRE en el genoma humano (gracias a proyectos como ENCODE, Encyclopedia of DNA Elements). Los experimentos in vitro han mostrado que las secuencias sintéticas de CRE en peces cebra y ratones son muy selectivas con el tipo celular donde se expresan. eficaces; los ensayos in vivo confirman dicho resultado, destacando la expresión de ciertos en genes en neuronas del cerebro de ratones, sin que se expresen en la microglía, ni en los astrocitos.

Se combina un algoritmode optimización (que Sara llama «sistema clásico») llamado CODA (Computational Optimization of DNA Activity) que se acopla a un sistema de aprendizaje profundo basado en redes de neuronas artificiales de tipo convolucional, llamado Malinois. Pero lo relevante es que el resultado es fascinante, aunauqe todavía es muy pronto para hablar de su posible impacto en las terapias génicas en humanos, por ejemplo, en enfermedades neurodegenerativas como el párkinson (en el que se observa una disminución de la producción de dopamina, que podría ser corregida con CRE potenciadores de su expresión o enhancers). Sara nos destaca que la inteligencia artificial podría ser clave en muchos estudios biomédicos relacionados con las terapias génicas, pues promete acortar los tiempos de diseño y desarrollo de nuevas vías terapéuticas. El nuevo artículo es Sager J. Gosai, Rodrigo I. Castro, …, Ryan Tewhey, «Machine-guided design of cell-type-targeting cis-regulatory elements,» Nature 634: 1211-1220 (23 Oct 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08070-z; más información divulgativa en Andreas R. Pfenning, «AI-designed DNA sequences regulate cell-type-specific gene expression,» News & Views, Nature 634: 1059-1061 (23 Oct 2024), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-03170-2. En español recomiendo leer a Pilar Quijada, «Diseñan con IA interruptores que activan genes de forma específica en cada tejido», Agencia SINC, 24 oct 2024.

Me toca comentar un curioso artículos sobre la interacción de solitones topológicos en potenciales de tipo Frankenstein. En un campo escalar con lagrangiano ℒ = ∂ᵦϕ⁢∂ᵝϕ − V⁢(ϕ), los solitones topológicos (kinks) conectan vacíos del potencial; por ejemplo, para el potencial cuártico V = (1 − ϕ²)² (del modelo phi-4), el kink conecta los vacíos en ϕₐ = −1 y ϕₐ = +1 de forma monótona y creciente (el antikink conecta ϕₐ = +1 y ϕₐ = −1 de forma monótona y decreciente). Las colisiones kink-antikink simétricas (kink con velocidad v y antikink −v) para el modelo phi-4 muestran una estructura tipo fractal para velocidades bajas, inferiores a una velocidad crítica (v < vᶜʳ); sin embargo, para otros potenciales no se observan, como el modelo phi-6, V = ϕ²(1 − ϕ²)². Para entender qué diferencia estos potenciales, el físico checo Filip Blaschke y sus colegas proponen estudiar potenciales construidos a trozos, llamados potenciales tipo Frankenstein. En concreto, el kink se divide en núcleo (core, C), revestimiento (skin, S) y cola (tail ,T), que se asocian a regiones del potencial original (sea TSCST). Luego se construyen potenciales continuos a trozos (que pueden presentar derivadas discontinuas en ciertos puntos), por ejemplo, TT (solo con las colas), TCT (sin revestimientos), SCS (sin colas), incluso versiones asimétricas como TSCT o CST. Los trozos pueden ser del mismo potencial, o de diferentes potenciales, con lo que se obtienen «monstruos» similares al del doctor Frankenstein, de ahí que se llamen potenciales frankensteinianos (Frankensteinian).

En el artículo roza la superficie del estudio de la interacción kink-antikink en función de la velocidad para potenciales tipo Frankenstein sin núcleo. Se estudian potenciales tipo TT, que muestran un resultado muy sencillo: los solitones se aniquilan dando lugar a un oscilón (sin ninguna velocidad crítica para 0 < v < 1 =c, la velocidad de la luz en el vacío). Los potenciales TSST son más interesantes, pues muestran una velocidad crítica y, a veces, ventanas de resonancia (donde la colisión no conduce a un oscilón sino a la separación hasta el infinito de los solitones, con ciertas oscilaciones asociadas a un estado ligado temporal). Se necesitan futuras investigaciones para entender la relación entre las observaciones y las propiedades del potencial. Pero, además de un nombre tan sugerente como frankesteiniano, hay mucha dinámica compleja en las observaciones. Por ello me parece un trabajo muy interesante como punto de partida para estudios más detallados. El artículo es Ondřej Nicolas Karpíšek, Lukáš Rafaj, Filip Blaschke, «Scattering of kinks in coreless potentials,» Progress of Theoretical and Experimental Physics 2024: ptae151 (15 Oct 2024), doi: https://doi.org/10.1093/ptep/ptae151, arXiv:2407.14313 [hep-th] (19 Jul 2024).

Y pasamos a Señales de los Oyentes. Thomas Villa pregunta: «¿Los términos superiores para construir los potenciales Frankestein de los solitones se obtienen con series de Taylor?» Contesto que no, no hay términos superiores, no se construyen así. Se separa el potencial en trozos entre cada dos mínimos separados por un máximo, con dos puntos de inflexión entre ellos. El comportamiento asintótico de la solución cercada de los mínimos, puntos de inflexión y máximo se usa para definir las partes del kink. Por ejemplo, en el mínimo la solución se expande como ϕ = v + δϕ, con δϕ» = m² δϕ + (1/2) V»'(v) δϕ² + ⋯, definiéndose la cola del kink como la región donde esta aproximación es buena, es decir, cuyo tamaño es 2m²/|V»'(v)| desde el mínimo. De forma similar se define el núcleo como la región alrededor del máximo con tamaño 2(V»(ϕₘₐₓ))²/|V»'(ϕₘₐₓ)| y entre ambas la región de la piel (recubrimiento) del kink (por supuesto, cuando V»’ se anula se usan derivadas superiores). Estos criterios se basan en la forma del potencial. En ningún momento se asume que el potencial sea una aproximación a otro potencial, ni se incorporan términos superiores de dicha aproximación, como sugiere la pregunta de Thomas.

Jhon Henry Osorio Orozco pregunta: «¿Dónde se puede hallar las imágenes de mariposa para el ciclo solar actual? Contesta Héctor que en la web hay varios sitios (yo añado que, por ejemplo, en https://www.stce.be/content/sc25-tracking).

NeMa ​​#oyentes: ¿Por qué se siguen lanzando sondas de espacio profundo con paneles [solares]? ¿No teníamos dominada la tecnología RTG desde los 1980? Contesta Héctor que escasean los isótopos radioactivos y hay cierto reparo a lanzar sondas con isotopos radiactivos por el peligro de que puedan explotar en el lanzamiento y que luego ese material caiga sin control. Juan Carlos lo ratifica y apostilla que la tecnología de paneles solares ha avanzado tanto que ya se puede usar en misiones a Júpiter y Saturno. Héctor recuerda que hubo una época en la que Estados Unidos le compraba a Rusia el plutonio-238.

Cristina Hernandez García ​​pregunta: «Esa materia de gravito-hidrógeno negros de [la semana pasada], ¿podría ser de antimatería con positrones? ¿Se podría contener de forma segura una cantidad de gravitohidrógeno y manejarla?» Héctor contesta que por supuesto, pues la interacción que la liga al agujero negro es gravitacional, que solo depende de la energía (que sea materia o antimateria es irrelevante). Otro problema es cómo confinarlo de manera segura, pues se está hablando de un agujero negro con la masa de un asteroide pequeño (similar a la masa de la montaña del Everest). Y comenta que el problema podría ser la radiación de Hawking, pues la temperatura del agujero negro es de millones de grados. Gastón hace unos cálculos mentales rápidos y confirma dicho orden de magnitud. Héctor destaca que el efecto de dicha radiación en la estabilidad de estos átomos gravitacionales debe ser tenido en cuenta. Gastón recuerda que Maldacena calculó que estos agujeros negros serían blancos (por su espectro de cuerpo negro). Yo recuerdo que también tenemos que tener en cuenta el principio de indeterminación de Heisenberg  pues la partícula que orbita el agujero negro no es puntual, sino una excitación del campo cuántico localizada en una región del tamaño del átomo gravitacional.

Ana Carla pregunta: «¿Los campos cuánticos son continuos?» Héctor me pide una respuesta rápida. Contesto que los campos cuánticos ni son continuos, ni son discretos, pues son objetos fundamentales (que no están hechos de nada más fundamental) y dicha terminología solo es aplicable a objetos hechos de partes. El campo es cuántico porque sus excitaciones (partículas) están cuantizadas (hay un salto de energía, o band gap, para excitar una partícula con cierta masa y por encima tenemos un espectro continuo de energía, la energía cinética de la partícula).

¡Que disfrutes del podcast!