Crean laboratorio de ingeniería de materia fuera de equilibrio

Pinturas, polímeros, vidrio, geles, helados, chocolates y otros productos de uso cotidiano son materia fuera de equilibrio

Con el objetivo de generar y validar herramientas de simulación teórica y computacional que permitan entender, controlar y mejorar los procesos de transformación de la materia en sistemas termodinámicos fuera de equilibrio, se crea el Laboratorio Nacional de Ingeniería de la Materia Fuera de Equilibrio (Lanimfe), en camino a convertirse en un laboratorio de renombre internacional.

Para entender qué es la materia fuera de equilibrio, se puede pensar en una solución de azúcar que podemos calentar lentamente para evaporarla. Si la observáramos microscópicamente, veríamos que las moléculas de azúcar tenderán a arreglarse en cristales, y estaríamos observando el estado “natural” de equilibrio termodinámico o de “menor energía” del azúcar.

En otras palabras, observaríamos el estado de materia en que al azúcar le gusta estar.

Pero existen procesos que pueden ocasionar que esas moléculas ya no se puedan arreglar en su estado de equilibrio, situación que ocurriría si enfriáramos el azúcar o si lo evaporáramos demasiado rápido, porque a las moléculas no les daríamos el tiempo necesario para arreglarse, quedando desordenadas en un “estado de arresto”, como lo llaman los físicos. Y nosotros tendríamos un estado de “caramelo” o un estado fuera de equilibrio.

Y si el lector o lectora ha deducido que los helados y los dulces son materia en estado fuera de equilibrio, ha estado en lo correcto. Esto es importante porque, dependiendo del proceso que uno realice con la materia, en el caso del azúcar nos encontraríamos con que podemos tener estados de equilibrio (azúcar en azucarera) o fuera de equilibrio (dulces y helados), caracterizándose por ser molecularmente muy diferentes entre sí.

“El chocolate que consumimos está en un estado fuera de equilibro. Si nos acercamos a las moléculas, las veríamos desordenadas. Como si hubiéramos tenido un líquido y lo hubiéramos congelado. Y ese sería el estado que yo deseo porque es el estado en que el chocolate sabe rico. Pero si el chocolate se empezara a cristalizar, como cuando está muy viejo y de color blanco, no tendría buen sabor pero estaría en su estado de equilibrio”, comenta el doctor Bernardo Yáñez Soto, del Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP).

Casos similares son el de las pinturas, los polímeros, el vidrio, geles, espumas, condimentos, fluidos biológicos o pegamentos, en donde ciertos estados de la materia son requeridos para realizar trabajos específicos, y a causa de la facilidad tecnológica con que contamos hoy día, calcular el punto de equilibrio de las cosas es algo que se puede hacer sin problemas, comenta el investigador del Laboratorio Nacional de Ingeniería de la Materia Fuera de Equilibrio.

Origen y futuro de una odisea fuera de equilibrio

“Lo que ya no es tan fácil es calcular las condiciones bajo las cuales la materia se arresta para quedar en estado fuera de equilibrio. Tener métodos matemáticos para calcular eso era imposible, hasta ahora. Recientemente, investigadores liderados por el doctor Magdaleno Medina, de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, crearon una teoría matemática que puede modelar estos estados fuera de equilibrio. Y es una teoría única en el mundo”, continúa el investigador nivel I del Sistema Nacional de Investigadores (SNI).

El profesor se refiere a la famosa teoría autoconsciente de la ecuación generalizada de Langevin para sistemas fuera de equilibrio (NE-SCGLE, por sus siglas en inglés), la cual ha permitido modelar matemáticamente el comportamiento de dichos materiales como los sólidos amorfos, entre otros.

Es así como el Laboratorio Nacional de Ingeniería de la Materia Fuera de Equilibrio surge ante la necesidad de dar impulso a las repercusiones innovadoras de dicha teoría. Se buscó entonces la construcción de la infraestructura necesaria y la capacitación de los recursos humanos indispensables para hacer investigación sobre la materia fuera de equilibrio, posibilitando brindar servicios a institutos y sectores industriales o gubernamentales a través de la vinculación científica interinstitucional.

El laboratorio también colabora con los distintos programas académicos de la Facultad de Ciencias de la UASLP, como las licenciaturas en física y biofísica, junto con los posgrados en ciencias físicas e interdisciplinarias. Incluso cuenta con un programa de extensión académica y participación para la divulgación científica en la Semana Nacional de Ciencia y Tecnología, fomentando la inclusión y aceptación de estudiantes y pasantes o egresados para incorporarse como investigadores, tesistas o hasta prestadores de servicio social dentro de sus ejes de investigación.

Las tres grandes iniciativas bajo las cuales se investiga en este novedoso laboratorio son igual de fascinantes que la historia de origen. Primero está la línea de ingeniería del estado final, en donde se investiga el diseño de procesos que estructuren el estado fuera de equilibrio deseado para trabajos, usos o sectores específicos. Esto se hace por medio de dos proyectos: uno que desarrolla software de modelación predictiva, y otro que modela los procesos de “envejecimiento” de dicha materia, estudiando su comportamiento a través del tiempo.

La segunda gran iniciativa es el estudio de los problemas fundamentales de la materia fuera de equilibrio, en donde se busca continuar el estudio de las propiedades termodinámicas de la materia en este estado, el transporte de la llamada “materia activa” que es aquella que se mueve por sí sola (como las bacterias), así como la investigación de las “ecuaciones de transporte”, que incorporan la noción de “tiempo” dentro de los modelos matemáticos que describen los procesos de transición a estados fuera de equilibrio.

La última iniciativa se trata de la ingeniería de la materia biológica, materia que también se encuentra fuera de equilibrio.

“De hecho, estamos vivos porque estamos en un estado fuera de equilibrio y continuamente estamos teniendo reacciones dentro de nuestro cuerpo, transporte, consumo de energía, etcétera. Y todo esto lo estudiamos a través de la ingeniería de la materia biológica”.

El desarrollo de software de modelación matemática de los estados fuera de equilibrio es uno de los fuertes de este Laboratorio Nacional.

Mediante la investigación en subproyectos como la conservación de la materia biológica (que estudia el arresto o vitrificación de la materia biológica para evitar el daño de vacunas, tejidos para trasplante o carne para consumo) o la vitrificación de alimentos (conservación bajo distintas condiciones que conserven propiedades) y en tratamientos para la superficie ocular, se pretende innovar tecnológicamente para el futuro, como en el caso de la aplicación para el cuidado de la vista contra las patologías oculares.

“El ojo en ocasiones siente elementos extraños aunque no estén, y eso ocasiona que nuestros ojos estén permanentemente irritados. La terapia tradicional indica la aplicación de gotas que sirven medianamente. Entonces parte de mi investigación pretende averiguar cómo hacer para que las gotas en los ojos se retengan mejor, y evitar la evaporación rápida de tales tratamientos, o la incitación a una mejor interacción entre el fluido ocular y la superficie celular del ojo”, concluye Bernardo Yáñez Soto.

Colaboración

La sede del Lanimfe se encuentra en el Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, en donde colaboran el doctor Yáñez Soto junto con los doctores Magdaleno Medina Noyola y Pedro Ramírez González, todos miembros del SNI del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt). Sin embargo, el laboratorio nacional cuenta con otras cuatro instituciones asociadas: el Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (Cidesi, Querétaro), la Universidad de Guanajuato, la Universidad de Sonora y la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

Asimismo, los servicios que ya han consolidado dentro de su visión por ser un centro de investigación reconocido por su estudio, consisten en la caracterización térmica de materiales vitrificados y gelados mediante escáneres diferenciales para determinar temperaturas de transición. De la misma manera, es posible adquirir el servicio de modelado de sistemas fuera de equilibrio para aplicaciones, por ejemplo, en procesos de solidificación amorfa de materiales formadores de geles y vidrios, además de un nuevo servicio aún en consolidación que permita a los usuarios la caracterización mecánica de los materiales.

Para conocer más sobre convocatorias y eventos, o si eres licenciado, estudiante de posgrado o buscas dónde realizar servicio social en esta novedosa área del conocimiento, puedes visitar el sitio web del Laboratorio Nacional de Ingeniería de la Materia Fuera de Equilibrio, donde también podrás conocer a mayor profundidad los servicios ofrecidos, así como las convocatorias de investigación y actividades desempeñadas por este centro de trabajo que, sin duda, dará todavía mucho de qué hablar.

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Fuente: Conacyt