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Ciencia

Recolección de combustible solar a través del inusual apetito de una bacteria por el oro

Nicolás Fuentes

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Se descubre la posible recolección de combustible solar a través de bacteria con inusual apetito al oro

Científicos de la Universidad de California en Berkeley, descubrieron el inusual apetito que tiene la bacteria llamada "Moorella thermoacetica" hacia el oro. Apetito el cual sería lo más cercano a una "forma de pago", el cual consistiría en cerca de 22 átomos de oro (Au22) para que dicha bacteria genere un camino mucho más eficiente. Lo anterior para la producción de combustibles solares a través de una fotosíntesis artificial.

Su primera aparición, fue como la debutante primera bacteria no fotosensible en producir una fotosíntesis artificial en un estudio, el cual fue dirigido por el profesor de la facultad de Química de la Universidad de California Peidong Yang. Este estudio en el cual se unió nanopartículas absorbentes de luz hechas de sulfuro de cadmio (CdS) a la membrana exterior de la bacteria, conviertiendola en una pequeña máquina fotosintética, la cual convierte la luz del sol y el dióxido de carbono (CO2) en productos químicos útiles.

El grupo de científicos a cargo del doctor Peidong Yang descubrieron una forma mucho más eficaz para atraer a la "Moorella thermoacetica" con dióxido de carbono (CO2) para que sea más productiva. Consiste en colocar nanoclousters de oro que absorben luz dentro de la bacteria, con lo cual se crea un sistema con características biohíbridas, las cuales producen un mayor rendimiento de productos químicos que los anteriores demostrados.

Para el primer modelo híbrido, los investigadores eligieron el sulfuro de cadmio como un semiconductor por su capacidad para absorber la luz visible, pero como el sulfuro de cadmio es tóxico para las bacterias, las nanopartículas debían estar unidas a la membrana celular "extracelularmente" o fuera del sistema M. thermoacetica-CdS. La luz solar excita cada nanopartícula de sulfuro de cadmio para generar una partícula cargada conocida como un electrón. A medida que estos electrones generados por la luz viajan a través de la bacteria, interactúan con múltiples enzimas en un proceso conocido como la "reducción de CO2", lo que desencadena una cascada de reacciones que eventualmente convierten el CO2 en acetato, un químico valioso para producir los combustibles solares.

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Pero dentro del modelo extracelular, los electrones terminan interactuando con otros químicos que no tienen parte en convertir el CO2 en acetato. Y como resultado, algunos electrones se pierden y nunca llegan a las enzimas. La solución para mejorar lo que se conoce como la "eficiencia cuántica" o la capacidad de la bacteria para producir acetato cada vez que gana un electrón. Los investigadores encontraron otro semiconductor conocidos como los nanoclusters hechos de 22 átomos de oro (Au22).

El "mágico" nanoclúster de oro, como le han apodado los científicos, es el último descubrimiento del laboratorio del doctor Peidong Yang, quien durante los últimos seis años se ha centrado en el uso de las nanoestructuras biohíbridas para convertir el dióxido de carbono (CO2), en productos químicos útiles. Este último siendo parte del esfuerzo continuo para encontrar recursos asequibles y abundantes para combustibles renovables y potenciar soluciones para contrarrestar los efectos del cambio climático.

Frente a estos resultados, el doctor Peidong Yang ha declarado: "Al alimentar a las bacterias con nanoclusters Au22, hemos optimizado efectivamente el proceso de transferencia de electrones para la vía de reducción de CO2 dentro de las bacterias, como lo demuestra una eficiencia cuántica de 2.86 por ciento, o 33 por ciento más de acetato producido dentro del sistema M. thermoacetica-Au22 que el modelo CdS ”.

 

 

Ciencia

Crean nuevo tipo de inodoro que se "autolimpia" y que reduce a la mitad el consumo de agua

Los científicos aseguran trabajar para que esta tecnología sea accesible para todas las personas.

Jean Muñoz Iturriaga

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Clásico inodoro que se encuentran en los hogares.

Todos los días, se usan más de 141 mil millones de litros de agua únicamente para descargar los inodoros. Con millones de ciudadanos del mundo experimentando escasez de agua, ¿qué pasaría si esa cantidad pudiera reducirse en un 50%?


La posibilidad puede existir a través de una investigación realizada en Penn State, el cual puede lograr reducir la gran cantidad de agua que utilizan constantemente los WC.

"Nuestro equipo ha desarrollado un robusto revestimiento repelente de bacterias, líquidos, lodos e inspiración biológica que esencialmente puede hacer que un inodoro se autolimpie", exponeTak-Sing Wong, profesor de ingeniería de Wormley Early Career y profesor asociado de ingeniería mecánica y Ingeniería Biomédica.

En el Laboratorio Wong de Ingeniería Inspirada en la Naturaleza, ubicado en el Departamento de Ingeniería Mecánica y el Instituto de Investigación de Materiales, los investigadores han desarrollado un método que reduce drásticamente la cantidad de agua necesaria para descargar un inodoro convencional, que generalmente requiere 6 litros.

Desarrollado conjuntamente por Jing Wang, un graduado doctoral del laboratorio de Wong, el recubrimiento de superficie lisa (LESS en su sigla en inglés) incrustado en líquido es un aerosol de dos pasos que, entre otras aplicaciones, se puede aplicar a una taza de inodoro de cerámica. El primer aerosol, creado a partir de polímeros injertados molecularmente, es el paso inicial para construir una base extremadamente suave y repelente de líquidos.

"Cuando se seca, el primer aerosol produce moléculas que parecen pelitos, con un diámetro de aproximadamente 1,000,000 de veces más delgado que el de un humano", indica Wang.

Mientras que esta primera aplicación crea una superficie extremadamente lisa como está, la segunda aplicación infunde una capa delgada de lubricante alrededor de esos "pelos" nanoscópicos para crear una superficie super-resbaladiza.

Esquemas que muestran tres métodos para reducir el trabajo de adhesión y los resultados de medición de adhesión experimental correspondientes

"Cuando colocamos ese recubrimiento en un inodoro en el laboratorio y le echamos materia fecal sintética, (la materia fecal sintética) simplemente se desliza hacia abajo y nada se adhiere (el inodoro)", puntualizó el doctor del laboratorio.

Con esta novedosa superficie resbaladiza, los inodoros pueden limpiar eficazmente los residuos del interior del tazón y eliminar los desechos con solo una fracción del agua que se necesitaba previamente.

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Los investigadores también predicen que el recubrimiento podría durar alrededor de 500 descargas en un inodoro convencional antes de que sea necesaria una nueva aplicación de la capa de lubricante.

Mientras que otras superficies resbaladizas con infusión de líquido pueden tardar horas en curarse, el "LESS" revestimiento de dos pasos tarda menos de cinco minutos. Los experimentos del investigador también encontraron que la superficie repele eficazmente las bacterias, particularmente aquellas que propagan enfermedades infecciosas y olores desagradables.

Si se adoptara ampliamente en los Estados Unidos, podría dirigir recursos críticos hacia otras actividades importantes, hacia áreas afectadas por la sequía o hacia regiones que experimentan escasez crónica de agua, dijeron los investigadores.

Prueba de adhesión de bacterias con orina sintética enriquecida con Escherichia coli en diferentes superficies

Impulsados ​​por estas soluciones humanitarias, los investigadores también esperan que su trabajo pueda tener un impacto en el mundo en desarrollo. La tecnología podría usarse dentro de inodoros sin agua, que se usan ampliamente en todo el mundo.

"Las fecas pegadas al inodoro no solo es desagradable para los usuarios, sino que también presenta serios problemas de salud", dijo Wong.

Sin embargo, si un inodoro o urinario sin agua usara el revestimiento "LESS", el equipo predice que este tipo de accesorios serían más atractivos y más seguros para un uso generalizado.

Para abordar estos problemas tanto en los Estados Unidos como en todo el mundo, Wong y sus colaboradores, Wang, Birgitt Boschitsch y Nan Sun, todos ex alumnos de ingeniería mecánica, comenzaron una nueva empresa.

Con el apoyo del TechCelerator de Ben Franklin Technology Partners, la National Science Foundation, el Departamento de Energía, la Oficina de Investigación Naval, la Competencia del Plan de Negocios Rice y Y-Combinator, su compañía, spotLESS Materials, ya está llevando el recubrimiento LESS a mercado.

"Nuestro objetivo es llevar tecnología impactante al mercado para que todos puedan beneficiarse", expresa Wong. "Para maximizar el impacto de nuestra tecnología de recubrimiento, necesitamos sacarla del laboratorio".

Mirando hacia el futuro, el equipo espera que los materiales inalámbricos desempeñen un papel en el mantenimiento de los recursos hídricos del mundo y continúen expandiendo el alcance de su tecnología.

"Como investigador en un entorno académico, mi objetivo es inventar cosas de las que todos puedan beneficiarse", dijo Wong. "Como Penn Stater, veo que esta cultura se amplifica a través del emprendimiento, y estoy emocionado de contribuir".

Puedes leer el artículo original en inglés en Phys.org

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Ciencia

¿Existe forma de escapar de un apocalipsis zombi? Sí, con las matemáticas

Siempre la ciencia está a nuestro favor, y qué mejor que las matemáticas. En un caso -probable- de apocalipsis zombi las estadísticas al parecer serían nuestro mejor aliado. Pero, ¿cómo nos ayudarían a sobrevivir? averígualo a continuación.

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The Walking Dead | AMC

Imaginemos que al despertar escuchamos en la radio una noticia urgente: “Se ha liberado un virus que convierte a las personas en zombis y que se transmite mediante un mordisco”. ¿Qué podemos hacer?


Las opciones son variadas. Podemos encerrarnos en casa a cal y canto y esperar que no vengan infectados o salir corriendo al campo y huir lejos, muy lejos, a algún refugio donde nadie nos encuentre. Cada estrategia tiene sus ventajas y sus inconvenientes, y muchos factores determinan cuál es la mejor. ¿Podría un zombi romper la puerta de casa? ¿Correrá lo suficiente para alcanzarnos en el campo? ¿Cuántos encontraremos de camino al refugio? ¿Cuánto tardaremos en transformarnos si nos muerden? ¿Existe alguna cura?

Existe una solución alternativa: recurrir a las matemáticas y a la estadística para escapar. Gracias a ellas podemos modelizar el comportamiento de la epidemia mediante lo que se conoce como modelos SIR.

A grandes rasgos, un modelo SIR es un sistema de ecuaciones diferenciales que permite comprender la dinámica de una infección. En concreto, cómo variará en el tiempo el número de personas susceptibles de ser infectadas (S), el número de infectadas (I) y el de recuperadas (R).

Representación de un modelo SIR para la epidemia zombie.

Para poder comprender una epidemia tenemos que conocer cómo se transmite y qué variables influyen. ¿Cómo se pasa de ser susceptible a estar infectado? ¿Y a estar recuperado? ¿Se puede volver a ser susceptible tras una recuperación? ¿Se puede salir del sistema de alguna otra forma que no sea por fallecimiento?

Para responder a estas preguntas debemos conocer bien la epidemia. Por suerte para nosotros aún no conocemos los datos de una infección zombi, pero estos modelos son útiles para entender muchas otras como la gripe, la varicela y el ébola.

En realidad, existen modelos matemáticos para entender casi todos los aspectos de la vida. Modelos económicos, modelos físicos, modelos climáticos, modelos biomédicos. Los hay de todas las formas y niveles de complejidad y nos sirven para entender dónde invertir, cómo late un corazón y cómo huir del flujo piroclástico de un volcán.

Pero (siempre hay un pero) todos estos modelos sufren el mismo inconveniente. Son una forma de representar nuestro conocimiento respecto a un fenómeno que es, casi siempre, incompleto. Esto deja un hueco entre el modelo y la realidad que queremos explicar. Por ese hueco se cuela la estadística.

Llegados a este punto estoy casi segura que está pensando “¿Estadística? ¿En serio? ¿Pero eso no es lo de las encuestas?” Quizá le hayan venido a la mente palabras como datos o gráficas. Pero la estadística es mucho más que todo eso.

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La estadística está detrás de cada nuevo tratamiento médico, de la eficacia de cada vacuna, de cada nuevo fertilizante. Está también detrás de muchas políticas medioambientales, de la recomendación de no fumar y de la de que las embarazadas y los menores de 10 años no consuman atún y pez espada. Dicho de otra forma, la estadística es la ciencia que nos permite entender todo aquello a lo que nuestro conocimiento no llega, para cuantificar la incertidumbre que nos rodea.

Volvamos al caso de los modelos matemáticos. La metodología estadística permite captar aquello que difiere entre el proceso real y el simulado y darle forma. Para entenderlo mejor piense en una reacción química. Queremos saber como de rápido se produce y un experto nos da una fórmula que nos permite estimar esa velocidad a partir de la cantidad de producto sin reaccionar en cada instante de tiempo. Así que repetimos tres veces la reacción, medimos en varios instantes de tiempo y obtenemos una aproximación al valor deseado.

Hasta aquí todo genial, pero (maldito pero), en la fórmula no se ha tenido en cuenta que siempre hay una parte del producto que no reacciona por quedarse pegado a las paredes del recipiente. Con este panorama es muy posible que el valor de la velocidad que hemos estimado sea erróneo.

Lo podemos ver en la siguiente gráfica, donde los puntos representan la cantidad de producto sin reaccionar en cada instante. La línea roja es el modelo incorrecto, mientras la verde representaría el correcto. El primero estima que la tasa de reacción (velocidad) es de 0,63 cuando, en realidad, es de 1,7.

Evolución de la reacción química.

¿Qué hacemos entonces? ¿Cómo podíamos saber que el modelo estaba mal? En realidad no podíamos, pero sí añadir al modelo una corrección estadística, algo que solo tenga efecto cuando lo que observamos difiera del modelo. A esta corrección se la conoce como función de discrepancia y, en este ejemplo concreto, permite recuperar una estimación del parámetro en 1,72 (¡casi en el clavo!).

Tener en cuenta que hay incertidumbre, incluso sobre el modelo que estamos utilizando, es fundamental para obtener mejores resultados.

Llegados hasta aquí, ¿como ayuda esto a huir de los zombis? (no me había olvidado). Pues fácil: añadir esta función de discrepancia al modelo SIR permite (si hay datos) estimar mejor la velocidad de paso de los monstruos, cuánto tardamos en infectarnos tras el mordisco y la eficacia de la cura. Así, la estadística nos ayuda a decidir dónde es mejor escondernos.The Conversation

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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Ciencia

¿Qué está pasando con el petróleo?

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Pixabay

Se habla mucho del cambio climático y de la necesidad de dejar parte de los combustibles fósiles en el subsuelo para evitar un calentamiento global de dimensiones dramáticas. Pero se habla mucho menos de que los combustibles fósiles son finitos y en algún momento empezarán a agotarse.


Ambos problemas, aunque parezcan contradictorios, son las dos caras de la misma moneda del problema energético. Ambos nos hablan de la misma realidad: los límites de la energía.

La sostenibilidad es una cuestión de equilibrios y de ritmos. El cambio climático no es más que un gran desequilibrio entre el ritmo al que el ser humano está quemando los combustibles fósiles y el ritmo al cual la naturaleza recicla los gases emitidos.

Por el lado de los recursos, también existe un desequilibrio enorme: estamos extrayendo carbón, petróleo y gas a un ritmo inmensamente mayor que sus velocidades de generación.

El desequilibrio es también muy grande cuando hablamos de las alternativas tecnológicas: estamos muy lejos de implantar las energías renovables al ritmo necesario para sustituir el agotamiento que los expertos prevén para los combustibles fósiles.

Consumo de petróleo per cápita por países. BP Statistical Review of World Energy

Cada vez cuesta más obtener petróleo


El problema se complica porque los ritmos de extracción de los combustibles fósiles tienden a hacerse más lentos con el tiempo. Este fenómeno es conocido como pico del petróleo y del gas (peak oil): cuando se ha sacado aproximadamente la mitad del recurso de un yacimiento, la extracción empieza a hacerse más lenta y costosa.

Estimaciones de extracción de gas natural en función del tiempo, según los modelos de diferentes expertos. EU Framework Program for Research and Innovation actions (MEDEAS)

Este fenómeno se debe a motivos geológicos que impiden que el petróleo o el gas fluyan a la velocidad deseada y se viene observado en numerosos yacimientos desde hace décadas.

Países como México, Argelia, Venezuela, Argentina, Guinea, Indonesia, Noruega y el Reino Unido ya llevan años con su producción en declive. El estancamiento y posterior caída de toda la producción mundial de petróleo se prevé hacia 2020-25.

Existe mucha controversia sobre si estamos ya viviendo el pico del petróleo. Lo que sí se puede constatar es que el petróleo convencional (barato y de fácil extracción) alcanzó su máximo de producción en 2006.

Desde entonces, la producción ha conseguido aumentar a duras penas a base de petróleos extraídos mediante fractura hidráulica o arenas asfálticas. El hecho de

Estimaciones de extracción total de crudo en función del tiempo, según los modelos de diferentes expertos. EU Framework Program for Research and Innovation actions (MEDEAS)

que este tipo de petróleos se estén explotando es la mejor evidencia de que tenemos un problema muy serio.

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Fractura hidráulica


La fractura hidráulica requiere unas inversiones muy elevadas y tienen unas consecuencias ambientales desastrosas. Su extracción solo se explica porque el petróleo fácil de extraer y de buena calidad ya no es capaz de satisfacer la demanda.

Además, cuando la extracción es técnicamente tan compleja, la calidad del recurso es mucho menor. Esto se mide con la tasa de retorno energético o TRE: el cociente entre la energía obtenida de una fuente y la energía invertida en extraerla.

Si esta tasa es cercana a uno, invertimos casi toda la energía en la extracción y prácticamente tenemos un sumidero en lugar de una fuente. Si la TRE de la energía que estamos utilizando en el mundo actualmente está en torno a 16, la de los petróleos no convencionales no llega a 4.

Ante estos hechos, podemos preguntarnos si la tecnología va a ser capaz de proporcionarnos alternativas que nos permitan continuar con el consumo de energía -siempre creciente- que requieren nuestras economías.

Transición energética, una solución difícil


Las conclusiones de los estudios que estamos realizando en el Grupo de Investigación en Energía, Economía y Dinámica de Sistemas de la Universidad de Valladolid financiados por la UE bajo el proyecto MEDEAS-Locomotion son claras: no tenemos tiempo.

Existen muchos problemas técnicos que hacen que la transición energética no pueda ser un fácil y cómodo cambio de unas energías fósiles por otras renovables. Algunos de ellos son los siguientes:

  • Las renovables tienen tasas de retorno energético menores, requieren una ocupación de terreno nada despreciable y son discontinuas.
  • La acumulación de energía es un problema técnico importante cuya mejor solución, en estos momentos, son las baterías. Pero las baterías son mucho más pesadas y requieren elementos escasos que apenas se están reciclando y cuyo minado tiene consecuencias ambientales nefastas.
  • La energía nuclear no se vislumbra como alternativa por los límites del uranio y, sobre todo, porque no se están construyendo centrales suficientes para reemplazar a las que van a cerrarse en las próximas décadas. Mientras tanto, la fisión nuclear, según sus defensores más optimistas, no tendría prototipos comerciales antes de 2040.
  • Las mejoras en la eficiencia energética son posibles, pero limitadas.

Todas estas limitaciones técnicas nos hablan de un problema de fondo con grandes implicaciones. Hemos basado nuestra sociedad en el uso de unos combustibles con unas prestaciones extraordinarias y las tecnologías que podrían reemplazarlos son técnicamente peores.

Además, la economía se sustenta en el crecimiento constante. Esto requiere una demanda siempre creciente de energía y recursos. Mientras tanto, tanto las alternativas tecnológicas como el planeta nos están diciendo que nos dirigimos a un futuro de menos recursos y probablemente también menos energía disponible.

Todo ello hace de la transición energética un problema muy complejo que va mucho más allá de las soluciones técnicas. Un problema que no puede resolverse si no abordamos, primero, la insostenibilidad estructural de nuestra sociedad y nuestra adicción al crecimiento.The Conversation

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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