Carboni (de totes formes)

El grafit del llapis amb el que dibuixem, el grafè (aquest material que diuen que revolucionarà el món) i el diamant dur i brillant estan formats, exclusivament, per àtoms del mateix element: el carboni (altre cop). En aquests tres materials els àtoms de carboni s'uneixen per mitjà d'enllaços covalents (compartint els electrons) però formant estructures geomètriques tan diferents que, per la seva aparença, costa imaginar que estiguin fets de la mateixa "peça" bàsica. Aquestes estructures en les que un mateix àtom pot formar enllaços que resulten en diversos materials s'anomenen al·lòtrops. 

En el cas del grafit, els àtoms s'uneixen formant hexàgons en els quals cada àtom de carboni ocupa la posició d'un dels vèrtexs formant làmines en un entramat en forma de xarxa. Aquestes làmines s'uneixen entre sí mitjançant enllaços molt més dèbils deguts a interaccions electrostàtiques. Seria com una mena de "pasta de full" de carboni. Aquesta estructura atòmica és la que observem a gran escala en un mineral de grafit pur i és la responsable de l'ús que en fem per dibuixar, com a component dels carbonets de dibuix i de la mina dels llapis. Quan fem lliscar el grafit sobre el paper el que fem en realitat és trencar els enllaços dèbils entre les làmines, fent que es depositin sobre el paper.

Estructura del grafit

En el cas de grafè, l'estructura és només laminar, sense unions entre les diferents làmines. Això es deu a la distribució dels enllaços de manera que un electró de cada àtom queda deslocalitzat i es disposa en un gran orbital que abarca tota la làmina de grafè. Les propietats d'aquest material es deuen, en gran part, a aquest enllaç deslocalitzat. És un material que permet introduir-hi impureses per canviar el seu comportament original i fer que, per exemple, repeli l'aigua. El grafè és extremadament dur, flexible, elàstic, amb una alta conductivitat elèctrica i tèrmica i molt lleuger. Tan lleuger que està format per fulles amb un gruix d'un àtom que pot suportar molts quilograms sense trencar-se. Un mil·límetre de grafit està format per tres milions de capes de grafè una sobre l'altra.

El grafè es coneix des dels anys 30 i, a finals del segle XIX, ja es parlava de formar filaments de carboni per descomposició tèrmica d'hidrocarburs gasosos. L'any 2004 Andre Geim i Konstantin Novoselov, de la Universitat de Manchester, van aïllar les primeres mostres de grafè a partir de grafit per un procés d'exfoliació mecànica. Gràcies a aquest descobriment, van rebre el Premi Nobel de Física de l'any 2010. Els transistors de grafè poden ser molt més ràpids que els de silici (els més utilitzats actualment) fet que possibilita la faricació d'ordinadors i smartphones més eficaços. Al ser transparent i bon conductor també té aplicacions en les pantalles d'aquests dipositius i en panells solars. 

Grafè

En el diamant, els àtoms de carboni s'uneixen entre si formant una estructura cristalina. En aquest cas, cada àtom de carboni està unit a uns altres quatre àtoms de carboni situats a la mateixa distància formant els quatre vèrtexs d'un tetraedre. Aquesta disposició tridimensional es manté en tots els àtoms de carboni formant l'estructura cristalina. Aquesta estructura és la que dóna al diamant la duresa, la brillantor i la transparència que el caracteritzen. A diferència dels altres al·lòtrops, aquí tots els enllaços són covalents, no hi ha unions dèbils.

Diamants

De totes les formes naturals del carboni, la més estable termodinàmicament és el grafit. Com que la tendència sempre és a convertir-se en una forma de màxima estabilitat, l'evolució de diamant cap a grafit és un procés espontani. Tot i això, a temperatura i pressió ambient, és una transformació extremadament lenta ja que implica uns enllaços que estan molt fortament enllaçats i amb molt poca mobilitat, cosa que fa que puguin passar milers d'anys sense canvis apreciables. Aquest cop la cinètica química salva els joiers de les amenaces de la termodinàmica. A la nostra escala temporal encara podem afirmar allò de "un diamant és per sempre". Ara bé, si tinc a mà un llapis quan torni a sentir aquesta frase, me'l miraré amb uns altres ulls...

És brutal pensar que un diamant podria acabar convertit en un llapis (si encara es fessin servir) d'aquí uns milers d'anys. I que una làmina del grafit d'aquest llapis podria acabar formant part d'un telèfon intel·ligent. De totes formes, segur que, en el futur, la màgia del carboni encara ens aportarà més sorpreses...

Solucions

Afirmar que l'alcohol és una solució es pot considerar rotundament cert des del punt de vista químic. Més enllà de la química, però, l'alcohol, més que una solució, acostuma a ser una important font de problemes... Al marge d'aquest joc de paraules, el que sí que és cert és que l'estudi de les dissolucions, i el que anomenem propietats col·ligatives, ha donat lloc a algunes solucions...

Les propietats col·ligatives són les propietats que depenen únicament de la concentració del solut dissolt i no de la naturalesa del solut. Aquestes propietats són: disminució de la pressió de vapor, descens crioscòpic, augment ebulliscòpic i pressió osmòtica.

De totes aquestes propietats, la que té unes aplicacions més visibles per a nosaltres és el descens crioscòpic, que consisteix en el descens del punt de fusió que experimenta una dissolució respecte al punt de fusió del dissolvent pur. Aquesta propietat és la responsable que l'aigua del mar, a causa de les sals que té dissoltes, tingui un punt de congelació d'uns -2ºC. Si es congelés a 0ºC, grans extensions d'oceà es congelarien i això tindria unes grans implicacions en el clima de la Terra. Aquest mateix argument és el que explica que es llenci sal sobre les carreteres gelades. La dissolució de la sal en l'aigua, al disminuir el punt de fusió, contribueix a solucionar el desglaç de l'asfalt. El descens crioscòpic també justifica l'ús anticongelants com l'etilenglicol en el circuit tancat dels radiadors dels cotxes. Aquesta substància és molt soluble en aigua i evita que l'aigua es congeli a 0ºC i trenqui el radiador. 

Les diferències de concentració de les dissolucions també tenen aplicacions alimentàries, en aquest cas relacionades amb la pressió osmòtica. La majoria d'éssers vius tenen teixits vius semipermeables. Les parets cel·lulars, per exemple, deixen passar l'aigua i els ions però impedeixen el pas a les proteïnes sintetitzades a l'interior de la cèl·lula. Això permet que la cèl·lula es mantingui turgent perquè això fa que hi penetri més aigua per igualar les concentracions de l'interior i l'exterior. En les conserves salades (salaons) s'evita la descomposició dels aliments per acció dels bacteris perquè la gran concentració de sal a l'exterior provoca un flux d'aigua que els deshidrata. Aquest mètode, encara molt utilitzat, ha estat una molt bona solució (sobretot quan encara no existien les neveres) per allargar la vida dels aliments.

I és que en la vida, com en la química...tot té (dis)solució!!

Submarinisme a tot gas

La pressió (P= F / S) es defineix com la força que actua sobre una unitat de superfície. És a dir, com més gran sigui la superfície sobre la qual s’apliqui una força menor serà la pressió exercida, i viceversa. Aquest és el principi que explica perquè fem servir raquetes per caminar per la neu.

La pressió atmosfèrica és la pressió que exerceix l’aire sobre la superfície terrestre; a nivell del mar, aquesta pressió és d’aproximadament d'un quilogram per cada centímetre quadrat. Aquest valor s’ha establert com una unitat i s’anomena atmosfera (atm). Així doncs, la pressió atmosfèrica a nivell del mar seria d’1 atm (1 atm = 101.325 Pa = 1,01325 bar). Aquesta pressió varia segons les condicions climàtiques i disminueix amb l’altitud. 

Sota l’aigua s’ha de considerar la pressió que exerceix la columna d’aigua, l’anomenada pressió hidrostàtica. Cada 10 metres de fondària la pressió hidrostàtica augmenta una atmosfera. 

Un submarinista, quan fa una immersió, està sotmès a la suma de la pressió hidrostàtica i l’atmosfèrica. Per exemple, a 20 metres de profunditat, un submarinista està sotmès a 3 atmosferes de pressió (una corresponent a la pressió atmosfèrica i dues a la hidrostàtica).

Respirar sota l'aigua és més complicat. Per evitar problemes, convé respirar aire a la mateixa pressió que la de l'ambient. El regulador que fan servir els submarinistes equilibra les elevades pressions de la bombona d'oxigen amb la del medi en què es troba. Si es respira a més pressió, augmenta el consum perquè la quantitat d'aire de cada inspiració serà més gran.

La pressió, del volum i de la temperatura determinen el comportament dels gasos. A mesura que augmenta la fondària s’incrementa la pressió i això afectarà els gasos presents als pulmons, a les cavitats cranials i els dissolts a la sang, entre d’altres.

Tal com ens diu la llei de Boyle- Mariotte, a temperatura constant, el volum de gas és inversament proporcional a la pressió a la que es troba aquest. És a dir que a mesura que augmenta la pressió el volum disminueix proporcionalment. En els 10 primers metres de fondària aquests canvis de pressió són més notables. 

En la pràctica del submarinisme, algunes cavitats del cos humà com la oïda, els sinus nassals, les vies respiratòries, l’estómac i l’intestí contenen aire i es poden veure afectades pels canvis de pressió. La flexibilitat del teixit del sistema respiratori i del digestiu faciliten l’adaptació d’aquests òrgans als canvis de pressió. D’altres com les oïdes i els sinus nassals són cavitats rígides i no poden adaptar-se a aquests canvis de pressió, i poden causar dolors i lesions serioses. Hi ha algunes pràctiques com la maniobra de Valsalva (realitzar una expiració forçada tancant el nas i la boca) que ajuden a compensar aquestes diferències i a igualar la pressió interna de l’oïda amb la de l’aigua. Altres efectes relacionats amb la compressibilitat dels gasos poden afectar el volum de l’aire de dins la màscara i produir un efecte de ventosa, sobre els ulls del submarinista, si no s’hi injecta aire a mesura que augmenta la fondària. El control de la flotabilitat també es veurà afectat, el submarinista anirà perdent flotabilitat a mesura que se submergeixi com a conseqüència de la disminució del volum de l’aire que conté l’armilla.

Segons el principi d'Arquímedes, qualsevol cos submergit en un fluid experimenta una força vertical i cap amunt, anomenada empenyiment (E), igual al pes de fluid que desallotja. Equipat amb un vestit de neoprè, la flotabilitat del submarinista es converteix en positiva, ja que el pes continua sent aproximadament el mateix però el volum és superior, de tal manera que la força d’empenyiment és més gran i és més difícil submergir-se. Per contrarestar aquesta força cal augmentar el pes del submarinista, per aquest motiu s’usa un cinturó de ploms. El bon control de la flotabilitat i aconseguir que sigui neutre és necessari per tal d’evitar problemes de sobreesforç i, per tant, de sobreconsum d’aire.

Com podeu comprovar, als que ens agrada parlar de les demostracions pràctiques de les lleis físiques, no se'ns pot fer callar ni sota l'aigua...

Font: Aquarium BCN

Bacteris i neurones

Els bacteris i les neurones tenen el comú que són cèl·lules (procariotes en el primer cas, eucariotes en el segon). També que uns i altres participen, d'alguna manera, en el procés de digestió. A partir d'aquí potser podríem establir altres similituds relacionades amb el seu funcionament i trobar-ne alguns components comuns. Més enllà d'això, trobem altres nexes en comú, alguns d'ells sorprenents. I és que la comunicació entre bacteris podria ser, evolutivament, l'origen de la comunicació neuronal. I, al mateix temps, bacteris i neurones es comuniquen en el nostre cos molt més del que ens imaginem...

El sistema nerviós és l'amo i senyor del nostre cos. Els nostres pensaments, la informació que ens arriba de l'entorn i del nostre propi cos i com hi responem, depenen de la comunicació elèctrica entre les neurones. Cada mil·lèsima de segon, grans quantitats d’ions entren i surten de les nostres neurones donant lloc a petites corrents elèctriques, la propagació de les quals permet que elements del nostre cos es comuniquin d’una manera molt eficient. Recentment s'ha descobert el que podria ser l'origen d'aquesta forma de comunicació cel·lular. 

Ja fa anys que es coneix que els bacteris tenen canals iònics que permeten el pas d'ions en un i altre sentit però fins fa molt poc la seva utilitat era del tot desconeguda. Una investigació publicada a Nature liderada per Jordi G. Ojalvo, investigador al Departament de Ciències Experimentals i de la Salut de la Universitat Pompeu Fabra, conjuntament amb Gürol M. Süel, de la Universitat de California San Diego, conclou que l'utilitat d'aquests canals podria ser comunicar-se quan està en risc la supervivència degut a la manca d'aliments. Aquest mecanisme és molt útil en els biofilms (una comunitat estructurada de microorganismes envoltats d'una matriu polimèrica autodesenvolupada i adherida a una superfície vivent o inerta). Aquestes comunitats ajuden als bacteris a sobreviure millor, i poden arribar a constituir un problema clínic i mediambiental per als éssers humans, degut a la seva extrema resistència a antibiòtics i altres agents desinfectants. Segons les conclusions dels investigadors, quan, en aquestes colònies cel·lulars, els organismes de la part central detecten que hi ha manca de nutrients, envien una senyal elèctrica d’estrès que es va amplificant cap als organismes de la perifèria perquè deixin passar més aliment (i per tant les cèl·lules exteriors en consumiran menys). 

La principal molècula implicada en aquesta interacció és el glutamat i l’ió associat és el potassi. Curiosament, el glutamat i el potassi juguen també un paper molt important en diverses formes de comunciació neuronal. És molt probable doncs que el fenomen descobert ara en bacteris pugui ser el precursor del sistema que utilitzen les cèl·lules del cervell humà.

Biofilm bacterià

Més enllà d'aquest lligam evolutiu, s'ha demostrat que els bacteris que viuen en el nostre cos tenen una important influència en el funcionament del sistema nerviós. Des del punt de vista biològic, podem considerar cada ésser humà com un ecosistema sencer on hi conviuen bilions de bacteris de milers d'espècies diferents. Tot i que encara no en tenim xifres concluents exactes, hi ha estudis que arriben a considerar que tenim, en nombre, 10 vegades més bacteris que cèl·lules humanes i que podríem arribar a tenir un quilogram de bacteris en el nostre cos. Els bacteris que habiten el nostre sistema digestiu, que anomenem flora bacteriana o microbiota, interaccionen amb el sistema endocrí, l'immunitari i el nerviós, incidint en el nostre estat físic i mental.

Naixem axènics, és a dir, dins l’úter de la mare, no tenim bacteris ni cap altre microorganisme colonitzant el nostre organisme. Durant la gestació, la microbiota de la mare comença a canviar per afavorir el procés. Tot el que la mare menja determinarà la microbiota del recent nascut i, tot seguit, estarà condicionada pel tipus de part, pel tipus de lactància, l’estrès, l’exposició a medicaments com els antibiòtics, infeccions... És especialment rellevant la influència del part, ja que un part vaginal condiciona que el nounat tingui una colonització inicial a la boca, al nas i a l’intestí de bacteris que trobem típicament a la vagina de la mare tan bon punt neix. Mentre que un part per cesària condiciona que el nen tingui un colonització inicial de bacteris que trobem típicament a la pell de la mare o bacteris del material de l’hospital, però no dels bacteris vaginals.

L'efecte de la microbiota en la nostra salut encara va més enllà. I és que, com s'ha demostrat abastament, es produeix una evident comunicació entre els habitants dels nostres intestins i el sistema nerviós. 

La flora intestinal allibera metabòlits que poden arribar al cervell afectant moltes funcions. S'ha descobert que els processos que desencadenen algunes malalties degeneratives (com l'Alzheimer, el Parkinson o l'esclerosi lateral amiotròfica) podrien estar dirigits per proteïnes produïdes per la nostra microbiota. En aquesta línia, diverses investigacions apunten als probiòtics (microorganismes saludables per l'organisme) per prevenir aquestes malalties o per realitzar tractaments relacionats amb dany cerebral. Més enllà d'això, el neurocientífic John Cryan, de la Universitat de Cork, demostra en moltes de les seves investigacions la influència de la flora intestinal en el desenvolupament del cervell i l'impacte dels nostres bodells en l'estat d'ànim. 

Avui dia encara sento dir, erròniament, que l'home ve del mico (en realitat provenen d'un ancestre comú). Sobta pensar que seria més correcte dir que el mecanisme que propicia els nostres pensaments podria tenir el seu origen en la comunicació entre bacteris. 

He escrit aquest article tot menjant-me un iogurt de llet d'ovella (una excel·lent font de probiòtics). Està clar que aquest mos ha près una especial rellevància després d'aquestes línies...i, de moment deu ser efecte placebo, però com més cullerades faig, de més bon humor em poso!

Olor de mar i regulació del clima

La característica olor de mar, tan apreciada pels que hem crescut arrambats a la costa, és deguda principalment al dimetil de sufur (DMS) la fórmula química del qual és C₂H₆S. Aquest compost és un dels dos productes que es produeixen de la degradació del dimetilsulfopropionat (DMSP) per acció de les DMSP-liases que contenen les diatomees, els bacteris i el fitoplàncton marí. El dimetilsulfopropionat (DMSP) té una funció clau en aquests organismes ja que els protegeix enfront les baixes temperatures i l'elevada força iònica de manera que evita que es degradin les proteïnes i permet que s'estabilitzi la membrana plasmàtica.

                                               Font: http://dimetilsulfuro.es/

La importància del DMS, però, aniria més enllà de l'agradable olor que desprèn l'infinit blau. Aquest compost és una de les poques substàncies del mar que s'emeten a l'aire, on actuaria com a nucli de condensació, és a dir, seria una de les partícules que permetria que s'hi "enganxessin" molècules d'aigua i facilitaria per tant la formació dels núvols. 

Segons la hipòtesi Claw, aquesta substància tindria un important efecte en la regulació del clima. L'oxidació del DSM per efecte dels raigs ultraviolats dóna lloc a aerosols de sulfat que també actuen com a nuclis de condensació i faciliten així la formació de núvols. Els núvols influeixen sobre el clima, la temperatura i la reflexió de la llum solar, que, al mateix temps, afecten la producció del DMS. L'increment en el creixement d'algues a l'oceà seria una conseqüència d'aquest cicle i podria tenir un efecte important com a controlador de l'esclafament global. S'ha arribat a dir que, si el DMS disminuís de manera important, això podria comportar un augment de 3 o 4 graus en la temperatura de l'atmosfera. Aquesta hipòtesi ha generat un intens debat entre científics.

Hipòtesi Claw

Si aquesta hipòtesi fos certa, seria un clar exemple del que es va a donar a conèixer com la hipòtesi de Gaia (anunciada per James Lovelock i Lynn Margulis fa més de 40 anys) que defensa que els processos físico-químics i els processos biològics del planeta Terra estan íntimament relacionats i donen lloc a un sistema autoregulat.

A partir d'ara, quan passegeu per un passeig marítim, recordeu que potser esteu ensumant una molècula clau en el famós canvi climàtic.