Ciencia - X (Diez) Curiosidades

Energía limpia podría llevar a escasez de materiales

La demanda en aumento por turbinas de viento y vehículos eléctricos podría poner presión a los suministros de algunos metales raros.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés)

Mientras el mundo se mueve hacia un mayor uso de fuentes de energía que utilizan poco carbono o que no lo utilizan, un posible cuello de botella se aproxima, de acuerdo a un nuevo estudio del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts): el suministro de ciertos metales necesarios para tecnologías de energía limpia claves.

Turbinas de viento, una de las fuentes de electricidad libre de emisiones con más rápido crecimiento, depende de imanes que utilizan elementos raros como el neodimio. Y el elemento disprosio es un elemento esencial en algunos motores de vehículos eléctricos. El suministro de ambos elementos – actualmente importados casi exclusivamente de China – podría enfrentar escasez en los próximos años, encontró la investigación.

El estudio, liderado por un equipo de investigadores en el Laboratorio de Sistemas de Materiales en el MIT – la posdoctorado Elisa Alonso, el científico investigador Richard Roth, el científico investigador Frank R. Field y el investigador principal Randolph Kirchain – ha sido publicado en línea en el diario Ciencia y Tecnología Ambiental, y aparecerá impreso en una próxima edición. Tres investigadores de la Compañía Ford Motor son coautores.

El estudio miró 10 de los llamados “metales raros”, un grupo de 17 elementos que tienen propiedades similares y que – a pesar de su nombre – no son particularmente raros. Todos los 10 elementos estudiados tienen algunos usos en equipo de alta tecnología, en muchos casos en tecnología relacionada a la energía baja en carbono. De esos 10, dos es probable que enfrenten serios desafíos de abastecimiento en los próximos años.

El más grande desafío probablemente será para el disprosio: La demanda podría aumentar en un 2,600 por ciento durante los próximos 25 años, de acuerdo al estudio. La demanda de Neodimio podría incrementarse hasta en un 700 por ciento. Ambos materiales tienen propiedades magnéticas excepcionales que los hacen especialmente bien preparados para usarlos en motores y baterías.

Una turbina larga sencilla (que provee alrededor de 3.5 megawatts) contiene típicamente 300 kilogramos de metales raros. Un carro convencional usa un poco más de 435 gramos de materiales raros – principalmente en pequeños motores, como aquellos que hacen funcionar el limpiaparabrisas – pero un auto eléctrico puede usar casi 10 veces más materiales en sus baterías y motores.

Actualmente, China produce el 98 por ciento de los metales raros del mundo, volviendo esos metales “los recursos más concentrados geográficamente de cualquier recurso de escala comercial”, dice Kirchain.

Históricamente, la producción de estos metales se ha incrementado por solo un pequeño porcentaje cada año. Pero incrementos mucho más grandes en la producción serán necesarios para cubrir la nueva demanda esperada, muestra el estudio.

China tiene alrededor del 50 por ciento de las reservas conocidas de metales raros; los Estados Unidos también tiene depósitos significativos. Extraer estos materiales en los Estados Unidos ha cesado casi completamente – principalmente por las regulaciones ambientales que han incrementado el costo de producción – pero métodos de minería mejorados están volviendo estos recursos usables nuevamente.

Elementos raros nunca son encontrados aislados; en su lugar, están mezclados juntos en ciertas rocas naturales, y deben ser separados por medio de procesos químicos. “Están mezclados juntos en estos depósitos”, dice Kirchain, “y la tasa en los depósitos no necesariamente se alinea con lo que desearíamos” para las necesidades de manufactura actuales.

Neodimio y disprosio no son los elementos raros más ampliamente usados, pero son los que se espera que tengan el más grande problema de suministro, explica Alonso, debido al rápido crecimiento proyectado en la demanda de imanes de alto rendimiento.

Kirchan dice que cuando hablan sobre un problema en el suministro, no necesariamente significa que los materiales no estás disponibles. En lugar de esto, es una cuestión de si el precio sube a un punto en el que ciertos usos ya no sean económicamente viables.

Los investigadores enfatizan que su estudio no quiere decir que habrá un problema alcanzando la demanda, pero dicen que quiere decir que será importante investigar y desarrollar nuevas fuentes de estos materiales; para mejorar la eficiencia de su uso en dispositivos; para identificar materiales sustitutos; o para desarrollar la infraestructura para reciclar los metales una vez que los dispositivos alcancen el final de su vida útil. El propósito de estudios como éste es identificar esos recursos para saber cual de estos desarrollos es más presionante.

Mientras que los materiales en bruto existen en el suelo en cantidades que podrían cubrir muchas décadas de demanda en incremento, Kirchain dice que el desafío viene en escalar los suministros a una tasa equivalente a los incrementos esperados en la demanda. Desarrollar una nueva mina puede tomar una década o más entre encontrar el lugar, obtener permisos, asentarla y la construcción.

“El punto no es de que los vayamos a ‘terminar’,” dice Kirchain, “pero es una situación en la que debemos enfocarnos, en construir una base de suministros y en mejorar esas tecnologías que usan y reusan los materiales. Necesita ser un enfoque de investigación y desarrollo”.

Barbara Reck, una investigadora principal en la Universidad de Yale quien no estuvo involucrada en este trabajo, dice “los resultados remarcan los serios desafíos en el suministro que algunas de las tierras raras pueden enfrentar en una sociedad baja en carbono”, dijo, y “también es un vivo recuerdo de que la práctica actual de no reciclar ninguna tierra rara al final de su ciclo de vida no es sustentable y necesita ser revertida”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Imágenes fotoacústicas usan sonido y luz para detectar cáncer

Una nueva técnica de obtención de imágenes está basada en la luz y el sonido para crear detalladas imágenes a color de tumores en las profundidades del cuerpo. La tecnología, llamada tomografía fotoacústica, eventualmente podría ayudar a los doctores a diagnosticar el cáncer antes de lo que es posible ahora y monitorear más precisamente los efectos del tratamiento contra el cáncer – todo sin la radiación involucrada en rayos X y en tomografías computarizadas o el costo de una resonancia magnética.

La tecnología puede fácilmente penetrar los tejidos del cuerpo para visualizar tumores a profundidades que antes no eran posibles. La tecnología fue explicada el 3 de abril en la reunión anual de la Asociación Americana para la Investigación del Cáncer en Chicago.

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http://scienceblog.com/ (en inglés)
Abstracto del estudio (en inglés)
Imagen del estudio (1)
Imagen del estudio (2)
Imagen del estudio (3)

Nanofábricas producen proteínas

Nanofábricas proteinas — Imagen: Avi Schroeder

Pequeñas partículas podrían manufacturar drogas contra el cáncer en el lugar donde está el tumor.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés)

Drogas hechas de proteínas han mostrado promesas en tratar el cáncer, pero son difíciles de entregar porque el cuerpo usualmente rompe las proteínas antes de que alcance su destino.

Para sobreponerse a ese obstáculo, un equipo de investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) ha desarrollado un nuevo tipo de nanopartícula que puede sintetizar proteínas en demanda. Una vez que estas fábricas de proteínas alcanzan sus objetivos, los investigadores pueden convertir la síntesis de proteínas alumbrándolas con luz ultravioleta en ellas.

Las partículas podrían ser usadas para liberar pequeñas proteínas que matan las células cancerosas, y eventualmente proteínas más grandes como anticuerpos que disparan el sistema inmune para destruir los tumores, dice Avi Shroeder, un posdoctorado en el Instituto Para Investigación de Cáncer Integrativa David H. Koch del MIT y autor líder de una revista académica que aparece en el diario NanoLetters.

Esta es la primera prueba de concepto que puede sintetizar nuevos componentes de materiales inertes dentro del cuerpo”, dice Schroeder, quien trabaja en los laboratorios de Robert Langer, Profesor del Instituto David H. Koch del MIT, y Daniel Anderson, un profesor asociado de ciencias de la salud y tecnología e ingeniería química.

Langer y Anderson también son autores de la revista académica, junto con los antiguos posdoctorados del Instituto Koch Michael Goldber, Christian Kastrup y Christopher Levins.

Imitando a la naturaleza

A los investigadores se les ocurrió la idea de partículas constructoras de proteínas cuando trataban de pensar en nuevas maneras de atacar tumores metastásicos – aquellos que se esparcen del sitio original del cáncer a otras partes del cuerpo. Dichas metástasis causan el 90% de las muertes por cáncer.

Decidieron imitar la estrategia de manufactura de proteínas encontradas en la naturaleza. Células que guardan sus instrucciones para construir proteínas en ADN, el cual es entonces copiado en ARN mensajeros (ARNm o mRNA por sus siglas en inglés). Ese ARNm carga los planos de proteínas a estructuras celulares llamadas ribosomas, las que leen el ARNm y lo traducen en secuencias de aminoácidos. Los aminoácidos son encadenados juntos para formar proteínas.

“Queríamos usar maquinaria que ya había probado ser muy efectiva. Los ribosomas son usados en la naturaleza, y fueron perfeccionados por la naturaleza durante miles de millones de años para ser la mejor máquina que puede producir proteínas”, dice Schroeder.

Los investigadores diseñaron las nuevas nanopartículas para auto-ensamblarse de una mezcla que incluye lípidos – que forman los caparazones exteriores de las partículas – además de una mezcla de ribosomas, aminoácidos y las enzimas necesarias para la síntesis de proteínas. También incluyeron en la mezcla las secuencias de ADN para las proteínas deseadas.

El ADN es atrapado por un compuesto químico llamado DMNPE, que se enlaza a él. Este compuesto libera el ADN cuando es expuesto a luz ultravioleta.

“Quieres ser capaz de dispararlo para que el sistema solo se encienda cuando quieres que trabaje”, dice Schroeder. “Cuando las partículas son golpeadas por luz, el ADN es liberado de un compuesto que lo enjaula y entonces puede entrar al ciclo de producir las proteínas”.

Fábricas programables

En este estudio, las partículas fueron programadas para producir ya sea proteína fluorescente verde (GFP – green fluorescent protein) o luciferasa, ambas son fáciles de detectar. Pruebas en ratones mostraron que las partículas fueron exitosamente puestas a producir la proteína cuando luz ultravioleta las alumbró.

Esperar hasta que las partículas alcancen su destino antes de activarlas podría ayudarles a prevenir efectos secundarios de una droga particularmente tóxica, dice James Heath, un profesor de química en el Instituto de Tecnología de California. Sin embargo, más pruebas deben realizarse para demostrar que las partículas alcanzarían su destino intencionado en humanos, y que solo puedan ser utilizadas para producir proteínas terapéuticas, dice.

“Hay muchos detalles en los que aún debe trabajarse para que éste sea un acercamiento terapéutico viable, pero es un concepto realmente estupendo e innovador, y ciertamente hace funcionar la imaginación de uno”, dice Heath, quien no fue parte del equipo investigador.

Los investigadores ahora trabajan en partículas que puedan sintetizar drogas potenciales contra el cáncer. Algunas de estas proteínas son tóxicas para células cancerosas y saludables – pero usando este sistema de entrega, la producción de proteínas podría ser encendida solo en el tumor, evitando los efectos secundarios en células saludables.

El equipo también trabaja en nuevas maneras de activar las nanopartículas. Posibles acercamientos incluyen la producción disparada por el nivel de acidez u otras condiciones biológicas específicas a ciertas regiones del cuerpo o células.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Arenas cambiantes

Un nuevo modelo predice como la arena y otros materiales granulares fluyen.

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

La arena en un reloj de arena podría parecer simple, pero dichos materiales granulares son difíciles de modelar. Desde lejos, la arena que fluye parece un líquido, fluyendo desde el centro de un reloj de arena como el agua de una llave. Pero de cerca, uno puede ver los granos individuales deslizándose uno contra el otro, formando un montículo en la base que mantiene su forma, como un sólido.

El curioso comportamiento de la arena – parte fluido, parte sólido – ha hecho difícil que los investigadores predigan como ésta y otros materiales granulares fluyen bajo varias condiciones. Un modelo preciso para el flujo granular sería particularmente útil en optimizar procesos como la manufactura farmacéutica y la producción de grano, donde pequeñas píldoras y granos fluyen a través de tolvas y silos en cantidades masivas. Cuando no están bien controlados, dichos flujos a gran escala pueden causar bloqueos que son costosos y a veces peligrosos de limpiar.

Ahora Ken Kamrin del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) ha encontrado un modelo que predice el flujo de materiales granulares bajo una variedad de condiciones. El modelo mejora los modelos existentes tomando en consideración un factor importante: cómo el tamaño del grano afecta el flujo entero. Kamrin y Georg Koval, profesor asistente de Ingeniería Civil en el Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas en Strasbourg, Francia, usó el nuevo modelo para predecir el flujo de arena en varias configuraciones – incluyendo una tolva y un paso circular – y encontró que las predicciones del modelo coincidían casi perfectamente con los resultados reales. Una revista académica detallando el nuevo modelo aparecerá en el diario Physical Review Letters.

“Las ecuaciones básicas gobernando el flujo del agua han sido conocidas por más de un siglo”, dice Kamrin, profesor asistente de desarrollo de carreras de Ingeniería Mecánica. “No ha habido algo similar a la arena, donde yo pueda darte una taza de arena, y decirte qué ecuaciones serán necesarias para predecir como se escurrirá si aprieto la taza”.

Volviendo borrosas las líneas

Kamrin explica que desarrollar un modelo de flujo – también conocido como modelo continuo – esencialmente significa “volver borrosos” los granos individuales o moléculas. Mientras que una computadora puede ser programada para predecir el comportamiento de cada molécula en, digamos, una taza de agua fluyendo, Kamrin dice que este ejercicio tomaría años. En su lugar, los investigadores han desarrollado modelos continuos. Imaginan dividir la taza en un pequeño mosaico de pequeños cubos de agua, cada cubo lo suficientemente pequeño comparado al tamaño del entorno de flujo entero, sin embargo lo suficientemente largo para contener muchas moléculas y colisiones moleculares. Los investigadores pueden realizar experimentos básicos de laboratorio en un cubo de agua sencillo, analizando cómo el cubo se deforma bajo diferentes estreses. Para predecir eficientemente como el agua fluye en la taza, resuelves una ecuación diferencial que aplica el comportamiento de un solo cubo a cada cubo en la malla de la taza.

Dichos modelos funcionan bien para fluidos como el agua que es fácilmente divisible en partículas que son casi infinitestimalmente pequeñas. Sin embargo, los granos de arena son mucho más grandes que las moléculas de agua – y Karmin encontró que el tamaño de un grano individual puede afectar significativamente la precisión del modelo continuo.

Por ejemplo, un modelo puede estimar precisamente cómo las moléculas de agua fluyen en una taza, principalmente por que el tamaño de una molécula es mucho más pequeño que la taza misma. Para la misma escala relativa en el flujo de granos, dice Kamrin, el contenedor de arena tendría que ser del tamaño de San Francisco.

Charla entre vecinos

¿Pero por qué exactamente importa el tamaño? Kamrin razona que cuando se modela el flujo del agua, las moléculas son tan pequeñas que sus efectos se quedan dentro de sus cubos respectivos. Como resultado, un modelo que toma en promedio el comportamiento de cada cubo en la malla, y asume que cada cubo es una entidad separada, da un estimado del flujo relativamente precisa. Sin embargo, Kamrin dice que en un flujo granular, granos mucho más grandes como la arena pueden causar “sangrado” a los cubos vecinos, creando efectos de cascada que no son considerados en los modelos existentes.

“Hay más charla entre vecinos”, dice Kamrin. “Es como que las propiedades mecánicas básicas de un cubo de granos se vuelve influenciada por el movimiento de los cubos vecinos”.

Kamrin modificó las ecuaciones para un modelo continuo existente para tomar en cuenta el tamaño de los granos, y probó su modelo en diferentes configuraciones, incluyendo arena fluyendo a través de una tolva y rotando en una abertura circular. El nuevo modelo no solo predijo áreas de granos fluyendo rápidamente, sino también donde se movían lentos, en los bordes de cada configuración – áreas que los modelos tradicionales asumieron que serían completamente estáticas. Las predicciones del nuevo modelo encajaron muy de cerca con simulaciones partícula a partícula en las mismas configuraciones.

Lyderic Bocquet, un profesor de física en la Universidad de Lyon en Francia, ve los resultados de Kamrin como un gran paso hacia un modelo de flujo granular con “poder predictivo confiable”.

“Ha habido enormes esfuerzos en los últimos años para proponer leyes que describen los flujos granulares, con la última meta de diseñar dispositivos o procesos que involucren materiales granulares”, dice Bocquet. “La generalización a un sistema más amplio todavía faltaba. Esto es donde el modelo de Ken hace la conexión”.

El modelo, al correr en una computadora, puede producir campos de fluidos precisos en minutos, y podría beneficiar a ingenieros desarrollando procesos de manufactura para farmacéuticos y productos agrícolas. Por ejemplo, dice Kamrin, los ingenieros podrían probar varias formas de tolvas y aberturas en el modelo para encontrar una geometría que maximice el flujo, o mitigar la presión de pared potencialmente peligrosa, antes de deseñar o construir equipo para procesar materiales granulares.

Kamrin dice que entender el como fluyen los materiales granulares podría también ayudar a predecir fenómenos geológicos como los deslaves y avalanchas y ayudar a los ingenieros a diseñar nuevas maneras de generar mejor tracción en la arena.

“El material granular es el segundo material más manejado en la industria, solo superado por el agua”, dice Kamrin. “Estoy convencido que hay un millón de aplicaciones”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Usando nanopartículas para mejorar la quimioterapia

La quimioterapia es realmente un veneno para las células, se toma ventaja de el hecho de que los tumores tienen un metabolismo acelerado y de esta manera absorben el veneno más rápido que el resto del cuerpo y mueren antes de que nos mate a nosotros mismos. Aunque los doctores apuntan hacia los tumores cuando prescriben el uso de la quimioterapia, los compuestos golpean una gran variedad de lugares en el cuerpo, llevando a efectos secundarios como daño a la médula espinal y pérdida de cabello.

Para mejorar su precisión, investigadores han tratado de “empacar” estas drogas dentro de pequeños contenedores huecos que pueden ser dirigidos hacia los tumores dejando de lado los tejidos saludables. Pero el tamaño, forma y acomodo de estas “nanopartículas” puede afectar drásticamente donde y cuando son tomados. Ahora, los científicos han estudiando alrededor de 100 diferentes formas de nanopartículas y mostrado que cuando una droga de quimioterapia convencional es empacada dentro de la mejor de estas nanopartículas, es considerablemente más efectiva peleando contra el cáncer de próstata en animales comparado con la droga sola.

Imagen: J. Hrkach et al., Science Translational Medicine.

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http://news.sciencemag.org/ (en inglés)

Estudio muestra el proceso unificado de evolución en bacterias y eucariotas sexuales

Bacteria eukariotes — Imagen: Centers for Disease Control

Una sola mutación genética puede barrer a través de una población, abriendo la puerta para el concepto de “especies” en bacterias.

Denise Brehm, Civil and Environmental Engineering. Original (en inglés).

Las bacterias son los organismos más populosos en el planeta: prosperan en casi cada entorno conocido, adaptandose a diferentes hábitats por medio de variaciones genéticas que proveen las capacidades esenciales para la sobrevivencia. Estas innovaciones genéticas provienen de lo que los científicos creen que es una mutación al azar y un intercambio de genes y otros trozos de ADN entre bacterias que a veces les confiere una ventaja, y que entonces se vuelve una parte intrínseca del genoma.

Pero cómo se esparce una mutación ventajosa de una simple bacteria a todas las otras bacterias en una población es una pregunta científica abierta. ¿El gen que contiene una mutación ventajosa pasa de bacteria a bacteria, barriendo a través de la población entera por sí mismo? ¿O un solo individuo obtiene el gen, y entonces replica su genoma entero muchas veces para formar una nueva población mejor adaptada de clones idénticos? Evidencia conflictiva soporta ambos escenarios.

En una revista académica que apareció en la edición del 6 de Abril de Science, investigadores del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE – Civil and Environmental Engineering) del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) proveen evidencia de que las mutaciones ventajosas pueden barrer a través de las poblaciones por sí mismas. El estudio reconcilia la evidencia conflictiva previa al mostrar que después de tres barridos de genes, la recombinación se vuelve menos frecuente entre cepas de bacterias de diferentes poblaciones, produciendo un patrón de diversidad genética que recuerda al de la población clonal.

Esto indica que el proceso de evolución en las bacterias es muy similar al de las eucariotas sexuales – que no pasan su genoma intacto a su progenie – y sugiere un método unificado de evolución de las dos formas de vida mayores de la tierra: procariotas y eucariotas.

El hallazgo también llega al corazón de otra pregunta científica: como al delinear especies de bacterias – o determinar si el término “especies” siquiera aplica a bacterias, que son tipicamente identificadas como poblaciones ecológicas y no especies. Si todas las bacterias en una población son clones de un ancestro común, la idea de las especies no aplica. Pero si, como muestra este nuevo estudio, genes que son compartidos al azar entre individuos pueden dar lugar a una población nueva ecológicamente especializada, el uso del término podría ser garantizado.

“Encontramos que la diferenciación entre poblaciones estaba restringida a unos pocos parches pequeños en el genoma”, dice Eric Alm, profesor asociado de desarrollo de carrera de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Biológica y miembro asociado del instituto Broad.

El profesor Martin Polz de CEE, otro investigador principal en el proyecto, añade, “Patrones similares han sido observados en animales, pero no esperamos verlos en bacterias”.

“El proceso de diferenciación ecológica en bacterias, que encontraron los investigadores, es similar a los mosquitos que transmiten malaria: algunas poblaciones desarrollan resistencia a agentes antimalariales por medio de un solo intercambio de genes, mientras que otras poblaciones compartiendo el mismo hábitat no lo hacen. El pez espinoso (Gasterosteidae) también se ha mostrado que sigue este patrón de “especiación simpátrica” (la formación de una especie sin que se establezca previamente una barrera geográfica entre poblaciones) en entornos compartidos.

“A pesar de que las fuentes de diversidad genética son muy diferentes entre bacterias y eucariotas sexuales, el proceso mediante el cual la diversidad adaptativa se propaga y desencadena una diferenciación ecológica parece muy similar”, dice el primer autor doctor Jesse Shapiro, un posdoctorado en la Universidad de Harvard quien realizó su trabajo de graduación en el laboratorio de Alm en el MIT.

Los investigadores realizaron el trabajo usando 20 genomas completos de la bacteria Vibrio cyclitrophicus que recientemente se había diversificado en dos poblaciones ecológicas adaptadas a microhábitats conteniendo diferentes tipos de zooplancton, fitoplancton y particulas orgánicas suspendidas en agua de mar. En un estudio previo basado en solo unos pocos genes, habían predecido que estas poblaciones cercanamente relacionadas de Vibrio estaban en el proceso de desarrollarse en dos diferentes poblaciones asociadas al hábitat.

El nuevo estudio muestra que las dos poblaciones fueron frecuentemente mezcladas por recombinación genética, quedando genéticamente distintas en solo unas pocas adaptaciones ecológicas genéticas, con una tendencia en aumento hacia intercambio de genes dentro – en lugar de entre – hábitats.

“Esta es la revista académica más sofisticada sobre especialización bacteriana que ha aparecido, sobre todo por que utiliza la dudosa palabra “especies” solo una vez, y eso es con precaución”, dice W. Ford Doolittle, un profesor emérito de bioquímica en la universidad de Dalhousie en Canada. “La base genética de diferenciación ecológica en bacterias – como el genotipo mapea al ecotipo y que procesos determinan este mapeo – es en mi mente el más grande problema en ecología microbial moderna”.

Otros coautores en la revista académica son el estudiante graduado del MIT Jonathan Friedman, los posdoctorados Otto Cordero y Sarah Preheim, la estudiante graduada Sonia Timberlake, y Gitta Szabo de la Universidad de Vienna en Austria. Los fondos fueron provistos por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moor, y el Instituto Broad.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Se realizó el trasplante de cara más completo hasta ahora

En una notable operación de 36 horas, un equipo de cirujanos en la Universidad de Maryland realizó el trasplante de cara más extenso hasta ahora. El trasplante incluyó ambas quijadas, dientes y la lengua. Esta es la primera vez en el mundo que un trasplante completo de cara ha sido realizado por un equipo de cirujanos plásticos y reconstructivos con entrenamiento especializado y experiencia en cirugía craneofacial y microcirugía reconstructiva.

El equipo de este trasplante fue liderado por Eduardo D. Rodriguez, profesor asociado de cirugía en la Escuela de Medicina en la Universidad de Maryland, y jefe de Cirugía Plástica, Reconstructiva y Maxilofacial en el Centro de Traumatología de Choque en el Centro Médico de la Universidad de Maryland. El equipo de cirujanos se benefió ampliamente de su experiencia en el tratamiento de lesiones.

El receptor del trasplante de cara fue Richard Lee Norris de Hillsville, Virginia, quien fue lesionado en 1997 en un accidente de arma de fuego. El primer transplante de cara, antiguamente llamado aloinjerto compuesto vascularizado (VCA – Vascularized Composite Allograft), fue realizado en Francia en el año 2005 en una mujer cuya cara fue arrancada por un perro. Este es el trasplante de cara número 23, y hasta ahora se tiene una tasa de sobrevivencia del 88%.

Más información
http://www.irishtimes.com/ (en inglés)
http://www.sciencedebate.com/ (en inglés)

Investigadores crean un chip que actúa como intestino viviente

En un esfuerzo por proveer una alternativa más precisa al cultivo de células convencional y a los modelos animales, investigadores del Instituto Wyss para la Ingeniería Inspirada Biológicamente en la Universidad de Harvard desarrollaron un dispositivo que imita la estructura, fisiología y mecánica del intestino humano. Este dispositivo podría ayudar a estudiar enfermedades intestinales y a encontrar tratamientos potenciales.

El dispositivo tiene una cámara central con una capa de tejido epitelial de un intestino humano que crece en una membrana porosa y flexible que recrea la barrera intestinal. La membrana imita los movimientos ondulatorios que hacen pasar la comida al estar unida a unas paredes que se estiran y se recogen usando un controlador de vacío. Los investigadores pueden hacer crecer y sustentar los microbios intestinales comunes.

Más información
http://www.gizmag.com/ (en inglés)
http://wyss.harvard.edu/ (en inglés)

Dualidad onda-partícula

En la física cuántica uno de los misterios es la dualidad partícula-onda y cada objeto cuántico tiene ambas propiedades. Este efecto se demuestra en el experimento de doble rendija, en el cual las corrientes de partículas (fotones, electrones, etc.) se dirigen a una barrera con dos pequeñas aberturas. Mientras que cada partícula es mostrada en forma individual en el detector, la población en su conjunto crea un patrón de interferencia como si fueran ondas.

Ahora un grupo de científicos encabezados por Thomas Juffmann, realizaron con éxito un experimento de interferencia cuántica con moléculas más grandes y más masivas, en comparación con experimentos anteriores.

La interferencia de las ondas es determinada en parte por la longitud de éstas. En la física cuántica la longitud de onda de partículas masivas es inversamente proporcional a su momento.

Más información.
http://arstechnica.com/ (en inglés)

Una nueva dimensión para la energía solar

Páneles solares — Imagen: Allegra Boverman

Diseños inovativos tridimensionales de un equipo del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) pueden más que doblar la energía solar generada de un área dada.

David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).

Investigación intensiva alrededor del mundo se ha enfocado en mejorar el rendimiento de las celdas solares fotovoltaicas y reducir su costo. Pero muy poca atención ha sido prestada a las mejores maneras de acomodar esas celdas, que típicamente se colocan planas en un techo u otra superficie, o a veces se unen a estructuras motorizadas que mantienen las celdas apuntando hacia el sol según cruza el cielo.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha encontrado un acercamiento muy diferente: construir cubos o torres que extienden las celdas solares hacia arriba en configuraciones tridimensionales. Increíblemente, los resultados de las estructuras que han probado muestran una salida de energía que va desde el doble hasta más de 20 veces aquella de paneles planos fijos con la misma área de la base.

Los mayores incrementos de energía fueron vistos en las situaciones donde las mejoras eran más necesitadas: en lugares lejos del ecuador, en los meses de invierno y en días nublados. Los nuevos hallazgos, basados en modelado con computadora y pruebas al aire libre de módulos reales, han sido publicados en el diario Energy and Environmental Science (Ciencia de Energía y Ambiental).

“Pienso que este concepto podría convertirse en una parte importante del futuro de la fotovoltaica”, dice el autor principal de la revista académica, Jeffrey Grossman, el profesor asociado de Desarrollo de Carreras de Ingeniería de Energía en el MIT.

El equipo del MIT inicialmente usó un algoritmo computacional para explorar una enorme variedad de configuraciones posibles, y desarrolló software analítico que puede probar cualquier configuración dada bajo un rango completo de latitudes, temporadas y clima. Entonces, para confirmar las predicciones de su modelo, construyeron y probaron tres diferentes acomodos de celdas solares en el techo de un edificio de laboratorios del MIT por varias semanas.

Mientras que el costo de una cantidad de energía dada generada por dichos modelos tridimensionales excede en los paneles planos ordinarios, el costo es parcialmente balanceado por una salida de energía mucho más alta de un área dada, así como una salida de energía mucho más uniforme en el curso del día, en las temporadas del año, y en presencia de bloqueo de nubes y sombras. Estas mejoras vuelven la salida de energía más predecible y uniforme, lo que podría hacer la integración con la red de energía más fácil que los sistemas convencionales, dicen los autores.

La razón física baja para las mejoras en la salida de energía – y para la salida más uniforme en el tiempo – es que las superficies verticales de las estructuras tridimensionales pueden recolectar mucha más luz del sol por las mañanas, tardes e inviernos, cuando el sol es más cercano al horizonte, dice el coautor Marco Bernardi, un estudiante graduado en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería (DMSE) del MIT.

El tiempo es perfecto para dicha inovación, agrega Grossman, por que las celdas solares se han vuelto más económicas que las estructuras que las soportan, el cableado y la instalación. Conforme el costo de las mismas celdas continua declinando más rápidamente que estos otros costos, dicen, las ventajas de los sistemas tridimensionales crecerán de la misma manera.

“Incluso hace 10 años, esta idea no habría sido económicamente justificable por que los módulos costarían demasiado,” dice Grossman. Pero ahora, agrega, “el costo de las celdas de silicio es una fracción del costo total, una tendencia que continuará bajando en el futuro cercano”. Actualmente, hasta 65 por ciento del costo de la energía fotovoltaica (PV) está asociada con la instalación, permisos para uso del suelo y otros componentes además de las celdas mismas.

Aunque el modelado por computadora de Grossman y sus colegas mostró que la mayor ventaja sería obtenida de formas complejas – como un cubo donde cada cara está curveada hacia adentro – estás serían difíciles de construir, dice el coautor Nicola Ferralis, un científico investigador en DMSE. Los algoritmos también pueden ser usados para optimizar y simplificar formas con poca pérdida de energía. Resulta ser que la diferencia de salida de energía entre dichas formas optimizadas y un cubo simple es solo de 10 a 15 por ciento – una diferencia que es eclipsada por la gran mejora de rendimiento de las formas tridimensionales en general, dice. El equipo analizó las simples formas cúbicas y las formas más complejas similares a un acordeón en las pruebas experimentales en su tejado.

Al principio, los investigadores estuvieron afligidos cuando pasaron casi dos semanas sin un día claro y soleado para sus pruebas. Pero entonces, viendo los datos, se dieron cuenta de que habían aprendido importantes lecciones de los días nublados, que mostraron una mejora enorme en la salida de energía sobre los paneles planos convencionales.

Para la torre similar a un acordeón – la estructura más amplia que el equipo probó – la idea era simular una torre que “pudieras enviar plana, y entonces pudiera desdoblarse en el lugar”, dice Grossman. Dicha torre podría ser instalada en un estacionamiento para proveer una estación de recarga de vehículos eléctricos, dijo.

Hasta ahora, el equipo ha modelado módulos individuales tridimensionales. Un próximo paso es estudiar una colección de dichas torres, tomando en cuenta las sombras que una torre podría crearle a las otras a diferentes horas del día. En general, formas tridimensionales podrían tener una gran ventaja en cualquier lugar donde el espacio es limitado, como instalaciones de techos planos o en entornos urbanos, dicen. Dichas formas también podrían ser usadas en aplicaciones de gran escala, como granjas solares, una vez que los efectos entre las torres sean cuidadosamente minimizados.

Algunos otros esfuerzos – incluyendo incluso un proyecto de una feria de ciencia de escuela media el año pasado – han intentando acomodos tridimensionales de celdas solares. Pero, dice Grossman, “nuestro estudio es diferente en naturaleza, ya que es el primer acercamiento al problema con un análisis sistemático y predictivo”.

David Gracias, un profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad John Hopkins quien no estuvo involucrado en esta investigación, dice que Grossman y su equipo “han demostrado evidencia teórica y una prueba de concepto de que elementos fotovoltaicos tridimensionales podrían proveer beneficios significativos en términos de capturar la luz en diferentes ángulos. El desafío, sin embargo, es el producir masivamente estos elementos de una manera efectiva en cuanto a costos”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)