Los rápidos cambios en la forma de vida que ha experimentado nuestra sociedad, motivados generalmente por los avances en ciencia y tecnología, han generado un falso optimismo que ha conducido a una sensación de “omnipotencia”. Hoy en día, parece que todo es posible, y esta percepción nos lleva a afirmar que cualquier viaje que el hombre pueda imaginar se acabará realizando. Así ha sido históricamente. Sin embargo, debemos aceptar que existen lugares inalcanzables para los humanos, asociados a sus limitaciones como especie y que están relacionadas con su tamaño, estructura química y tiempo de vida. La humanidad ha podido transportarse a sitios inaccesibles a través de la razón, mediante simulaciones (más o menos realistas) que utilizan los conocimientos científicos de los que se dispone.
Muchos de estos viajes han estado relacionados con el Universo, ese vasto espacio vacío, donde es casi imposible encontrar las condiciones físicas de presión y temperatura adecuadas para asegurar la vida de un ser humano. Pero hay otro viaje que solo puede realizarse con el conocimiento y la razón, y es el que nos conduce hacia el interior de la materia. Nunca el hombre podrá reducir su tamaño, como sucede en algún libro de ciencia ficción, hasta convertirse en un ser microscópico que conviva con bacterias o microbios. En este artículo, vamos a proponer un viaje imaginario, a través de diferentes imágenes, que nos transporte a lugares ocultos regidos por unas leyes que son muy distintas a las nuestras. Así es el mundo de los átomos, los ladrillos que, junto con el vacío que los envuelve, construyen la realidad en la que vivimos.
Qué hay más allá de lo que alcanzan a ver nuestros ojos, o cuáles son los elementos últimos de los que estamos hechos, son algunas de las preguntas atávicas de la humanidad. Creo que comprender la materia, y dónde reside ésta (el vacío), ha sido una de las aventuras más apasionantes del conocimiento humano, ya que un pensador o científico después de otro, han ido refutando o aceptando las especulaciones precedentes a partir de experimentos y demostraciones. La construcción de la idea actual de átomo y vacío ha ido perfilándose colectivamente durante más de veinte siglos, cerrando vías muertas y abriendo otras capaces de generar tecnología a partir de esos conceptos. Sin embargo, lo más apasionante, es que esta aventura del conocimiento, todavía no ha terminado.
La pregunta de si puede existir la nada (el vacío) no es trivial y solo se ha podido responder en relación con su antítesis: la materia. Por eso, ambos conceptos han evolucionado de la mano. La respuesta a la pregunta ¿qué hay dónde no hay materia? tampoco es sencilla, y supone un reto intelectual que entusiasmó tanto a filósofos como a científicos y artistas desde los primeros tiempos del pensamiento.
Aristóteles fue uno de los primeros pensadores en presentar un modelo para explicar de qué estamos hechos. Su teoría, basada en cinco elementos, concluía que el vacío no podía existir ya que para él la materia estaba soportada en una estructura invisible, sin la cual la realidad se derrumbaría. Si quedase un espacio microscópico vacío, enseguida se rellenaría de un elemento invisible, que llamó “éter”. Para Aristóteles y sus seguidores, esta sustancia, como un fluido, inunda la naturaleza, penetrándola como hace el agua en un barco hundido.
Así, llegó a una conclusión que ha perdurado hasta nuestros días con su término en latín: “horror vacui”, expresión con la que se refería al hecho de que la naturaleza intenta llenar todo el espacio disponible. Paralelamente a él, hubo en el mundo griego otros pensadores que pasaron inadvertidos en ese momento, como Demócrito y Leucipo (siglo V a. C.), quienes postularon que toda la materia estaba formada por innumerables corpúsculos o átomos imperceptibles, idénticos, indivisibles e indestructibles, que difieren entre sí en cuanto a sus dimensiones, forma y posición, y que se encuentran en movimiento en un vacío infinito. La visión aristotélica se impuso a la de Demócrito ya que el concepto de “horror al vacío” se comprendía fácilmente y conseguía explicar procesos tan importantes como la succión.
La existencia del vacío como lugar carente de materia no quedó establecida hasta el siglo XVII, curiosamente mucho antes de que lo hicieran los conceptos de átomo y molécula, que se asentaron a principios del siglo XX. Fue gracias a la tecnología del vacío que se pudieron diseñar tanto los instrumentos como los experimentos fundamentales (como el tubo de rayos catódicos con el que se descubrió el electrón) que condujeron a la comprensión de la estructura de la materia. Gracias a estos instrumentos, se fueron desterrando del pensamiento los cinco elementos aristotélicos y fueron sustituidos por el modelo atómico de Demócrito. Es sorprendente que una entelequia como el concepto de “la nada”, o incluso del átomo, haya podido transformar de manera tan sustancial nuestra sociedad. Gracias a la ciencia y tecnología de vacío se consiguen alimentos que se conservan mejor, se desarrollan nuevos fármacos o se fabrican la mayor parte de los dispositivos electrónicos de nuestros ordenadores. Fue dentro de unas ampollas en las que se había hecho el vacío donde se encendieron las primeras bombillas. Y luego, basándose en la descripción cuántica del mundo atómico, llegó la microelectrónica y, más recientemente, la nanotecnología.
Durante la primera mitad del siglo XX, se estableció el modelo atómico actual dentro del marco de lo que se llamó la mecánica cuántica. Entonces quedó claro que el átomo que había sugerido Demócrito era en realidad mucho más complejo y se regía por unas leyes que escapaban a nuestra lógica. Solo cabía aceptarlas. Parece imposible que un corpúsculo pueda “estar o no estar” o ser “onda y corpúsculo” a la vez, y que solo podamos describirlo a través de una probabilidad estadística. La teoría cuántica parecía una entelequia matemática y, sin embargo, era capaz de explicar la mayor parte de los experimentos científicos. Posteriormente, a mediados del siglo XX, surgió la tecnología derivada de esta ciencia tan fundamental y nació la microelectrónica. ¿Podemos acaso imaginarnos hoy la sociedad sin electrónica?
Hoy en día, se ha dado un paso más allá llegándose a manipular átomos y moléculas en lo que se ha llamado nanociencia y nanotecnología: una disciplina capaz de manejar objetos en la escala del nanómetro (de 0,1 a 100 nanómetros, desde un átomo hasta un virus), uniéndolos, como si se tratasen de ladrillos, para construir nuevos materiales. Esta disciplina busca explotar las nuevas propiedades (físicas, químicas, biológicas, mecánicas, eléctricas…) que emergen como consecuencia de esa escala de tamaños tan reducida. Si en ese viaje imaginario del que hablábamos al principio del artículo redujésemos nuestro tamaño al del mundo nanométrico, no comprenderíamos nada de lo que allí sucede ya que las propiedades de estos objetos no son predecibles utilizando nuestra lógica. Nuestra intuición está basada en la experiencia que adquirimos los seres humanos por vivir en un mundo en el que las distancias y objetos relevantes están entre 0,01 y 10 metros.
Para desarrollar la nanotecnología fue necesario el descubrimiento de nuevos microscopios, como el llamado microscopio de efecto túnel (conocido por sus siglas en inglés: STM), que nos permite visualizar los átomos de muchos materiales sin alterarlos. Es curioso que se pueda construir un microscopio basado en un concepto aparentemente tan abstracto como el efecto túnel, un proceso puramente cuántico, fundamentado en la naturaleza ondulatoria de la materia. La genialidad de los inventores de esta técnica, G. Binning y H. Rohrer, para aplicar la física cuántica y conseguir ver los átomos de algunos materiales, fue reconocida con el premio nobel de física de 1986. Ellos hicieron posible con este microscopio, y otros que surgieron posteriormente, “ver” los átomos, el sueño de muchos físicos. Desde hace unos años, una evolución conocida como nc-AFM, ha conseguido realizar el sueño de muchos químicos: ver con detalle los anillos de carbono que había dibujado Kelulé a finales del siglo XIX, (según él mismo dijo, después de una ensoñación sobre una serpiente que se mordía la cola).
Izquierda: fotografía obtenida con un microscopio de efecto túnel (STM). Cada uno de los puntos pequeños es un átomo de carbono de una lámina de grafeno. Derecha: fotografía de un polímero obtenida con un microscopio de fuerzas atómicas (nc-AFM). Imágenes gentileza de los grupos nanosurf y ESISNA
Tanto los tamaños más grandes, las distancias cósmicas, como los más pequeños, las medidas atómicas, son inconcebibles para nuestras mentes entrenadas para comprender nuestra escala de tamaños. Estos dos conceptos extremos se tocan en un punto: Tanto las galaxias como los átomos existen en un espacio vacío de materia. Comenzábamos este artículo mirando al espacio. La Tierra no es más que un pequeño planeta del sistema solar que se pasea por la galaxia a través del vacío. Por otra parte, si ahora miramos a nuestro interior, nos encontramos con nuestros átomos, que en realidad no son más que una amplísima extensión vacía entre los electrones y el núcleo. Se dice que, si el átomo fuese del tamaño de un campo de fútbol, el núcleo atómico sería como un garbanzo colocado en la mitad, y los electrones como cabezas de alfiler. Podemos imaginarnos a nosotros mismos, en la escala atómica, como una interminable sucesión de electrones y núcleos, “alfileres y garbanzos”, separados por distancias como las de un estadio y levitando en el vacío. Sin embargo, a su vez, es maravilloso pensar que la combinación de esa secuencia de “garbanzos flotantes” da lugar a toda la diversidad que encontramos en la naturaleza. Siempre se ha dicho que la vida del hombre transcurre entre dos “nadas” (la de su nacimiento y la de su muerte), pero también es posible reinterpretar esta expresión aceptando que estamos confinados en la Tierra entre el vacío del cosmos y el vacío cuántico de nuestros átomos. El vacío debería ser algo cotidiano para el ser humano, ya que es la foto más precisa del universo y de nuestra existencia y, sin embargo, nos aterra.
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