VIDA CIENTÍFICA

La serie Nuevos Materiales, que nos acompaña desdeel numero O, dedica su octava edición a los ñuidos com

plejos. Estos materiales tienen la propiedad de que bajola acción de campos extemos cambian sus propiedadesmecánicas, eléctricas y ópticas, retornando a su situación primitiva cuando cesa la acción de los campos.Entre ellos cabe destacar los electro-reológicos, losmagneto-reológicos y los ferrofluidos. Los profesoresRubio, de la UNED, y Melle y Domínguez, de la UCM,nos describen tanto su comportamiento como algunasaplicaciones recientes de gran interés en campos comola bio-ingeniería, la automoción o la construcción.En el apartado de Colaboraciones, contamos esta

vez con un trabajo de Biología de la profesora Morcillo, dedicado al comportamiento de las células ensituaciones de estrés, debidas fundamentalmente a loscambios ambientales. Esperamos poder ofrecer desdeahora también colaboraciones en estos campos, ya quese inicia una nueva andadura en nuestra Facultad con

la implantación de la licenciatura en Ciencias Ambientales y, por lo tanto, se amplían los temas de interés denuestros lectores.

En el área de Física, el profesor Criado nos presenta la vida y la obra de Ilya Prigogine, Premio Nobel deQuímica en 1977, fallecido el 28 de mayo del añopasado. Su pérdida, a los 86 años de edad, ha sido unduro golpe para todos aquellos que aman la Ciencia engeneral y la Termodinámica en particular. Pero para elconjunto de la comunidad universitaria de la UNED suadiós significa un hueco insustituible, pues era DoctorHonoris Causa de la UNED desde 1985. Agradecemosespecialmente al profesor Criado que nos haya proporcionado esta entrañable y, a la vez, rigurosa colaboración.

En el área de las Matemáticas, el profesor Morenonos indica cómo esta materia puede ayudar a comprender las actividades financieras y, al mismo tiempo, permitir el desarrollo de métodos eficientes de inversión ygestión. Y, en el área de Química, la profesora Rojasnos describe los diferentes tipos de los denominados

compuestos de intercalación y algunas de sus aplicaciones en la vida cotidiana.

En nuestros apartados de Novedades científicas, Semblanzas de los Premios Nobel y Efemérides, seguimoscontando con la colaboración de diferentes profesoresde la Facultad que, dedicándonos un poquito de su tiempo, han hecho posible que tengamos aquí recopilada unavaliosa información, tanto para estudiantes como paraprofesores. Cabe destacar las colaboraciones de los profesores Ros, de la Universidad Politécnica de Cataluña,

y Sellés, de la Facultad de Filosofía de la UNED, que,en el apartado de Efemérides, nos describen la importancia de los tránsitos de los planetas para la determinación de la unidad astronómica de distancia y las expediciones científicas del siglo XVIII para la observacióndel tránsito de Venus, respectivamente.En el apartado de Las mujeres y la Ciencia informa

mos de la entrega del Premio Elisa Pérez Vera (6" edición) para trabajos sobre mujer, género y feminismo,que tuvo lugar el pasado 8 de marzo, día internacionalde la mujer trabajadora. En el marco del mismo, la bió-loga Josefina Casiellví impartió una conferencia sobreel Plan Nacional de Investigación en la Antártida, delque durante diez años fue gestora, así como de la creación y el mantenimiento de la base española en el territorio austral. Además, en este mismo apartado. Ja profesora Teresa Claramunt nos relata la biografía de RitaLevi Montalcini, Premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1986 por su contribución al conocimiento del sistema nervioso, poniendo en evidencia su faceta de científica comprometida con la construcción de un mundoigualitario (entre países pobres y ricos, entre hombres ymujeres, etc.).

Y, por ultimo, en las Colaboraciones científicas deotras ramas del saber, la profesora Fernández Hernando, de la UNED, y el Doctor Jorge Herrero, de la Clínica Puerta de Hierro, nos describen los Dispositivos paraimplantes cardiovasculares, segunda parte del trabajoque nos ofrecieron en el numero anterior (véase100cias@uned, n" 6 (2003), págs. 35-41).

NUEVOS MATERIALES

Suspensiones coloidales que responden acampos externos

Muchos de los nuevos materiales

de desarrollo reciente entran dentro

de la categoría que se denominahabitualmente "fluidos complejos"[1]. Con este apelativo se intentadiferenciar aquellos fluidos que,debido a su estructura microscópica,es decir, sus componentes elementales y las interacciones entre los mismos, presentan propiedades macros

cópicas especiales. El ejemplo típicode estos finidos complejos son losfluidos poliméricos [2], en los que ladeformación de las cadenas molecu

lares bajo flujos macroscópicos, y laposterior recuperación de su formade equilibrio estadístico cuando cesael flujo, confieren al fluido propia-

dades, como la viscoelasticidad o la

existencia de diferencias de tensio

nes normales, que tienen extraordinaria importancia a la hora del procesado industrial de dichos com

puestos.

Entre los fluidos complejos quemás interés han suscitado en los

últimos años, y que mayor númerode aplicaciones prácticas han permitido, se encuentran varios tipos defluidos que se pueden englobar enun grupo que denominaremos "suspensiones coloidales que respondena campos extemos"[l], al cuál enadelante nos referiremos por mediode su abreviatura inglesa FRCD{field responsive colloidal disper-sioíis). Se trata de suspensiones departículas, más o menos monodis-persas, en determinados fluidossoporte. La característica común atodas ellas es que la naturaleza desus partículas hace que bajo la presencia de campos extemos, eléctricos o magnéticos según el caso, laspartículas en suspensión adquieranmomento dipolar. Con posterioridad, e independientemente delcarácter del campo polarizante, lainteracción entre los dipolos haceque las partículas en suspensión seagreguen formando cúmulos que,como veremos, tienen una geometría característica, y que confieren alfluido propiedades mecánicas yópticas muy especiales y de graninterés práctico.

El primer requisito que debecumplir una suspensión de partículas para ser un candidato aceptabledentro de esta clase de materiales es

que debe tener estabilidad coloidal[3]. Esta estabilidad coloidal involu

cra dos aspectos distintos:

• En condiciones de equilibrio -sincampo externo- las partículas nodeben presentar efectos aprecia-bles de sedimentación. Es decir,

deben tener una densidad muysimilar a la del fluido soporte.

• La agregación de las partículasdebe ser reversible, es decir, sin

campo externo, la energía de interacción entre partículas debe sermenor que la energía de las fluctuaciones térmicas (IcbT), deforma que dichas fluctuacionesgaranticen la desagregación delos cúmulos de partículas. Esto seconsigue seleccionando químicamente la carga superficial de laspartículas (por ejemplo, dejandoterminales -COOH en su superficie, lo que en disolución acuosada una carga supeificial negativa)y utilizando surfactantes.

CLASES

Obviamente, el segundo requisitoes que sean polarizahles por mediode la acción de campos extemos.Las distintas formas prácticas deinducción del momento dipolar enlas partículas permiten clasificar alas FRCD en tres tipos distintos quese describen a continuación (ver

resumen en la Tabla 1).

• Fluidos electro-reológicos: Eneste caso el momento dipolar segenera por medio de un campoeléctrico. Por ello, el fluidosoporte debe ser aislante (aceitesminerales, hidrocarburos, etc.) ylas partículas deben ser no conductoras, por lo que se suelen utilizar partículas de vidrio, materiales poliméricos o cerámicos.El tamaño típico de estas partícu

las puede variar en un rango bastante amplio entre 0,1 y 100mieras, y el momento dipolar delas mismas no es permanente.Fluidos magneto-reológicos: Elmomento dipolar se induce pormedio de un campo magnético, demanera que, en este caso, el fluidosoporte puede ser polar o no polar;de hecho se utilizan incluso sus

pensiones acuosas. Las partículassuelen tener diámetros entre 0,1 y100 mieras. Como es lógico, interesa que la susceptibilidad magnética de las partículas sea alta, perotambién que al suprimir el campoextemo el momento dipolar desaparezca. Esto se consigue utilizando partículas compuestas de unamatriz polimérica (habitualmentepoli-estireno), en la que se dispersan gránulos de magnetita de unoscuantos nanometros de diámetro,

o bien se encapsula un núcleo demagnetita. Las partículas así obtenidas presentan característicasmagnéticas especiales —se imanan bajo un campo extemo, perono presentan imanación remanente ni histéresis— y se denominan"super-paramagnéticas".

PS/PDVB

Magnetita(-10 nm)

Diámetro -1 pm

Figura ¡. Esquema de la estructura de unapartícula superparamagnética. PS/PVD:matriz polimérica (poUcstireno/poli-divinil-benceno); SDS: sur/actante (dodeciisulfatosódico.

Tabla I

Fluido soporte

Partículas

Diámetro

Electro-reológicos

Aislante

(Aceites minerales)

Dielétricas

0,1 - 100 m

Magneto-reológicos

Polar o no polar

Superparamagnéticas(dispersas o encapsuladas)

0,1 - 100 m

Ferrofluidos

Polar o no polar

Magnéticasmonodominio

5 - 10 nm

No permanentes No permanentes Permanentes

VIDA CIENTÍFICA

• Ferrofluidos: En estas suspensiones, el fluido soporte puede serpolar o no polar, pero las partículas magnéticas son de magnetita yde tamaño mucho menor, con diá

metros entre 5 y 10 nanometros.Este tamaño tan reducido hace

que dichas partículas tengan imanación permanente y sean mono-dominio. El comportamiento delos ferrofluidos [4] es cualitativa

mente distinto al de los otros dos

grupos, dado que, en ausencia decampo extemo, la energía de interacción entre los dipolos permanentes es similar a la de las fluc

tuaciones térmicas, con lo que laestructura microscópica de la suspensión presenta agregados departículas desordenados, muyramificados y poco "rígidos". Alaplicar el campo extemo estosagregados tienden a orientarsesegún la dirección del campo,pero el comportamiento del material sigue siendo el de un fluido deviscosidad ligeramente superior ala del fluido soporte. Por ello en eltexto restante nos limitaremos a

discutir el comportamiento y lasaplicaciones de los fluidos electro- y/o magneto-reológicos.

¿QUÉ OCURRE AL APLICAREL CAMPO?

El sufijo "reológico" en la denominación de estos fluidos indica queson las propiedades macroscópicasde flujo y deformación de estosmateriales las que cambian de manera drástica cuando se les somete a laacción de campos externos. Lamanera más habitual de registrardichos efectos es realizar un experimento de reometna de torsión [5].

Para ello se coloca una muestra del

fluido entre dos platos circulareshorizontales, de los cuales uno se

mantiene en posición fija, mientrasque al otro se le impone un par derotación (esfuerzo de cizalla) y se

mide la evolución temporal del ángulo girado (deformación) por el plato.

Bajo la acción de un campo eléctrico o magnético perpendicular alas superficies de los platos, el comportamiento típico de un fluido

Figura 2. a) Esquema de un experimento de reometna de torsión: y representa la deformación.

b) Comportamierttos típicos de un fluido newtoniano y un fluido magneioreoló-gico; y representa el esfuerzo de cizalla, a,, el esfuerzo umbral y r¡p la viscosidad de ¡afose plástica.

c) Ley fcnomenológica para un plástico de Bingham; G representa el módulode elasticidad en la fase elástica.

electro- o magneto-reológico es elsiguiente [1]:

Para esfuerzos de cizalla pequeños, el material se comporta como

un sólido elástico, adquiriendo unadeformación estacionaria dependiente del esfuerzo de cizalla aplicado.

Por encima de un cierto valor

umbral del esfuerzo de cizalla, el

material "cede" y se comporta comoun fluido viscoso cuya viscosidaddepende del campo aplicado.

Esta fenomenología se sueledenominar comportamiento "plástico de Bingham". Es importante destacar que con una selección apropiada del fluido soporte y de las partículas en suspensión se puedenalcanzar valores muy altos delesfuerzo umbral para que el material ceda (hasta 100 kPa) y de la viscosidad, que puede llegar hasta un

millón de veces el valor de la visco

sidad del fluido soporte.La causa última de estos cambios

reside en la modificación que experimenta la micro-estructura de la sus

pensión bajo la acción de la interacción dipolar entre las partículas. Enefecto, dadas dos partículas con dipo-ios inducidos idénticos ¡n, en la con

figuración que se ve en la figura 3, suinteracción vendrá dada por una fuerza tal como la expresada en la mismafigura.Es fácil ver que la componente

azimutal de dicha fuerza tiende a

colocar a las dos partículas alineadas en la dirección del campo externo y que, en tal posición, la componente radial de la fuerza es atractiva. Por lo tanto, si la energía deinteracción dipolar en esa configuración es mayor que la energía delas fluctuaciones térmicas, las partí-

F,i(f) = {[l-3cos-a]í7, +sin(2a)ií^|

Figura 3. Fuerza de interacción dipolar entre dos partículas magnéticas de momentodipolar igual y alineado con el campo.

100cias@uned

T=0,6s

7=1.4 s 7=3 s

Figura 4. Imágenes de microscopía de! proceso de agregación al aplicar el campo magnético. Fracción de volumen de la suspensión 0,0005: H=I2.4 kA/m.

culas se agregarán formandoestructuras en la forma de collares

de perlas alineados con el campo[61. Estas estructuras son las queproducen el sorprendente cambioen las propiedades mecánicas deestos materiales. En la figura 4 seilustra este cambio en la micro-

estructura de una suspensión acuosa de partículas super-paramagnéti-cas de aproximadamente una mierade diámetro; las imágenes han sidoobtenidas por medio de una técnicade videomicroscopia.

APLICACIONES

Es evidente que la posibilidad de,por la simple aplicación de uncampo externo, cambiar las características del material, de forma quepase de ser un fluido prácticamentenewtoniano a un sólido elástico,ofrece innumerables posibilidadestecnológicas. Por ejemplo, en sistemas en los que se requiera controlarde manera on/off un flujo, o sistemas en los que se desee controlar elmovimiento relativo de dos piezassólidas entre las que hay un fluido.

También es obvia la utilidad en

posibles aplicaciones del régimen

de flujo viscoso con una viscosidadcontrolable por medio de un campoextemo (en el fondo, una con'iente

eléctrica). Además, la respuesta deestos fluidos a la aplicación delcampo externo puede ser bastanterápida, particularmente en el casode los magneto-reológicos que pueden tener tiempos de respuesta delorden de milisegundos.La mayor parte de las aplicacio

nes industriales de estos materiales

se basan en fluidos magneto-reológicos, dado que presentan grandesventajas sobre los electro-reológi-cos, mientras que los electro-reoló-gicos solamente ofrecen la ventajade necesitar para su activaciónmenor consumo energético. Algunas de las ventajas de los magneto-reológicos son:

• Valores del esfuerzo umbral al

menos diez veces mayores, loque permite trabajar con materiales más "rígidos".

• Tiempos de respuesta entre 10 yICO veces menores, lo que facilita su utilización en sistemas de

control de procesos más rápidos.• Mayor estandarización de los

procesos de producción'.

• Mayor estabilidad a tiempos largos.

Seguidamente comentaremosalgunas de las aplicaciones prácticas de estos materiales. Una buena

parte de ellas puede encontrarse enlas páginas Web de la compañíaLord Corporation [7] y se puedenclasificar en tres campos distintos:Automoción, Construcción y Bio-ingeniería.En el campo de la Automoción

podemos distinguir dos tipos deaplicaciones muy recientes:

Frenos y embragues magnéticos:Evidentemente ésta ha sido la primera aplicación industrial y normalmente funcionan en términos de

excitación on/off. Básicamente

estos dispositivos se construyensustituyendo las superficies de fricción de frenos y embragues por unfluido magnetoreológico, quepuede tener baja o alta viscosidad,dependiendo de que se active o noel circuito eléctrico de pilotaje deldispositivo.

Sistemas de amortiguamiento ysuspensiones activas: Los amorti

guadores de los automóviles incluyen de manera habitual la utiliza

ción de un fluido (gas o líquido) ensus cavidades internas. La sustitu

ción de dicho fluido por otro mag-neto-reológico permite un control,por medio de un sistema electrónicode las prestaciones del amortiguador. ya que permiten controlar laviscosidad del fluido interno. Es de

destacar que este tipo de suspensiónactiva ya se ofrece como opción defábrica en determinados modelos

americanos [8].Las aplicaciones en Construcción

son, probablemente, las más espectaculares que se han realizado hastaahora de estos materiales. Como

ejemplo podemos citar la prolecciónanti-sísmica de edificios, finalidadpara la que se han construido amortiguadores activos que pueden ejercer fuerzas de hasta 500 kN (equivalentes a un peso de 50 Tm). Otrade las aplicaciones "estrella" deestos dispositivos es el control acti-

' En el ca.so de los fluidos electro-reológicos. pequeña.s cantidades de agua adsorbida en la superficie de las partículas pueden cambiar muyfuertemente las propiedades de polarización dieléctrica.

vo de vibraciones en los cables de

puentes colgantes. Probablementeno hay estudiante universitario deFísica que no haya visto la filmación del hundimiento del puentecolgante de Tacoma Narrow debidoa las vibraciones inducidas por unfuerte vendaval. Hoy en día esta

posibilidad se evita de forma efectiva por medio de la instalación deamortiguadores activos en loscables del puente.

Finalmente, en Bio-ingeniería

se están usando ya amortiguadoresactivos para aumentar el confort demarcha en prótesis artificiales de

rodilla. Otra vía, aun en estado de

estudio preliminar es la de utilizarmateriales compuestos, en los queel fluido soporte se sustituye por

un gel elástico, como "músculos

artificiales".

BIBLIOGRAFÍA

[ 1 ] R.G. Larson, The Striicture and Rhe-

ology of Complex Fliiids. Oxford

University Press, Nueva York. 1999.

12] G. Sirobl. The Physics of Polymers.

Springer. Berlin. 1997.

13] W.B. Russel. D.A. Saville y W.R.

Schowaller, Colloidal Dispersiom,

Cambridge University Press, 1989.

[4] R.E. Rosensweig. Ferrohydrodyua-

mics, Dover Publications, Nueva

York. 1985.

[5] E. Riande, R. Díaz-Calleja, M.G.

Prolongo, R.M. Ma.sego.sa y

C.Salom, Polymer Viscoelasticity,

Marcel Dekker, Nueva York, 2000.

16] S. Melle, Estudio de la dinámica

en suspensiones magneto-reológi-

cas sometidas a campos externos

mediante el uso de técnicas ópti

cas: Procesos de agregación, for

mación de estructuras y su evolu

ción espacio-temporal-. Tesis Doc

toral. Facultad de Ciencias,

UNED. 2002.

[7] Lord Corporation, Cary, North

Carolina. E.E.U.U. URL:

http://wwvv.lordcorp.com/

http://www.cadillac.com/cadillacjsp/

model.s/gaIlery.jsp?model=srx

Miguel Ángel Rubio ÁlvarezDpto. de Física Fundamental (UNED)

Sonía Melle y Pablo Dommguez

Dpto. de Óptica. Fac. de Física (UCM)

COLABORACIONES

Las proteínas de estrés. La respuesta de lascélulas a los cambios ambientales

Una de las características más lla

mativas de los seres vivos es su

habilidad para detectar los cambiosen el medio ambiente y adecuarsecontinuamente a las nuevas situa

ciones; de ella dependen la supervivencia de los individuos y la evolución de las poblaciones. Tambiénlas células, tanto de vida libre como

las que componen un organismopluricelular, son capaces de adaptarse a los cambios en las condiciones

ambientales. Existe un complejoentramado de sensores y mecanismos de transducción de señales quelogran un continuo ajuste del crecimiento, la proliferación, la expresión de los genes y las actividadesmetabólicas de la célula a pequeñasy graduales variaciones en su entor

no. Pero en determinadas ocasiones

las células se enfrentan a unas con

diciones ambientales demasiado

adversas, que pueden ser críticas yllegar a poner en peligro su propiasupervivencia. Entonces decimosque la célula se encuentra en unasituación de estrés. Hoy sabemos

que ante estas situaciones se activaun mecanismo defensivo que afecta

a la propia expresión del genoma.La palabra estrés se ha convertido

en un comodín de nuestro vocabula

rio ya que constituye una experiencia casi cotidiana en nuestro estilo

de vida actual. Pero ¿qué es exactamente el estrés para una célula?Resulta difícil dar una definición

precisa, ya que, al igual que en loshumanos, la percepción de unasituación de estrés es totalmente

dependiente del tipo de célula. Entérminos generales, se trata de uncambio brusco y repentino en algúnparámetro ainbiental, que puede serde naturaleza física o química (temperatura, presión, radiación, concentración de sales, pH, presencia demetales pesados, sustancias tóxicas,etc.), de manera que se aleje de lascondiciones habituales fisiológicasy que puede provocar daños en algunos de los componentes de la célula,sin llegar a alcanzar una situaciónclaramente letal para la misma.Puesto que las condiciones "norma

les" difieren según el tipo de célula,lo mismo ocurre con las condiciones

que perciben como anormales. Porejemplo, una temperatura de 37"C esnormal para una célula de mamífero, pero solo dos o tres grados más,

a partir de 40"C empieza a ser cnti-ca y se activa la respuesta de estrés,mientras 37"C resulta muy comprometida para las células de un organismo acuático que normalmente seencuentran entre 15"C y 25"C.No obstante, aunque en la per

cepción de! estrés hay diferenciasentre las células podemos decir quetodas ellas responden de una formamuy parecida ante situacionesestresantes muy diversas. Por esohoy día podemos hablar de la "respuesta celular al estrés" en términos genéricos, ya que hay unos elementos clave que la caracterizan.Implica una reprogramación rápidadel genoma, de manera que se activa un pequeño grupo de genes quecodifican las denominadas

proteínas de estrés, cuya síntesis esmuy rápida y muy eficiente, incluso en condiciones en que toda lamaquinaria celular está en unasituación crítica. Se trata de un

mecanismo de defensa y la función