Ver lo que no se puede ver II: Microscopio de fuerzas atómicas (AFM) y microscopio de efecto túnel (STM)

Hoy acabamos estos blog sobre lo que no se puede ver con dos microscopios de escala atómica. Veremos dos microscopios menos conocidos pero probablemente con más resolución que los microscopios electrónicos, los que mucha gente supone que son los más potentes. Vamos con ellos...

Microscopio de fuerzas atómicas (AFM)

El microscopio de fuerzas atómicas (Atomic Forces Microscope, AFM, por sus siglas en inglés) es un microscopio basado en pasar una punta muy fina (de uno o pocos átomos de anchura) sobre un material y registrar, mediante el movimiento de un fleje o voladizo acoplado a la punta, su altura, teniendo una sensibilidad en la altura menor a la de un átomo, pudiendo mapear una superficie para ver si estructura superficial.

En la parte posterior de la punta lleva un espejo que refleja un láser, que por reflexión cambia la trayectoria del láser reflejado, impactando en diferentes fotodiodos, significando una altura diferente cada uno de ellos. Os dejo un pequeño esquema:

Esquema de un AFM

Este microscopio tiene la ventaja de que puede rastrear cualquier superficie, no siendo necesario que sea conductora (como por ejemplo en la microscopía electrónica). La principal limitación que tiene esta técnica es que la resolución máxima la marca la punta. Puntas menos "afiladas" darán resoluciones peores mientras que puntas muy afiladas, en teoría de un átomo de grosor, daría resoluciones atómicas en la altura.

Las puntas de AFM pueden ser funcionalizadas para cambiar su respuesta frente a ciertos grupos funcionales, metales o cualquier otra interacción. Esto puede hacer que sea más sensible a ciertas estructuras o hacerlo invisible a otras, dependiendo del interés del operador.

A continuación os dejo algunas imágenes obtenidas por AFM, podéis buscar más por Internet que, por cuestión de derechos legales, no puedo poner aquí:

Microscopio de efecto túnel (STM)

El microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscope, en inglés) es un microscopio que utiliza un curioso efecto cuántico, el efecto túnel, para tomar imágenes de superficies conductoras. El efecto túnel consiste en que una partícula cuántica atraviese una barrera que tiene mucha más energía que la partícula. El equivalente en el mundo macroscópico es atravesar una pared con una pelota de fútbol, es decir, que el balón atraviese la pared sin romperla ni romper el balón y sin ningún agujero en ella.

El STM funciona haciendo pasar una punta conductora sobre el material, haciendo que pase una pequeña corriente por efecto túnel (recordemos que el aire es un aislante y que harían falta potenciales mucho más grandes de los usados en STM para romper el dieléctrico del aire). Se puede medir en STM de diferentes modos: Uno de ellos registra la señal como la intensidad de corriente que pasa mientras que otro eleva la punta con ayuda de un piezoeléctrico hasta que la intensidad permanece constante.

La principal desventaja es que el material a examinar debe ser conductor, no pudiéndose metalizar como en el caso de las microscopías. Además los tiempos de análisis son largos, también para AFM.

Lámina de oro por STM

Hasta aquí el post de esta semana. Espero que hayas aprendido que hay otras maneras de ver lo que no se ve y no sólo con la ayuda de un microscopio, sino con otras técnicas avanzadas.

Nos vemos en el próximo post!!

Diodos LED: ¿Cómo funcionan?

Ya comentamos en el post de la eficiencia energética que los LED son las fuentes de luz convencionales más eficientes actualmente. Aún así, a mucha gente le puede surgir la duda de qué es un LED, qué significan esas letras, cómo funcionan o cómo están hechos. Hoy, vamos a intentar dar respuesta a todas estas preguntas. Empezamos...

¿Qué es un LED?

LED son el acrónimo de Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode, en ingles). Los diodos son componentes electrónicos presentes en la mayoría de circuitos electrónicos así como en casi todas los dispositivos de grabación digitales (fotodiodos). Básicamente, los diodos son componentes electrónicos que permiten que la corriente eléctrica pase en un sentido pero no en el contrario.

Esto es posible gracias a la manera de construir estos dispositivos, con dos tipos diferentes de semiconductores, un tipo P y un tipo N. Los semiconductores tipo P (positivo) tienen un defecto de carga. Este defecto se consigue dopando un elemento con otro que tenga menos electrones dejando "huecos electrónicos" que pueden ser ocupados por electrones libres. Por el contrario, los semiconductores N (negativo) son semiconductores que están dopados con elementos con más electrones, lo que hace que tenga un "exceso de electrones". Tanto los semiconductores N como los semiconductores P son eléctricamente neutros.

¿Cómo funcionan?

Cuando se juntan un semiconductor P y un semiconductor N se crea una unión P-N, que hace que parte de los electrones del semiconductor N pasen a algunos huecos del semiconductor P, dando lugar a una unión P-N.

Si conectamos una batería  con el polo positivo a la parte P y el polo negativo a la parte N, los electrones extra de la parte P se irán al polo positivo, mientras que los electrones que le faltan a la parte N se rellenarán con los que salen del polo negativo, cerrando el circuito y provocando que la corriente fluya sin demasiado problema. A esta configuración se le denomina conexión directa.

Si por el contrario, conectamos la parte positiva con la parte N y la parte negativa con la parte P, la parte N se vaciará de sus electrones restantes y la parte P se llenará de los electrones de la batería, pero no será posible que la corriente fluya. Esta configuración se denomina conexión inversa.

Pero, ¿por qué emiten luz?

Como ya hemos visto, los electrones pasan del semiconductor N al semiconductor P. Al no corresponder exactamente los niveles electrónicos de ambos materiales, los electrones tienen que perder energía, siendo la emisión de radiación en forma de fotón una de las más eficaces. Si la diferencia de energía corresponde con alguna radiación visible, tendremos un diodo que emite luz, es decir, un LED.

Si ponemos algunos ejemplos concretos, el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) crea un LED de color rojo, el fosfuro de aluminio y galio (AlGaP) crea un LED verde, mientras que el seleniuro de zinc (ZnSe) crea un LED azul.

La luz LED blanca se puede obtener de varias maneras. Como ya se sabe, la luz blanca no es un único color, sino que es una mezcla de varios colores. Si se juntan en la proporción adecuada, uniendo pequeños LED de color rojo, azul y verde amarillento se puede crear un LED blanco. También se puede crear un LED blanco con un LED que emita en el ultravioleta recubierto de un material fluorescente (como el de los fluorescentes de casa), aunque estos LED son menos eficientes que los LED de mezcla de colores. Por eso, si te fijas mucho, en las pantallas LED verás que cada pixel blanco realmente está compuesto por LEDs de 3 colores.

¿Por qué cuando compro LEDs me los venden con una cajita al lado del enchufe?

Como ya hemos comentado, la corriente eléctrica en los LED sólo puede circular en un sentido, por lo que es necesario usar corriente continua para hacer que se iluminen. A los enchufes de casa llega corriente alterna, que varía hasta 50 veces por segundo el sentido de los electrones, por lo que es muy ineficaz conectarlos directamente a la luz. Además, los LED únicamente necesitan unos pocos voltios  (entre 1.8 los rojos y 3.4 los azules) para que se iluminen ya que apenas ofrecen resistencia al paso de la corriente, por lo que los 220 voltios que llegan a casa acabarían friéndolos.

Por todas estas razones, los LEDs suelen venderse con un convertidor de corriente (de alterna a contínua) que, además, nos baja bastante el voltaje, hasta aproximadamente unos 5 voltios.

¿Qué son los OLEDs?

Los OLEDs, o Organic LEDs, son LEDs que en vez de usar compuestos inorgánicos, como los anteriormente mencionados, usan compuestos orgánicos cuya diferencia de energía corresponde a ciertos colores. Estos LED, al estar diseñados a propósito, crean colores más puros y su eficiencia es mayor, por lo que también son más caros.

Hasta aquí el post de esta semana. Recuerda que en la página de Facebook e Instagram (@callofchemistry) están todas las novedades y las encuestas para elegir nuevos temas (de donde, por ejemplo, ha salido este post). Si tienes alguna duda, comentario, quieres que se amplíe algún concepto del tema siempre puedes preguntar en cualquiera de los canales antes mencionados y en los comentarios de este post.

Nos vemos! Cuídate!

Actualidad química: Halladas toneladas de tierras raras en Japón bajo en mar.

La semana pasada se pudo ver en diversos medios de comunicación que se habían encontrado 16 millones de toneladas de tierras raras, pero qué son y para qué sirven estas tierras raras es algo que todavía muchos desconocen así que vamos a comentar la noticia y dar unas pequeñas pinceladas de lo que son. Empezamos...

¿Qué han encontrado en Japón?

El pasado día 10 de Abril se publicó en la revista Scientific Reports (Nature) un artículo en el que se habla sobre el hallazgo de un gran yacimiento de tierras raras e Itrio (REY, rare earths and yttrium). La principal desventaja es estar a varios kilómetros bajo el mar aunque en el propio artículo propone una manera de poder extraerlo, mediante una separación por hidrociclón. Pero este yacimiento no es nuevo (aunque lo pongan en los periódicos), ya se conocía desde el año 2012, sino que la novedad es que han propuesto una posible manera de extraerlo además de ser capaces de cuantificarlo.

Han cuantificado que existen reservas para 62, 47, 32 y 56 años de Itrio, Europio, Terbio y Disprosio, respectivamente, entre otros metales. Estos metales son claves en muchos artilugios de uso común como teléfonos móviles, encendedores mecánicos, coches eléctricos o catalizadores de coches normales.

Todo esto parece ser la solución a muchos de los problemas de estos metales tan desconocidos, pero es verdad? Sólo a medias, ya que hay todavía muchas reservas de REY, especialmente en China (de donde se exportan el 90% de estos metales a nivel mundial), en India, algunas zonas de África, Brasil y EEUU. La clave está en que las minas de EEUU no están apenas explotadas, manteniendo intactos todavía grandes cantidades de estos metales. Por lo que, aunque lo parezca en los artículos, no estamos en una crisis de estas tierras pero es un descubrimiento muy importante.

Aún así, si hay un metal que sí es muy necesario en el desarrollo tecnológico actual y del que se están buscando alternativas: el litio. Este metal utilizado en prácticamente todo lo que lleve una batería (móviles, ordenadores, portátiles o coches eléctricos) puede ser el nuevo oro del mundo contemporáneo. Las reservas mundiales no son tan abundantes como se puede pensar y, además las reservas mundiales están muy localizadas a nivel mundial, principalmente en Australia y Latinoamérica, aunque China también tiene reservas. Australia es el mayor exportador de litio mundial seguido por Chile (con las mayores reservas mundiales).


http://www.eleconomista.es/empresas-finanzas/noticias/8945991/02/18/Paralizada-la-inversion-del-polemico-proyecto-de-mina-de-litio-en-Caceres.html

Es una gran noticia el hallazgo del yacimiento pero, de momento, no es un descubrimiento tan clave como lo pintan en los medios de comunicación, pero sí es importante ya que estos minerales son escasos. Hasta aquí, el post de esta semana, más corto que de costumbre por falta de tiempo.

Como siempre, si tienes alguna duda, si quieres que amplíe algún tema o quieres que hable sobre algún otro tema relacionado con la química puedes pedirlo aquí o en la página de Facebook.

Nos vemos la semana que viene!!

La Química en la Fórmula 1: Las ventajas de los nuevos materiales

Ayer domingo fue la primera carrera del mundial de Fórmula 1 2018, siendo éste un deporte muy condicionado por la ciencia, especialmente por la física. Pero que nadie piense que es la única ciencia que influye, ya que la química es igualmente muy importante. Vamos a verlo...

¿Cómo cambiaron los materiales en la Fórmula 1?

Si comparamos los coches de la primera temporada con los coches actuales las diferencias son obvias. Además de las diferencias en alerones, aletines, cámaras de televisión, antenas, etc. las diferencias son mucho más internas.

Robert Manzon en un Gordini en la primera temporada de F1(1950)
https://www.motor.es/formula-1/muere-robert-manzon-ultimo-superviviente-de-la-primera-temporada-de-formula-1-201519669.html

Uno de los materiales que ha cambiado radicalmente la F1 es la fibra de carbono, introducido en 1982, un material que ha sustituido totalmente la carcasa metálica de los coches, aligerando los coches en una proporción muy importante. Este material tecnológicamente muy avanzado (y muy caro) tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero. Es todo esto que la fibra de carbono permite mejorar los coches, debido a que a menos peso, mayor aceleración con la misma fuerza (y más aceleración hace que ganes carreras aunque sea caro). Además, al tener una resistencia al impacto mucho mayor que otros materiales metálicos que se usaban (como el aluminio) supone un aumento en la seguridad del piloto. Aún así, el hecho de utilizar carrocerías metálicas hace que se absorba parte del impacto debido a la deformación del metal, mientras que la fibra de carbono simplemente se pulveriza.

En este video se comenta como la fibra de carbono ha modificado los monocascos de los coches y, en el minuto 1:35, muestra cómo se destroza el morro de un F1 a 54 km/h (aunque en los choques importantes superan los 200 km/h). La idea del video es apreciar las diferencias entre los impactos producidos en una carrocería metálica (como en un coche de calle) o en una de fibra de carbono. El resto del video está narrado por uno de los responsables del equipo Mercedes del año 2012 y por Nico Rosberg, campeón del mundo de la temporada 2016.

Otro material importante, y también fabricados en carbono, son los discos de freno. Estos discos deben frenar un coche de mínimo 620 kg de 300 km/h a menos de 80 en menos de 100 m. Esto supone convertir una cantidad enorme de energía cinética en calor. Estos frenos de carbono, a diferencia de los frenos metálicos de la calle, funcionan a partir de 300ºC, pudiendo alcanzar en grandes frenadas los 1200ºC, volviéndose incandescentes, pudiendo verse en las retransmisiones.

Frenos del Ferrari de Alonso al rojo vivo (2014)

Si tienes más dudas sobre los frenos, te dejo un video donde Toni Cuquerella te comenta, durante su estancia en el equipo español HRT cómo son los frenos de un F1 y cómo se comportan.

Otros materiales relacionados estas últimas temporadas con la F1 son las baterías eléctricas que cargan el MGU-K y el MGU-H, dos recuperadores de energía en forma de energía cinética y calor, respectivamente, que se almacena en baterías y puede ser utilizada durante unos segundos durante la vuelta por unos motores eléctricos que aportan un extra de potencia al monoplaza.

Estas baterías son de ión litio, igual que las que se utilizan en los teléfonos móviles o en los portátiles, pero de mucha más capacidad (mínimo 4MJ). Aún así, los cables utilizados son unos conductores geniales y las pérdidas minimizadas. Aquí os dejo un artículo donde lo comentan con mucho más detalle.

Por último, y probablemente el más importante, es el compuesto de los neumáticos, ya que es la única parte en contacto directo entre el coche y el asfalto. Estos neumáticos deben ser lo suficientemente blandos para poder amoldarse al asfalto para ofrecer el máximo rozamiento (para mejorar las frenadas y las aceleraciones) pero no hacerlo de manera exagerada ya que frenaría el coche. Además, unas ruedas demasiado blandas se destrozarían debido a las fuerzas y el calor soportados, sin contar las fuerzas G que soportan en las condiciones actuales y que hacen que, muchas veces, vibren dentro de la llanta.

Rueda de F1 vibrando
(Sky Sport, Formula 1)

Como nunca llueve a gusto de todos con estos temas, actualmente los pilotos pueden elegir entre 3 compuestos de distinta dureza para usar, teniendo que usar obligatoriamente dos distintos a lo largo de la carrera. Esto condiciona de manera clave las estrategias de los equipos, ya que un compuesto más blando puede ser un poco más rápido pero se degrada mucho más rápido también, haciendo que haya que parar más a cambiar las ruedas; mientras que un compuesto más duro es un poco menos rápido pero dura mucho más tiempo en pista, lo que muchas veces supone que sea mejor. Estas estrategias dependen del desgaste de cada coche, de la agresividad de los pilotos, de la facilidad de refrigeración, de los 3 compuestos elegidos de entre los 5 posibles que ha creado Pirelli para esta temporada (y que a algunas carreras ha llevado auténticas piedras y a otras ruedas como nubes de gominola). Estos juegos de neumáticos son limitados por fin de semana (entrenamientos + clasificación + carrera), por lo que nuevamente la estrategia de neumáticos (realmente de los compuestos utilizados, he ahí la química) es clave en este deporte.

Así que para terminar podemos concluir que la F1 no es únicamente física, energías, aceleraciones, aerodinámicas y destrezas de equipos y pilotos a 300 km/h, sino que la parte de química que esconde la F1 es muy amplia y decisiva en este deporte. No he entrado a comentar otro tipo de compuestos clave como los combustibles, de máxima eficiencia y mínima densidad o de los aceites y refrigerantes empleados para los motores a 15000 revoluciones por minuto (aunque algunas partes puedan llegar al medio millón, como el turbo). Si tenéis curiosidad en alguno de esos temas sólo tenéis que preguntarlo aquí o en Facebook y lo comentaremos entre todos.

Hasta aquí el post de esta semana de The Call of Chemistry dedicado a un deporte que mezcla de manera magnífica tecnología, ciencia y espectáculo.

Nos vemos la semana que viene!

Cuídate!

¿Qué es la superconductividad y cómo puede cambiar tu vida?

Buenas! Esta semana el tema elegido en la encuesta ha sido la superconductividad por lo que voy a comentar este tema y qué ventajas puede aportar a tu vida. Empezamos!

¿Qué es la superconductividad?

Se denomina superconductor al material que es capaz de transportar la corriente eléctrica sin ofrecer resistencia. Esto supone que no hay que gastar energía para transportar esos electrones, convirtiéndose en un gran aliado para el ahorro y la eficiencia energética. Esta corriente permite transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la corriente que puede soportar el material es limitada. Por tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a calentarse.

Empleando estos superconductores, el transporte de electricidad desde las centrales de producción (o el transformador más cercano) a tu casa sería prácticamente a coste cero (quitando el mantenimiento), tus aparatos eléctricos apenas gastarían electricidad ni se calentarían como si tuvieran un dragón dentro (excepto que necesiten tecnología de semiconductores, entonces no queda más remedio). 

Otro de los efectos de los superconductores es la propiedad de "repeler" los campos magnéticos, rechazando sus líneas de campo, (conocido como efecto Meissner). Este es uno de los efectos más visuales de los superconductores, ya que repele todo tipo de imanes. Además, si se acercan un imán y un superconductor hasta introducir este último en su campo, quedará siempre a la misma distancia debido a que el imán también crea un campo magnético al lado opuesto del superconductor, conocido como el efecto spin-lock. Esto hace que aunque se ponga boca abajo, no se caiga.

Os dejo un pequeño video donde se explica y se observan estos dos fenómenos (está en inglés pero se le pueden poner subtítulos en latino).

¿Dónde se usan estos superconductores y por qué no son de uso común?

Estos superconductores actualmente son utilizados principalmente como superimanes, debido a que son capaces de conducir mucha corriente sin resistencia. Son utilizados, por ejemplo, en equipos de resonancia magnética, en imanes para aceleradores de partículas como en el CERN o en detectores de campo magnético como en los SQUID.

Aún así, la aplicación más conocida de los superconductores son los trenes MAGLEV o de levitación magnética (sí, como en el video pero a gran tamaño). Los más conocidos son el tren bala de Japón y de China, que viaja a una media de 250 km/h, con picos de más de 400 km/h.

El proyecto a más próximo alcance relacionado con los superconductores es el Hyperloop, de Space X y del mismo dueño que Tesla, empresa que ya salió en el post de eficiencia energética. Este proyecto se basa en crear un tren MAGLEV, que flota en el aire, pero dentro de un tubo de vacío, lo que eliminará el rozamiento con el aire y le permitirá conseguir velocidades supersónicas, de hasta 1200 km/h. En los primeros proyectos, se planea unir Los Ángeles con San Francisco (a 560 km) en aproximadamente 35 min (la distancia aproximada entre Madrid y Palma de Mallorca). Veremos que depara el futuro.

¿Qué necesitan estos superconductores para funcionar?

Lo primero que necesitan es un material que en algún momento pueda ser superconductor, que no son todos. Hay metales como el mercurio que tiene etapas superconductoras a pocos Kelvin hasta óxidos mixtos de itrio, bario y cobre (YBa₂Cu₃O₉). La mayoría de los materiales superconductores, a temperaturas un poco superiores, son compuestos magnéticos (aunque no todos los compuestos magnéticos son superconductores.

Lo segundo que necesitan estos materiales es FRÍO. Actualmente, no hay ningún material superconductor a temperatura ambiente (ni cercana), por lo que es necesario enfriar estos materiales para que alcancen el estado superconductor. Hay materiales que pueden ser enfriados de forma barata con nitrógeno líquido (como la familia del YBa₂Cu₃O₉ anteriormente comentado) aunque muchos necesitan aún más frío y deben ser enfriados con helio líquido a unos pocos Kelvin (el helio líquido se forma a menos de 5 K). Esto es el principal impedimento para la tecnología de superconductores, ya que el mantenerlos sumergidos constantemente en nitrógeno líquido es un gasto energético que no compensa a la pérdida de energía por calor en los cables corrientes. Un superconductor a temperatura ambiente es la panacea de estos materiales, ya que eliminaría el principal problema al que se enfrentan en la actualidad.

Otro problema, muchas veces, es el hacerles pasar la corriente eléctrica, ya que en las uniones con materiales conductores tradicionales existen pérdidas debido al ligero calentamiento de los conductores, que calientan el material superconductor, haciendo que deje de serlo. El inducir en ellos una corriente eléctrica a partir de un campo magnético tampoco es útil, debido a que repelen los campos magnéticos. En el caso de imanes superconductores en equipos de RMN, he comentado alguna vez sobre que técnicos que "encienden los imanes" hacen salirse a los dueños para ponerlos en funcionamiento. Esto es debido a que hacer pasar corriente por un superconductor no es una tarea fácil.


Bueno, esto es todo por esta semana. Espero que os haya servido para saber un poco qué son los superconductores y cómo su investigación puede cambiar el devenir de la sociedad. Si tenéis dudas, comentarios, aclaraciones o cualquier otra cosa, por favor, déjamelo en los comentarios de aquí abajo o en la página de Facebook.

Nos vemos la semana que viene en un nuevo post!! Cuídate

¿Cómo optimizar con el mínimo número de ensayos?

Muchas veces queremos obtener las mejores condiciones para realizar nuestro experimento, las cantidades precisas, proporciones exactas o valores óptimos de cualquier cosa que se os ocurra. Muchas veces con un par de ensayo del factor más importante es suficiente y conocemos el valor deseado pero... ¿Y si tenemos muchos factores? ¿Y si la variación de la respuesta depende de la proporción de varios factores a la vez? ¿Y si los valores óptimos de varias respuestas no coinciden? ¿Y si quiero obtener una superficie de respuesta para saber dentro de que intervalos me puedo mover al realizar mis experimentos?

No te preocupes, hoy voy a intentar ayudarte con todo esto ayudándome de las matemáticas y la estadística, utilizando algunos ejemplos de mi propia tesis doctoral. Vamos...

¿Qué es la Quimiometría?

Según la IUPAC en su Gold Book, la quimiometría es la aplicación de la estadística para el análisis de datos químicos (de química orgánica, analítica o médica), el diseño de experimentos químicos y de simulaciones. Hoy me voy a centrar en el diseño de experimentos y cómo hacerlo con el mínimo número de experimentos.

La metodología más empleada es la basada en diseños factoriales aunque hay otras metodologías como el simplex que, en algunos casos, pueden obtener resultados similares con un menor número de experimentos. La desventaja del simplex frente a los diseños es que no se conoce la influencia de cada una de las variables, sus interacciones ni el número total de experimentos a realizar a priori.

El objetivo de un diseño factorial es estudiar el efecto de varios factores sobre una o varias respuestas, cuando se tiene el mismo interés sobre todos los factores. Por ejemplo, uno de los objetivos particulares más importantes que en ocasiones tiene un diseño factorial es determinar una combinación de niveles de los factores en la que el desempeño del proceso sea mejor.

Los factores pueden ser de tipo cualitativo (máquinas, tipos de material, operador, la presencia o ausencia de una operación previa, etc.), o de tipo cuantitativo (temperatura, humedad, velocidad, presión, etc.). Para estudiar la manera en que influye cada factor sobre la variable de respuesta es necesario elegir al menos dos niveles de prueba para cada uno de ellos. Con el diseño factorial completo se ensayar aleatoriamente todas las posibles combinaciones que pueden formarse con los niveles de los factores a investigar.

Los diseños factoriales se denominan de acuerdo al número de ensayos que se realizan en cada variable. Si suponemos un diseño de dos variables, una con dos y otra con tres ensayos de cada variable o niveles, tendríamos un cuadrado con dos puntos (en los extremos) en dos de los lados y los otros dos con tres, resultando un total de 2×3=6 puntos del diseño factorial. Habitualmente, se suele emplear el mismo número de experimentos en todas las variables, resultando diseños del tipo 3×3 o 2×2×2, resultando diseños tipo 3² o 2³, o n^v, donde n es el número de niveles y v el número de variables.

De igual manera, es habitual normalizar los valores de las variables aunque en la mayoría de los casos no es necesario. Para normalizar, se le otorga al punto menor el valor de -1 mientras que al mayor se le asigna 1. El resto de los puntos se asignan proporcionalmente a esta diferencia. Por ejemplo, si hay un punto central, este punto tendrá el valor de 0.

Una vez tenemos esto, en teoría podríamos preparar diseños factoriales con muchas variables y muchos puntos por variable, estamos únicamente limitados por nuestra capacidad de realizar tantos experimentos, ya que crecen exponencialmente. Muchas veces los experimentos resultantes son demasiados para realizarlos en una única jornada de trabajo o, incluso, en dos. Para evitar estos trastornos existen los diseños factoriales fraccionados, en los que únicamente se ensaya una fracción de los puntos, resultando una reducción muy importante de ensayos (en un factor de 1/2^p). Estos diseños se expresan como n^v-p, siendo p la fracción de puntos no ensayados que acabo de comentar. Por ejemplo, en un diseño 2^3-1 únicamente se ensayan (2×2×2)/2= 4 puntos de los 8 originales de los que cuenta el diseño. Además de una reducción de los experimentos muy importante también hay información que se pierde por el camino, en este caso, hay interacciones que se vuelven indistinguibles. Vamos a verlo con un ejemplo concreto de mi tesis doctoral.

Para optimizar una separación quiral de tres profenos ensayé cuatro variables (pH, porcentaje de 2-propanol (2-PrOH) y concentración de sales de la disolución reguladora de pH (Tampón) y de trietilamina (TEA), un modificador para el reconocimiento quiral) para determinar cuáles eran las más influyentes en mi respuesta, resultando 2⁴=16 fases móviles a ensayar en un día, cosa bastante complicado, por lo que decidí usar un diseño factorial fraccionado. Para evaluar los resultados utilicé 7 respuestas. La matriz de datos obtenida fue la siguiente:

Matriz de diseño factorial fraccionado

En la parte inferior de la tabla se pueden ver los extremos de cada variable del diseño. Una vez con los resultados, vamos a proceder a evaluarlos. Existen diferentes maneras de evaluarlos, por ejemplo mediante análisis de la varianza (ANOVA), pero una de las maneras más intuitivas de interpretar estos diseños es mediante diagramas de Pareto, en los que se se indica mediante barras la influencia y el signo de la interacción de cada una de las variables. Además, en los diagramas de Pareto estandarizados, se puede saber qué variables son estadísticamente significativas. Para estimar los errores estadísticos hay que hacer repeticiones en algún punto del diseño, en este caso en el centro del diseño. Veamos el diagrama de Pareto estandarizado para el factor de retención del R-ketoprofeno (R-KPF):

Diagrama de Pareto estandarizado

Se observa que, de todos los factores estudiados, únicamente el pH y el porcentaje de 2-PrOH son significativos al sobrepasar la línea vertical que muestra la variabilidad estadística. Las otras dos variables (Tampón y TEA) así como las interacciones entre las variables no son significativas. Además indica que ambas variables significativas tienen influencia negativa sobre la respuesta, es decir, que al aumentar el pH o el porcentaje de 2-PrOH disminuye k_R-KPF, es decir, se retiene menos.

Hay que destacar de igual manera que las únicas interacciones que aparecen son con el pH (A) ya que, al reducir el número de ensayos, hemos perdido esa información. En este caso, la interacción AB se confunde con la CD, la AC con la BD y la AD con la BC.

Una vez definidas las dos variables más importantes, procedí a optimizarlas mediante un diseño factorial completo de superficie de respuesta, es decir, utilicé un diseño factorial completo (sin fraccionar) en el que cada dimensión tenía más de dos puntos, pudiendo ajustarlos a una curva para modelizar los cambios. Para ello utilicé este diseño 3²:

Matriz del diseño factorial completo

En este diseño tampoco se obtuvo ninguna interacción significativa, siendo en la mayoría de los casos únicamente los factores principales como significativos (lo puedes comprobar en los diagramas de Pareto). A partir de estos datos, se realizó una superficie de respuesta para cada respuesta (valga la redundancia), obteniéndose 7 puntos óptimos...

¿Y ahora qué? ¿Cuál de todas es la óptima total? ¿Importan igual todas las respuestas? En este caso se llevó a cabo una optimización multi-respuesta, en la que algunas de las respuestas se obviaron o se ponderaron para dar lugar a un único valor, la deseabilidad. Es esta función la que haremos única para cada punto de la matriz, teniendo, finalmente, una solución por punto y representando la superficie de respuesta obtenida con su ecuación.

Función de deseabilidad

En esta función de deseabilidad, el punto máximo (o mínimo) sería el valor óptimo general aunque no sea el particular de alguna respuesta. Estas superficies de respuesta pueden ser de más de dos dimensiones, resultando las mallas de respuesta, en las que hay más de dos variables y su representación es tridimensional.

Malla de respuesta para la extracción del gel Extraplús

Todos estos resultados han sido obtenidos con el software Statgraphics Centurion XVI. Este software tiene un asistente para el diseño de experimentos que te guía a través de todos los pasos para realizar tu diseño. Lo puedes descargar y probar gratis durante 30 días aquí. Para más teoría recomiendo el libro "Análisis y diseño de experimentos" de Humberto Gutiérrez Pulido y Román de la Vara Salazar. Si no lo encontráis en la biblioteca, es posible encontrarlo en buena calidad por la red (🏝🛳, jou jou).

Hasta aquí el tema de hoy, escogido por la encuesta de Facebook. Como siempre digo, si tienes dudas, quieres comentarios más a fondo o cualquier duda puedes preguntarlo en los comentarios de abajo. También me puedes pedir la tesis completa donde está más explicado y tienes el contexto completo de estos diseños.

Nos vemos la semana que viene!
Cuídate!!

Sostenibilidad energética

Debido al alto valor que alcanzó el precio de la energía eléctrica en España la semana pasada, hoy me dispongo a comentar mi opinión sobre este tema. Empezamos!!

Energía eléctrica

Aunque la energía no se crea ni se destruye, hay maneras de desaprovechar gran parte de la energía que generamos. De hecho, una gran cantidad de energía consumida por la población es desaprovechada, mayoritariamente en forma de calor. Esta energía también se genera y se paga.

Este calor se puede observar en que los aparatos eléctricos se calientan (principalmente por efecto Joule),por ejemplo, una tele, un teléfono móvil, un ordenador una bombilla o el motor de un coche. Habitualmente este calor es disipado, es decir, el aire del entorno enfría la fuente de calor, llevándose consigo esta energía generada. Un sistema de enfriamiento no siempre hace que nuestro proceso energético sea más eficiente ya que, por ejemplo, el líquido refrigerante de un ordenador, de un coche o el gas del aire acondicionado únicamente "transportan" ese calor a otro sitio donde con ayuda de un radiador y un ventilador es disipado con aire. En definitiva, todos los aparatos eléctricos empleados hoy en día (con extremas excepciones que comentaremos) no son 100% eficientes energéticamente. Siempre hay que aportarle más energía de la que es capaz de transformar.

¿Y cómo se puede ser más eficiente?

La mayoría de los aparatos eléctricos y electrónicos no pueden ser modificados para rebajar su consumo y en muchos casos puede ser incluso perjudicial. Hay varias maneras de ser energéticamente eficiente más allá de coja transporte público, llene sus electrodomésticos, apague las luces cuando no esté, desenchufe los aparatos eléctricos con standby, etc. Estoy hablando de cambios puntuales que pueden suponer un ahorro del 90% en algunos casos en su consumo y, finalmente, en la factura de la luz (que es lo que realmente nos importa, el hecho de desaprovechar la energía hoy en día es casi innata al ser humano).

Compra artículos energéticamente eficientes: ¡Qué listo! Ya lo había pensado.

Pues resulta que hay mucho más detrás que la eficiencia energética, principalmente hay un dinero importante al cabo del año en la factura de la luz. Y no sólo me refiero al frigorífico, lavadora o lavavajillas, si no al gran olvidado en la mayoría de las casas y que más en uso está: las bombillas (y la iluminación en general).

¿Te has preguntado alguna vez por qué en las cocinas y cuartos de baño generalmente no hay bombillas,como en el resto de la casa? Y viceversa. Esto se debe a que generalmente son espacios donde se pasan tiempos relativamente grandes (cocinar, ducharse, etc.) y las bombillas tradicionales no son la mejor opción. La opción de hace 10 años era un tubo fluorescente (el fluorescente de la cocina y el baño de siempre, vamos). Este tubo tradicional es más eficiente energéticamente que las bombillas de filamento para sitios con largas estancias (por ejemplo, lugares de trabajo, hospitales...) mientras que son muy poco eficientes para lugares con un tránsito corto e irregular de gente, por ejemplo, el pasillo de tu casa.

¿Por qué esa diferencia de eficiencia? Todo proviene del mecanismo que tienen ambos dispositivos de generar luz. ¿Y las bombillas de bajo consumo? También vamos a ver los mecanismos de todas las opciones que conozco de iluminación del mercado (si sabes alguna más déjamelo abajo⇩ en los comentarios y lo añadiré como postdata):

• Las bombillas tradicionales, de filamento, emiten luz por el principio de emisión del cuerpo negro: Todo objeto caliente emite luz, el color depende de su temperatura. Para emitir luz visible tiene que estar muy caliente, cerca de los 1000ºC, por ello se ha venido usando el wolframio, con un punto de fusión superior a 3400ºC, en una ampolla de cristal a vacío o rellena de un gas inerte, para que no se queme el filamento. Tienen una característica luz amarillenta debido a que al cuerpo negro le cuesta emitir el violeta, el más energético. Debido a la falta de violeta se ve amarillento. Tienen una eficiencia energética inferior al 10%. En este grupo también entrarían las lámparas halógenas, que contienen algún haluro metálico (combinación de metales con flúor, cloro, bromo o yodo; habitualmente cloro) que permiten alcanzar mayores temperaturas y obtener luces más blancas.
• Los fluorescentes, bombillas de bajo consumo y faros de xenón de los coches funcionan como lámparas de descarga. Estas lámparas consisten en un tubo relleno de un gas a baja presión (en los fluorescentes es mercurio, por eso mejor si se rompe uno ventilar rápido, en las de xenón es xenón y en carteles publicitarios son otros gases nobles habitualmente) recubiertos en algunos casos de sales de metales. El gas del interior es ionizado por una descarga y al recombinarse emiten luz (generalmente ultravioleta). Las sales del recubrimiento, por el fenómeno de la fluorescencia, transforman esta luz ultravioleta en luz visible. El color, más blanco o más amarillento, depende del recubrimiento de sales. Su eficiencia energética es ligeramente superior al 50%.
• Las luces LED (Light-Emitting Diode) son la forma de iluminación más eficiente por el momento, llegando a una eficiencia energética del 90%. Funcionan por un proceso luminiscente al aplicar corriente a un sólido, pero no por efecto Joule como las bombillas tradicionales; de hecho, las lámparas LED apenas se calientan. También son muy usadas en pantallas planas o de teléfonos móviles, reemplazando cada vez más a las antiguas LCD (Liquid Christal Display, o pantallas de cristal líquido).

Conclusión de este primer punto: El cambiar las bombillas tradicionales por LED, aunque son más caras, tienen una eficiencia energética casi 10 veces superior, es decir, gastaremos hasta 10 veces menos en electricidad empleada en iluminar con esos dispositivos.

Movilidad eléctrica

Este tema todavía es un tabú en muchos países debido a intereses económicos, pero la idea de ahorrar dinero está ahí. El hecho de moverse en vehículos eléctricos en vez de en vehículos de combustión interna supone, además de la mejora en la calidad del aire, un ahorro para el bolsillo. Es destacable la falta de interés del vehículo eléctrico por el público en general, no siendo consciente en la mayoría de los casos de los beneficios que aporta.

Hay distintos tipos de vehículos con motores eléctricos, desde los vehículos híbridos que pueden emplear ambos motores según necesidades hasta vehículos enchufables o de pila de hidrógeno. Vamos a verlos con calma cada tipo:

• Vehículos híbridos: Tienen tanto motor eléctrico como de combustión interna. El motor eléctrico se alimenta de una batería cargada por el motor de combustión interna o por un sistema de recuperación de energía en las frenadas (similar al KERS o MGU-K de la Fórmula 1). Pueden usar ambos motores para mover las ruedas y el consumo de gasolina y electricidad varía dependiendo del tiempo de uso de cada motor. También existen modelos híbridos enchufables que se pueden cargar a la red.
• Vehículos de autonomía extendida: Son vehículos propulsados únicamente por un motor eléctrico pero tienen un pequeño motor de combustión que sirve para cargar la batería. Su consumo es mucho menor que el híbrido ya que el motor no necesita generar energía para mover el coche.
• Coches eléctricos (enchufables): Estos coches carecen de motor de combustión interna y únicamente se mueven con motores alimentados por una batería que se alimenta a través de la luz eléctrica. La marca más reconocida de este tipo de vehículos es Tesla Motors, aunque muchas otras marcas tradicionales de automoción como Nissan o BMW están comercializando modelos 100% eléctricos. Con este tipo de vehículos hay que cambiar el concepto que tenemos para conducirlo: hay que cambiar el cuando se me gaste la gasolina en 2 minutos tengo el tanque lleno y puedo seguir circulando a una mentalidad más parecida a la que tenemos con los teléfonos móviles, en cuanto no lo esté utilizando lo tengo que enchufar para que esté siempre lleno, ya que la carga del 100% de la batería en un enchufe tradicional de 220V puede llegar a tardar 24 h. La posible contaminación de este vehículo procede de la generación de la energía eléctrica, muchas veces generada con combustibles fósiles. Con respecto al consumo, os dejo un vídeo del propietario de un Tesla que explica lo que le cuesta la energía en su vehículo:

• Vehículos con pila de combustible: Son vehículos que funcionan con hidrógeno, "quemándolo" y transformándolo en agua. Este vehículo no generaría ningún tipo de residuo si se pudiese generar hidrógeno en ausencia de electricidad. Otro problema intrínseco a este tipo de vehículos es el problema del hidrógeno, ya que es extremadamente explosivo y el manejo y/o posibles accidentes viales pueden ser catastróficos.

Conclusión del segundo punto: La movilidad eléctrica es la alternativa actual a los combustibles fósiles y, debido a los altos niveles de contaminación registrados estos días, se espera que los combustibles tradicionales vayan desapareciendo gradualmente, no sólo por el hecho de la sostenibilidad energética si no por la contaminación generada, especialmente por los vehículos diésel. También este es un tema en el que las compañías petrolíferas tienen demasiados intereses como para dejar que la transición transcurra rápidamente.

Generación de energía eléctrica sostenible

La generación de energía eléctrica es el punto clave en los apartados anteriores: si la electricidad se genera de manera poco sostenible el resto de los pasos son poco sostenibles. Existen alternativas poco conocidas a las centrales de quema de combustibles fósiles o nucleares de fisión que pueden generar energía eléctrica sin apenas huella en el medio. Comento de manera breve las más importantes:

• Energía hidroeléctrica: Generada mediante la caída de agua en una presa. Presenta la desventaja de que es necesario inundar un valle, con la pérdida de biodiversidad y la necesidad de desplazar a la gente de sus pueblos para inundarlos. Además, en épocas de sequía, no se puede utilizar debido a las restricciones para mantener el agua de la población. La principal ventaja es que el exceso de energía de la red se puede aprovechar fácilmente volviendo a bombear agua a la parte superior de la presa para generar nuevamente energía.
• Energía eólica: Consiste en generar energía moviendo las aspas de un molino con el viento. El viento es más raro que deje de soplar durante muchos días, a si que en principio no hay tantas restricciones. Además la superficie que ocupa el "campo de molinos" puede ser utilizado como pasto para el ganado u otro tipo de actividades. La desventaja con la anterior es la imposibilidad de acumular el exceso de energía excepto en grandes acumuladores al pie o dentro de los propios molinos.
• Energía undimotriz: Energía generada con el movimiento de las olas (será por kilómetros de costa para instalarlo!!). Es una energía ilimitada, funciona siempre y no molesta a prácticamente ninguna actividad humana si se eligen correctamente las localizaciones. La corrosión de los materiales por el agua del mar y lo complejo del mantenimiento suponen las desventajas de este tipo de energía, usada con éxito en Portugal. Os dejo un vídeo de la FECYT que lo explica un poco mejor:

• Energía nuclear de fusión: Actualmente la panacea de la energía limpia. Emplea el mecanismo energético con el que funciona el Sol,  la fusión de átomos de deuterio (hidrógeno con dos neutrones) y tritio (hidrógeno con dos neutrones) para formar helio y sobra un neutrón con energía suficiente para provocar una reacción en cadena. El deuterio y el tritio se obtendrían del agua con la energía que produce la central y sobraría energía para otros usos. Como ventaja principal es muchísima energía sin ningún tipo de residuos, ya que el único producto es helio. El único problema es tecnológico, cómo controlar un plasma de millones de grados. Por ello se va a construir una central de prueba.
• Energía solar: Aunque hay dos tipos de energía solar, vamos a centrarnos en la energía solar fotovoltaica, la energía solar de concentración para calentar agua, ya sea en espejos cóncavos o en torre no es tan viable para espacios sin extensas praderas como una ciudad. Los paneles fotovoltaicos pueden colocarse en todos los tejados de los edificios, cobertizos, centros comerciales y todo tipo de edificios, proporcionando, en la mayoría de los casos, energía suficiente para el consumo diario del edificio. La energía sobrante durante el día puede acumularse en baterías colocadas estratégicamente en los edificios. Uno de los mejores lugares es dentro de las paredes, ya que no perturban en el hogar y pueden almacenar la energía suficiente para un día. El mejor ejemplo, es el Powerwall, nuevamente de Tesla. Además de las placas fotovoltaicas tradicionales, Tesla ha desarrollado unas placas con forma de tejas normales para casas individuales que, a simple vista, son indistinguibles de las tradicionales, garantizadas de por vida.

Conclusión del tercer punto: La dependencia de las energías no renovables tradicionales (combustibles fósiles y fisionables) es cada vez menor, existiendo nuevas alternativas no contaminantes. Hoy en día todo depende de la voluntad de las compañías eléctricas de abandonar los caminos tradicionales y pensar un poco en el Planeta.

Después de toda esta información, me gustaría saber vuestra opinión sobre todo este tema de eficiencia energética y movilidad y generación sostenible. He dejado bastantes enlaces para los que quieran más información. Nos vemos la semana que viene!!