Slashdot publica una entrada sobre una primera xarxa quàntica universal, citant un article ExtremeTech anomenat també The first universal quantum network. De fet es tracta d’un comentari a un article de Nature: An elementary quantum network of single atoms in optical cavities. Segons Slashdot,

German scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics have created the first ‘universal quantum network’ that could be feasibly scaled up to become a quantum internet. So far their quantum network only spans two labs spaced 21 meters apart, but the scientists stress that longer distances and multiple nodes are possible. The network’s construction is ingenious: Each node is represented by a single rubidium atom, trapped inside a reflective optical cavity. These atoms communicate with each other by emitting a single photon over an optical fiber. Each atom is a quantum bit — a qubit — and the polarization of the photon emitted carries the quantum state of the qubit. The receiving qubit absorbs the photon and takes on the quantum state of the transmitter. Voila: A network of qubits that can send, receive, and store quantum information. In another, probably more exciting test, the emitted photons were actually used to entangle the rubidium.

L’equip investigador, l’Institut d’Òptica Quàntica Max Planck prop de Munich, ha aconseguit enviar un fotó entre dos àtoms de Rubidi separats per uns 60 metres de cable, encapsulats en una cavitat òptica. El que és interessant és que aquest fotó correspon a un qubit, és a dir, porta una informació que no és ni zero ni un, sinó tots dos a l’hora (amb un percentatge de cadascun). A més, han aconseguit que receptor i emissor passin a estar entrellaçats, obrint la porta a l’ordinador fantàstic, ja que quan dues partícules estan entrellaçades, actuar sobre una fa que l’altra quedi instantàniament afectada (no pas a la velocitat de la llum, sinó instantàniament). En el fons, es tractaria d’un “Cloud Quantum Computer” – un ordinador quàntic en xarxa. En altres paraules, xarxa quàntica universal, o senzillament la Internet Quàntica.

Sembla que hi ha molts d’obstacles perquè aquesta xarxa quàntica sigui eficient. De fet, de 1000 fotos enviats per l’emissor només algun és realment capturat pel receptor. Els principals problemes són d’enginyeria, més que no pas de ciència, ja que la teoria està força ben definida.

L’article de Nature és complicat però em sembla entendre-hi que és possible transmetre el qubit que es vulgui codificant-lo en el fotó. Cal recordar, però, que els fotons van, per definició a una velocitat màxima que és la velocitat de la llum.

He vist a slashdot un servei de números aleatoris obtinguts a partir d’un fenomen quàntic:

What the world needs is more truly random sources of numbers. Researchers from Australian National University have found a brilliant way to make one: ‘We do this by splitting a beam of light into two beams and then measuring the power in each beam. Because light is quantised, the light intensity in each beam fluctuates about the mean. Those fluctuations, due ultimately to the quantum vacuum, can be converted into a source of random numbers. Every number is randomly generated in real time and cannot be predicted beforehand.’ So if you need some really random numbers, just use their generator service.”

Els comentaris a l’entrada de Slashdot són divertits, i en particular aquesta cita: “La generació de números aleatoris és massa important per deixar-la a la sort“

The generation of random numbers is too important to be left to chance.
- Robert R. Coveyou, Oak Ridge National Laboratory

Seriosament, ja hi ha generadors de números quàntics comercials, que es fan servir sobretot per a criptografia quàntica. No sé si aquest servei és real o fictici, però té gràcia. Segons el web de l’Australian National University que proporciona aquest novedós servei,

This website offers true random numbers to anyone on the internet. The random numbers are generated in real-time in our lab by measuring the quantum fluctuations of the vacuum. The vacuum is described very differently in the quantum mechanical context than in the classical context. Traditionally, a vacuum is considered as a space that is empty of matter or photons. Quantum mechanically, however, that same space resembles a sea of virtual particles appearing and disappearing all the time. This results in the fact that the vacuum does not possess a zero-point energy, and consequently the electo-magnetic field describing this vacuum possesses random fluctuations in phase and amplitude at all frequencies. By carefully measuring these fluctuations, we are able to generate ultra-high bandwidth random numbers.

This website allows everybody to download our quantum random numbers, assess in real time the quality of the numbers generated and learn more about the physics behind it.

La visualització dels nombres aleatoris quàntics és força bonica. Per exemple, l’anomenada “Matrix”, que és dinàmica.

He vist a El País un reportatge titulat Un estudio refuta que las palomas tengan sensores magnéticos para orientarse que fa referència a l’article de Nature Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons. Fa temps que tinc ganes d’aprofondir una mica en aquest tema, ja que a vegades fins i tot parlen d’efectes mecanoquàntics lligats a molècules biradicalàries, i tinc una mica la impressio que (i mai millor dit…) es fan volar coloms amb el misteri de l’orientació d’aquestes aus.

Segons El País,

Los autores de este trabajo reconocen que no pueden excluir la posibilidad de que un pequeño número de magnetoreceptores residan en una localización desconocida del pico de las palomas. Pero ellos no han encontrado prueba alguna que apoye la existencia de un sistema sensor magnético subepidérmico formado por dentritas (terminales de las neuronas) en los lugares donde se suponía que estaban. Tal vez, sugieren, si las aves tienen esas enigmáticas células sensoriales de campo magnético, pueden residir en el epitelio olfatorio, “una estructura”, recuerdan, “que se ha relacionado en la magnetorecepción en las truchas arcoiris”.

I llegint l’abstract de Nature hi veig que

Our conclusion that these cells are macrophages and not magnetosensitive neurons is supported by immunohistological studies showing co-localization with the antigen-presenting molecule major histocompatibility complex class II. Our work necessitates a renewed search for the true magnetite-dependent magnetoreceptor in birds.

És a dir, que no nega res, sinó que cal seguir investigant.

Quan tingui temps m’hi miraré més, sobretot en l’apartat de navegació per la interacció del camp magnètic terrestres amb els camps magnètics instantanis de molècules radicalàries.

Avui he fet la xerrada Els quasicristalls. De jocs de mans a Premi Nobel a l’Aula d’Extensió Universitària de la Gent Gran, a la Casa de Cultura de Girona. Aquesta és la tercera vegada que hi participo, i la veritat és que com els altres dos cops, ha estat una experiència molt agradable per la receptivitat de les persones assistents i per l’acollida dels organitzadors.

Ha estat un bon exercici durant els dies de tranquil.litat de Setmana Santa d’entendre una mica què són els quasicristalls, què són els Mosaics de Penrose aperiòdics, l’art islàmic, la raó àuria, la història del Premi Nobel de Química 2011, i el més difícil: entendre la connexió entre els jocs de mans basats en el Principi de Gilbreath i els mosaics de Penrose aperiòdics basats en rombs. Això serà motiu d’una altra entrada al blog, ja que per explicar l’article de De Bruijn A Riffle Shuffle Card Trick and its relation to quasicrystal theory cal una mica d’espai i tranquil.litat.

Per il.lustrar la connexió entre quasicristalls i matemàgia he fet un parell de jocs de mans. Al principi, el de separació de parells de cartes vermelles-negres (Primer Principi de Gilbreath), on he tret 4 persones a l’escenari (a la foto). Al final he fet per primer cop el joc de famílies de 4 pals, amb cartes Jumbo espanyoles. Tots dos han sortit bé. L’anècdota ha estat que, en tots dos casos, i malgrat demanar explícitament un dels participants al joc que em diguéssin un número entre 10 i 20, m’han dit “9″ al primer joc, i “8″ al segon. Els nervis fan estralls!

La presentació que he fet servir està penjada a Slideshare:

En aquesta conferència he fet per primer la connexió del meu nou mòbil i de l’Ipad directes al connector VGA del projector de la sala. En particular, amb l’IPad he fet servir l’aplicació Penultimate per guixar al cim d’un diagrama de Penrose en blanc, per mostrar els camis de les tessel.les i veure com es compleix el teorme de De Bruijn i la seva connexió amb els jocs de mans basats en el Principi de Gilbreath.

He aprofitat que els diagrames de Penrose comporten pentàgons per parlar de la raó àuria, i per mostrar com a les cases de l’onyar de Girona s’hi troben fàcilment exemples de rectangles auris. També he mostrat una foto, feta just abans de la xerrada, d’un edifici de Girona ple de pentàgons irregulars que tessel.len part d’una façana.

La foto que il.lustra el principi d’aquest post l’ha feta i piulada en @jordipoater a http://twitter.com/jordipoater/status/189740524243132416.

Foto amb els organitzadors:

Per a aquesta xerrada he anat reunint força documentació. Aquí la relaciono:

• The quasicrystal that fell to Earth / Quasicristalls a meteorits http://arstechnica.com/science/news/2012/01/the-quasicrystal-that-fell-to-earth.ars
• Penrose Tiles Talk Across Miles – http://www.ams.org/samplings/feature-column/fcarc-penrose
• A Wolfram Alpha: http://www.wolframalpha.com/input/?i=penrose+tiling
• Make: Penrose Tile Floors http://blog.makezine.com/2011/01/21/penrose-tile-floors/
• El universo matemático de los cuasicristales: el vídeo http://es.globedia.com/universo-matematico-cuasicristales-video (xerrada)
• Phi Matrix, per mirar la natura mab rectangles auris: http://www.phimatrix.com/
• Conferencia Amazing: El universo matemático de los cuasicristales http://eliatron.blogspot.com.es/2011/10/conferencia-amazing-el-universo.html
• Mathematical Recreations: Easter Is a Quasicrystal; March 2001; Scientific American Magazine; by Ian Stewart; The divine mathematics of a holiday
• Quasimodal; August 1995; Scientific American Magazine; by Madhusree
• Wikipedia penrose tiling: http://en.wikipedia.org/wiki/Penrose_tiling
• La teselación de Penrose en el Storey Hall http://ztfnews.wordpress.com/2011/04/21/storey-hall/
• Arte islámico y cuasicristales http://www.experientiadocet.com/2011/10/arte-islamico-y-cuasicristales.html
• Quasicrystal generator: http://condellpark.com/kd/quasig.htm
• Cut Penrose Tiles Quickly http://www.cutoutfoldup.com/202-cut-penrose-tiles-quickly.php
• Bob – Penrose Tiling Generator and Explorer http://stephencollins.net/penrose/
• A Riffle Shuffle Card Trick and its relation to quasicrystal theory (N.G. De Bruijn)
• Algebraic theory of Penrose’s non-periodic tilings of the plane (NG De Bruijn) Mathematics proceedings a.84 http://www.stephencollins.net/Penrose/pdfs/Penrose.pdf
• Gamezpuzzles (comercial) The Pentagon Universe http://www.gamepuzzles.com/pentuniv.htm
• 3DPenrose – Quasicrystal generator – http://3dpenrose.blogspot.com.es/ Per Miguel Paños – Programa via web interessant, deflació.
• Quasi.c http://www.physics.emory.edu/~weeks/software/quasic.html cal compilar, linux
• Quasicrystals and Geometry, Marjorie Senechal, isbn 9780521575416. força planes a Google Books

El blog Chemistry World (RSC) informava fa pocs dies que s’ha trobat una nova fase de l’hidrogen on els enllaços H-H són molt febles, i on hi surt una estructura de cel.les hexagonals que recorda la del grafè: es generen anells de sis àtoms. Això és un nou pas envers l’hidrogen metàl.lic, que podria ser superconductor a temperatura ambient, i per tant proporcionar un mitjà de transmissió d’energia amb poca pèrdua. La font original és Mixed Molecular and Atomic Phase of Dense Hydrogen, Phys. Rev. Lett. 108, 125501 (2012), RT Howie et al.

La cerca de l’hidrogen metàl.lic és llarga, i es fa pressions altíssimes: gigapascals, en aquest cas s’ha arribat a 315 GPa. Tenint en compte que la pressió atmosfèrica és d’uns 100 KPa, la pressió que ha calgut per generar aquesta nova fase d’hidrogen ha estat unamica superior a 3 milions la pressió normal atmosfèrica.

The quest for metallic hydrogen has been on since the late 19th century, when chemists pointed out that the element, which tops the periodic table’s column of alkali metals, ought to form a metal. In 1935, physicists Eugene Wigner and Hillard Bell Huntington predicted that hydrogen should become a metallic solid at high pressures – roughly 25GPa – but experiments later performed at these pressures showed no trace of a metal transition. More recent experiments have employed higher pressures still. Indeed, last year Mikhail Eremets and Ivan Troyan of the Max-Planck Institute for Chemistry in Mainz, Germany, claimed evidence for metallic hydrogen at pressures up to 260GPa. But other scientists believed that evidence was unreliable.

Segons Chemistry World, es tracta d’un quart tipus de fase de l’hidrogen a grans pressions. A la primera (fase I), les molècules d’H2 roten lliurement; a la segoan (fase II), hi ha una mica d’ordre orientacional (les molècules d’hidrogen diatòmic ha no giren ben lliurement); a la tercera (fase III), la que ara s’ha creat (fase III), els enllaços H-H ja són tan febles que l’hidrogen es pot considerar parcialment àtòmic, més que no pas molecular. Ara s’ha descobert doncs la Fase IV. La segúent figura és de Chemistry Views

Així i tot, la diferència d’energia entre la banda de valència i la de conducció (band gap) és d’1.8 eV, massa gran com perquè es pugui considerar un metall bon conductor, segons la teoria de bandes. El que de fet dóna valor a aquest estudi és que proporciona avenços interessants per treballar a grans pressions, fent servir cel.les especials fetes amb diamant.

Aquesta entrada de Chemistry World esmenta un altre post on ja es parlava de la creació d’hidrogen metàl.lic: Chemists claim metallic hydrogen creation first, però sembla que els seus autors han rebut crítiques fortes. Deu faltar una mica encara per arribar a la meta. Però l’estructura que mostra l’estudi presentat ara és interessant per la visió molecular d’hidrogen en forma d’anell hexagonal.

He vist al blog Phys.Org que ha proposat una solució a la manca d’educació científica dels joves estudiants americans (l’equivalent a la nostra primària i secundària). A US students need new way of learning science, s’hi proposa entendre i aprendre vuit conceptes científics, en lloc de separar l’aprenentatge per les disciplines clàssiques. A més, es proposa fer servir la investigació com a mètode.

Els conceptes científics bàsics serien:

atoms, cells, radiation, systems change, forces, energy, conservation of mass and energy, and variation

o sigui àtoms, cè.lules, radiació, sistemes en canvi, forces, energia, conservació de la massa i de l’energia, i variació. I és que la Natura -el món físic- té unes lleis transversals

The natural world seems to operate through these laws and concepts, but when it comes to schooling we don’t teach children these laws and then show how these apply in different situations

 

The aim is for students to see, for example, the physics within biology and the chemistry within physics, so they can gain an understanding of science that transcends disciplinary lines.

Per això em dedico a la química física… la interfase entre la química i la física – però sempre sabent i recordant que la química és la física de les molècules.

Cal entendre i preguntar-se el per què de les coses que passen.

The emphasis is about helping students learn key concepts in science, rather than just facts

El problema és que si es fa la pregunta, en general se n’espera una resposta, i a vegades és ben complexa! Perquè sense una bona base de matemàtiques, el llenguatge de la ciència, es fa difícil respondre per què i per què no, i plantejar-se l’”i si…?”. És clar que per a axiò hi ha les carreres científiques.

Foto: phys.org, http://phys.org/news/2012-04-physics-group-graphene-electron-microscopy.html

Avui hem passat el dia a Barcelona (els gironins ens costa baixar a la capital! – hi havia tants de turistes…) Â i hem aprofitat per anar veure un parell d’exposicions. La primera, la que commemora els 100 anys de l’enfonsament del Titanic, anomenada “Titanic. The exhibition”, al Museu Marítim de Barcelona. Interessant més aviat des d’un punt de vista sociològic, amb algunes pinzellades tècniques.

L’altra exposició que hem visitat ha estat “Imaginary/BCN“, del Museu d’Història de Barcelona, a la Capella de Santa Àgata, a la Plaça del Rei. La veritat és que és molt interessant perquè proporciona uns bons exemples de la bellesa de les matemàtiques, de la transposició 2D i 3D d’equacions, de pinzellades locals com la raó àurea al Monestir de Pedralbes o al propi Saló del Tinell. I una bona sorpresa anunciada: el Rellotge dels Flamencs de la Catedral, del Segle XVI, restaurat, grandiós (a la foto se m’hi veu… la roda dentada inferior és tan alta com jo!)

Aquesta exposició (itinerant, per cert – versió en anglès a http://www.imaginary-exhibition.com ) és a la vegada taller interactiu. Des de realitat virtual fins a programes de visualització matemàtica, passant per les diverses formes de tessel.lar una superfície (malauradament no hi he sapigut veure la Tessel.lació de Penrose – quasicristalls).

Val la pena invertir alguns minuts en aquesta exposició, tan deliciosa com solen ser-ne les de matemàtiques. Amb imaginació, innovació, amb informació nova (també hi surten coses de la construcció del metro de Barcelona)

Per a més informació detallada, a part dels webs corresponents, és interessant fer un cop d’ull a la nota de premsa , que fa esment de l’aportació del Museu barcéloní a aquesta exposició itinerant.

A la foto de dalt: un dels jocs que més m’ha agradat ha estat el parell de conjunts de miralls (caleidoscopis). Per exemple, només amb la petita peça central (les línies negres la delaten), en surt la forma del futbal.lè, ful.lerè (o messiè, per als fans del Barça ).

A la següent foto: el futbal.lè tetradimensional. Haurem de pensar en una molècula de C60 4D!

A les foto de baix: la visualització de l’equació d’una llimona.

He vist a Imaging the charge distribution within a single moleculede Nature Nanotechnology (gràcies a Slashdot, IBM researchers image electrical charge distribution in a single molecule) que s’ha fet un pas més en la determinació experimental de la densitat electrònica d’una molècula individual, gràcies a una combinació de tècniques de microscòpia aplicades a naftalocianina adsorbida sobre una superfície de Coure.

La tècnica que hi ha al darrere és complexa i la precisió que cal tenir molt alta, a més d’haver d’aplicar diferents voltatges (dels voltants de mig eV, corresponents a les energies dels “orbitals” moleculars). És interessant, però, com per “comprovar” les dades experiementals, o fins i tot per comprovar la seva versomilitud, es fan servir càlculs DFT de química computacional.

En la introducció s’hi diu que

We use a combination of scanning tunnelling microscopy, atomic force microscopy and Kelvin probe force microscopy to examine naphthalocyanine molecules (which have been used as molecular switches¹³) on a thin insulating layer of NaCl on Cu(111). We show that Kelvin probe force microscopy can map the local contact potential difference of this system with submolecular resolution, and we use density functional theory calculations to verify that these maps reflect the intramolecular distribution of charge. This approach could help to provide fundamental insights into single-molecule switching and bond formation, processes that are usually accompanied by the redistribution of charge within or between molecule

Una de les tècniques usades és fer servir una punta amb una molècula de CO que interactua amb la superfície i amb la nftalocianina. Per un altre cantó, s’hi mesurent intensitats de camp elèctric detectat (pel corrent que generen amb la punta del microscopi). Malgrat que és un tema físic, com que molts dels articles de la meva vida investigadora han tractat els camps elèctrics, si hi destino una mica de temps de qualitat (difícil, per altra part), potser ho entendré una mica millor.  La diferent densitat electrònica en una molècula fa que la puntxa del microscopi senti la molècula de forma diferent segons la zona on s’apropi. El que és meravellós és que la punxa sigui tan petita que pugui recórrer la molècula… i que la trasllació de la punxa pugui ser tan precisa!

Conclou l’article, que és un avenç però encara deu tenir camp per recórrer fins a trobar distribucions de càrrega de forma eficient:

Our findings open up the possibility of directly imaging the charge distribution within single-molecule charge-transfer complexes, which hold promise for future applications such as solar photoconversion or energy storage. Furthermore, in combination with atomic manipulation techniques, it will now be possible to investigate, at the single-molecule level, how charge is redistributed when individual chemical bonds are formed between atoms and molecules on surfaces.

Aquí sí que hi ha un interès aplicata: els complexos de transferència de càrrega, que permeten incursions en energia solas i en emmagatzamament d’energia. Un tema interessant que al nostre equip ens ocupa!

He vist al post  Googling Molecules: Scientists Revamp The Search Engine, Unlock The Secrets Of Water un abstract tot divertit, que no sabia si era de química o d’informàtica:

In a new twist on the search engine, scientists have reprogrammed it to look at chemistry: Each molecule is a website, each bond is a hyperlink, and PageRank can quickly sort through which ones are the most important. Research just got a lot faster.

Doncs realment és una manera d’analitzar la disposició de molècules d’aigua.

The chemists have applied the same mathematical formulas that helps web searchers locate the most-cited pages to analyze the way molecules are organized. They say the research, once applied, could help clean up toxic dumps, speed drug experiments, and analyze proteins and crystals.

I de fet,

The software helps analyze hydrogen bonds in water, treating the interactions between molecules as if they were hyperlinks between pages. The PageRank software is useful because it can cope with huge amounts of data. Like the billions of pages on the web, the millions of molecules in a droplet of water are constantly shifting as they relate with one another.

Perquè és una nova forma de química computacional…

“Traditionally computer science and chemistry are pretty separate disciplines and it’s very hard to cross fertilize. But I had a very talented student who had gotten a master’s degree in computer science, and so when she switched from computer science to chemistry, she brought all that familiarity with computer science into the chemical realm,

En l’article de la universitat WSU (Chemist applies Google software to molecules) s’hi diu

Google’s PageRank software, developed by its founders at Stanford University, uses an algorithm—a set of mathematical formulas—to measure and prioritize the relevance of various Web pages to a user’s search. Clark and her colleagues realized that the interactions between molecules are a lot like links between Web pages. Some links between some molecules will be stronger and more likely than others.

“So the same algorithm that is used to understand how Web pages are connected can be used to understand how molecules interact,” says Clark.

The PageRank algorithm is particularly efficient because it can look at a massive amount of the Web at once. Similarly, it can quickly characterize the interactions of millions of molecules and help researchers predict how various chemicals will react with one another.

Ultimately, researchers can use the software to design drugs, investigate the roles of misfolded proteins in disease and analyze radioactive pollutants, Clark says.

“Computational chemistry is becoming the third leg in the stool of chemistry,” the other two being experimental and analytical chemistry, says Clark. “You can call it the ultimate green chemistry. We don’t produce any waste. No one gets exposed to anything harmful.”

Des d’un punt de vista químic, el post de la WSU parla de química analítica, química computacional i química experimental! – La Química computacional, segons la gent de la WSU, és la tercerca pota de la química.

Em sembla interessant tractar les interaccions entre molècules d’aigua fent servir l’algorisme del Pagerank. M’ho hauré de mirar una mica més. Em pregunta si també podríem tractar les interaccions líquides amb followers/fans com a twitter i facebook. Per què no?

L’article ha estat publicat al Journal of Computational Chemistry (imatge de  http://www.theatlantic.com/technology/archive/2012/02/a-chemist-uses-googles-algorithm-to-determine-the-structure-of-molecules/253151/)

Ja podré afegir més coses a la xerrada que durant l’Any Internacional de la Química feia sobre el carboni, tot parlant des dels futbal.lens fins al grafè. Sembla que el telescopi Spitzer ha trobat agregats de molècules de ful.lerè a l’espai, concretament als voltants d’un parell d’estrelles anomenades (en anglès) “XX Ophiuchi,” a 6,500 anys-llum de la terra. Segons l’article, podrien emplenar 10.000 muntanyes com l’Everest.. Segons PhysOrg.com, a Spitzer find solid buckyballs in space,

Buckyballs were detected definitively in space for the first time by Spitzer in 2010. Spitzer later identified the molecules in a host of different cosmic environments. It even found them in staggering quantities, the equivalent in mass to 15 Earth moons, in a nearby galaxy called the Small Magellanic Cloud.

In all of those cases, the molecules were in the form of gas. The recent discovery of buckyballs particles means that large quantities of these molecules must be present in some stellar environments in order to link up and form solid particles. The research team was able to identify the solid form of buckyballs in the Spitzer data because they emit light in a unique way that differs from the gaseous form.

“This exciting result suggests that buckyballs are even more widespread in space than the earlier Spitzer results showed,” said Mike Werner, project scientist for Spitzer at NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif. “They may be an important form of carbon, an essential building block for life, throughout the cosmos.”

Però aquesta troballa del microscopi Spitzer, que treballa en l’infraroig (vibracions moleculars), ens recorda la presència de les molècules de futbal.lè a la Terra:

Buckyballs have been found on Earth in various forms. They form as a gas from burning candles and exist as solids in certain types of rock, such as the mineral shungite found in Russia, and fulgurite, a glassy rock from Colorado that forms when lightning strikes the ground. In a test tube, the solids take on the form of dark, brown “goo.”

Quan surti l’article me’l miraré millor. Sempre és bo veure els avenços en ful.lerens. Aquí ja tenim un piló de pilotes de futbol moleculars. Com si fos un “Hat-Trick”!

Com cada any, l’Associació de Mags Il.lusionistes de Girona i Comarques, Evualà, organitza dos cursos d’introducció a la màgia, un per a nens i un altre per a adults. En el marc d’aquest segon, que es desenvolupa al llarg de sis sessions, el dijous al vespre, avui hi he impartit un taller-classe de matemàgia, que és el camp de l’il.lusionisme en què em sento més còmode i on desenvolupem des de fa temps adaptacions de jocs.

De fet, amb el darrer Any Internacional de la Química hem adaptat jocs clàssics de caire matemàtic a la taula periòdica, i també hem creat variacions de jocs de màgia química, que els companys Pep Duran i Pep Anton Vieta s’encarregar de realitzar.

Gràcies a aquestes classes vaig actualitzant la meva col.lecció de jocs matemàgics, que com a bon mag 2.0 (i de fet, com a bon mag aficionat) comparteixo amb l’altra gent interessada en aquesta afició.

És agradable ensenyar a un públic diferent coses diferents de la química física. A més, de tot se n’aprèn.

A la foto, en Xavier Parals, un gran mag aficionat, fa una sessió pràctica d’un dels jocs que hem explicat. Amb en Xavier vam fer tots dos el curs d’introducció a la màgia a Evualà, a Salt, ara ja fa uns anys. Tenim, doncs, la mateixa edat màgica.

Aquest any s’ha posat de moda el Calendari dels Maies, que té un particularitat molt interessant: no és en base 10 sinó en base 20. A més, el seu any només tenia 360 dies (18 períodes de 20 dies), a diferència del nostre, que té 12 períodes d’un número variables de dies (entre 28 i 31). El punt de referència “zero” també és diferent, naturalment.

El calendari Maia s’ha posat de moda, a més, perquè en notació vigesimal hi haurà aviat un canvi del primer dígit: es passarà de l’any 12.19.19 a l’any 13.0.0, és a dir, una espècie de canvi de segle convencional, però on un “segle maia” dura gairebé 400 anys. Sembla que la correspondència entre el calendari gregorià (el convencional) i el maia fa que el canvi sigui el 20-21/12/2012, encara que no m’acaba de lligar perfectament amb el que hi diu en Georges Iffrah al seu llibre “Histoire des Chiffres”.

En informàtica es sol representar la base 16 amb 16 “dígits”: els aràbics 0-9 i les lletres A-F. Per fer la base 20, crec que hi podem afegir com a simple generalització els “dígits” (bé… són dígits també… 10 dits de les mans i 10 dits dels peus, oi?) G, I, J i K per representar les quantitats 16, 17, 18 i 19 en base 10.

Així doncs

• bon any nou 2012 ! (base 10, calendari gregorià)
• bon any CJJ ! (base 20, calendari maia, 12.19.19 en notació més entenidora)

I és que l’estudi del calendari ens ensenya una mica de matemàtiques, de ciència i d’història.

Actualització 1/1/12: Veig a l’article corresponent de la wikipedia (vigesimal) que la lletra “I” pot portar a confusió amb el dígit aràbic “1″. A vegades, doncs, les lletres que es fan servir són A-H, J, K. En aquest cas, doncs, Feliç Any CKK !

Imatge: de l’entrada corresponent de la Wikipedia (Llicència Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0)

Avui a la tarda, igual que vam fer fa un any, hem contribuït a fer un acte de remembrança de la figura de Martin Gardner, en ocasió del seu aniversari de naixement. A proposat dels organitzadors del Gathering for Gardner, que es fa cada dos anys a Atlanta, en molts de llocs del món es fa avui una trobada per treballar qualsevol aspectes de l’obra de Gardner.

En el nostre cas, i donat que és l’Any Internacional de la Química, hem volgut centrar-nos en els aspectes més químics de Gardner, tot mostrant les adaptacions que hem fet de jocs de mans clàssics, sobretot a la taula periòdica dels elements.

Davant d’un grup d’estudiants de Química ben col.laboratius, amb en Pep Anton Vieta i també en Pep Duran i la Laia Guillaumes, sota el flux d’un powerpoint que en Pep Anton ha preparat, hem tocat diversos aspectes, en particular els quasicristalls, protagonistes del Premi Nobel de Química 2011, que Martin Gardner va tractar per exemple al seu recull Penrose Tiling (en Roger Penrose va treballar els mosaics no periòdics).

En Pep Anton ha mostrat figures còncaves que semblen rotar i fixar la mirada, a més de tractar els aspectes habituals de les molècules com el ful.lerè, i de fer alguns jocs de mans matemàgics. La Laia Guillaumes pel seu cantó ha mostrat als assistents un parell de jocs de mans basats en conceptes matemàgics, fent una de les seves primeres incursions públiques en aquest camp.

A la imatge de dalt, en Pep Anton fent una explicació. A sota, dos estudiants, en Pep i la Laia participen activament al jocs del Follet Trapella, conduït per en Pep Anton Vieta. Per cert, haurem d’adaptar aquest joc i fer-lo del Follet Trapella Químic.

Per la meva part, en aquesta trobada informal que era mig espectacle participatiu, mig xerrada divulgativa, hi he fet el jocs de parells EPS (cartes vermelles-negres) i el joc de spelling amb cartes de símbols atòmics. Precisament l’Any de la Química ens ha portat a fer servir aquest tipus de cartes, que hem comprat per internet, i que ens ha permès adaptar jocs clàssics basats en números a jocs basats en símbols químics, tot aprofitant la configuració de la Taula Periòdica dels Elements.

Ahir parlava del Hacking en Química, a partir del concepte de hacking i de les ganes de fer les coses diferents a partir de materials senzills i per a totes les branques del coneixement (científic). Avui em centro en un altre web molt interessant: el de la revista Make: (en paper) (fa quatre setmanes estàvem a la Fira Maker Faire de New York) i els seus continuats articles “Do It Yourself”, especialment en robótica, electrònica i informàtica, però també en química: estan recollits a la categoria química dels seus arxius.

De fet, hi ha un reportatge de química casolana a la pròpìa Fira Maker Faire de New York City: Backyard Chemistry at Maker Faire Bay Area o un “how-to” fer un ciment acrílic. Em fa gràcia especialment l’entrada Rubberized Origami que mostra escultures que resulten de preservar origami fet en paper, mitjançant tècniques relacionades amb la indústria del cautúc.

Faré una repassada ampla a aquest blog (+revista), i miraré també la seva connexió amb d’altres camps desenvoupats a Make:, en especial la informàtica i la robòtica, és a dir, el control i els sensors. Tot és química?

Una de les coses interessants en la ciència 2.0 és la del “hacking”, entès com a bona pràctica de fer servir coses senzilles per dur a terme tota mena d’experiments. En el cmap de la química, per exemple, hi ha el “Chemistry Hacking” – alguns dels darrers posts són

• Brewing up some quantum dots
• CheapStat: an open-source potentiostat
• Engine Hacks – A DIY Methane Generator (do-it-yourself)
• High Voltage Hacks: Transmute the elements in your garage
• The DIY Nuclear Reactor

Molts d’aquests experiments són per passar l’estona, però també serveixen per aprendre a fer servir eines del laboratori, per utilitzar les eines de simulació computacional, i per entendre els conceptes bàsics de la química i de la ciència.

En simulació, per exemple, hi ha Spinning DNA animation using sprites. I en fotònica hi ha Laser light show comes to life from the junk bin.

Fins ara, els experiments divertits i espectaculars eren als llibres de les lleixes. Ara també els tenim a Internet, amb una gran capacitat d’innovació, divertits i espectaculars. és ciència, i també és comunicació de la ciència.

La foto és de l’entrada Brewing up some quantum dots.

Tot mirant d’estar al dia sobre la influència de camps elèctrics en l’estructura i reactivitat molecular, he vist una nota de premsa de Georgia Tech de títol Physicists turn liquid into solid using an electric field, corresponent a un article que serà publicat al Journal of Physical Chemistry C. Senzillament, sense modificar ni pressió ni temperatura, només l’aplicació d’un camp elèctric intens fa que petites gotes de líquid adptin una estructura cristal.lina que les caracteritza com a sòlid.

We show that with a strong electric field, you can induce a phase transition without altering the thermodynamic parameters

Curiosament, es tracta d’un efecte descrit fa gairebé 50 anys, sobre l’efecte dels llamps sobre les gotes d’aigua: passen de ser esfèriques a tenir forma d’agulla:

explore a phenomenon described by Sir Geoffrey Ingram Taylor in 1964 in the course of his study of the effect of lightning on raindrops, expressed as changes in the shape of liquid drops when passing through an electric field. While liquid drops under field-free conditions are spherical, they alter their shape in response to an applied electric field to become needle-like liquid drops.

En aquest estudi, s’han fet servir nanogotes de formamida de 10 nm de diàmetre (la formamida és el doble de polar que l’aigua). S’ha vist que quan el camp aplicat és de 0.5 V/nm (un camp molt gran, equivalent a una diferència de potencial de 500 kV en dues plaques separades per un sol mil.límetre!) es forma una gota en forma d’agulla.

Un cop la força del camp aplicat és de 1,5 V/nm, hi ha un canvi de fase, i deixa d’haver-hi fenòmens de difusió, característics de l’estat líquid, per haver-hi una estructura semblant a la cristal.lina, encara que diferent de l’estructura de la formamida tal com es mostra per Raigs X:

When the field strength in the simulations was ramped up even further, reaching a value close to 1.5V/nm, the liquid needle underwent a solidification phase transition, exhibited by freezing of the diffusional motion, and culminating in the formation of a formamide single crystal characterized by a structure that differs from that of the x-ray crystallographic one determined years ago under zero-field conditions

Un cop s’anul.la el camp elèctric, la gota reverteix a l’estat líquid, amb una mica d’histèresis (la transició de sòlid a líquid no té lloc al mateix punt que la de líquid a sòlid).

És interessant que l’equip de Georgia Tech ha dut a terme simulacions per caracteritzar aquests canvis, i que ha pogut entendre prou bé el mecanisme que els regula:

Along with the large-scale atomistic computer simulations, researchers formulated and evaluated an analytical free-energy model, which describes the balance between the polarization, interfacial tension and dielectric saturation contributions. This model was shown to yield results in agreement with the computer simulation experiments, thus providing a theoretical framework for understanding the response of dielectric droplets to applied fields.

En definitiva, les molècules que tenen moment dipolar alt poden ser orientades per un camp elèctiric extern. Si estan en fase gasosa, la forma con roten i vibren canvia. Si estan en fase líquida, es reorienten i, si la força del camp és prou gran, passen a ordenar-se de forma similar a un sòlid. Un avenç més en ciència de materials, és a dir, en química (química física).

Aquest avenç ha estat comentat també pel blog physorg.com amb la imatge que acompanya aquest post.

Com a punt interessant, després de llegir els comentaris de physorg.com, cal veure com s’ha fet per aplicar aquest camp des d’un punt de vista pràctic.

He vist al blog de Stanford que comenten un seu article publicat a la revista Science: Plasmonics intensifies a novel nanoscale light source, Stanford engineers find. Aquest article toca un dels aspectes que al nostre grup de recerca hem estudiant en els darrers anys: l’òptica no linial. De fet, el que hem treballat és en el càlcul de les propietats elèctriques de les molècules, des del moment dipolar fins a propietats dependents d’un camp elèctric oscil.lant.

Tal com diu aquesta entrada, hi ha cristalls que, a partir d’un raig de llum incident d’un color, en proporcionen un altre (sortint) d’un altre color, de freqüència doble: es tracta de la propietat de generació del segon harmònic (segond harmonic generation, SHG). Però aquesta generació d’un raig de llum de frequência doble (llarga d’ona la meitat de l’original) també es pot provocar per l’aplicació d’un camp elèctric: es tracta de la generació del segon harmònic induïda per un camp elèctric (electric-field induced second harmonic generation, EFISHG).

Si bé la ciència d’aquest fenomen (a la qual hem humilment contribuït a l’IQC) és prou ben entesa, la seva part pràctica resulta poc adequada per a les aplicacions concretes. Però ara l’article de Stanford senyala una miniaturització d’aquests dispositius electroòptics basats en l’EFISHG:

For the first time we have a nonlinear optical device at the nanoscale that has both optical and electrical functionality. And this offers some interesting engineering possibilities

I llavors

For many photonic applications, including signal and information processing, it is desirable to electrically manipulate nonlinear light generation. The new device resembles a nanoscale bowtie with two halves of symmetrical gold leaf approaching, but not quite touching, in the center. This thin slit between the two halves is filled with a nonlinear material. The narrowness is critical. It is just 100 nanometers across.

L’efecte més senzill d’efecte de camps elèctrics sobre fenòmens òptics és l’efecte Pockels: tots hem vist que hi ha cristalls que desvien un raig de llum (o que descomposen la llum blanca) – però en certs cristalls si s’hi aplica un camp elèctric (per exemple el generat entre dues plaques carregades elèctricament) variable, es pot graduar la desviació del raig de llum. L’efecte Kerr és semblant al Pockels, però la desviació, en lloc de ser linial, és quadràtica respecte de la intensitat del camp aplicat.

Aquest és un camp apassionant, lligat a l’electroòptica, que permet fer des d’estudis molt teòrics fins a dissenyar nanoelectrodispositius òptics. Tot plegat, per al camp de les comunicacions i de la computació:

“It’s a great piece of basic science,” said Brongersma. “It is work that combines several disciplines – nonlinear optics, electronics, plasmonics and nanoscale engineering – into a really interesting device that could keep us busy for a while.”

L’article de Science tracta també la plasmònica, la interacció llum-metall:

Brongersma’s area of expertise, plasmonics, then enters the scene. Plasmonics is the study of a curious physical phenomenon that occurs when light and metal interact. As photons strike metal they produce waves of energy coursing outward over the surface of the metal, like the ripples when a pebble is dropped in a pon

Article de Science: Electrically Controlled Nonlinear Generation of Light with Plasmonics

Segurament a les nostres comarques estem satisfets amb els bons restaurants que tenim. Però potser si volen mantenir les seves estrelles Michelin, els caldrà innovar fort. Una suggerència: fer servir les noves impressores 3D amb tintes comestibles. No és cap idea nova, però veig a FastCompany un interessant post titulat Ramen by HP? The Wild Possibilities Of Printing Food.

En aquest post s’hi parla d’una nova màquina del Cornell Creative Machines Lab que permet imprimir, capa a capa, menjar preparat de diversos tipus i estructures tridimensionals, com per exemple amb lletres (foto):

The newest 3-D food printer, now being honed at CCML, can produce: tiny space shuttle-shaped scallop nuggets (image above); and cakes or cookies that, when you slice into them, reveal a special message buried within, like a wedding date, initials (image below) or a corporate logo. They can also make a solid hamburger patty, with liquid layers of ketchup and mustard, or a hamburger substitute that’s made from vegan or raw foods.

Ja penso en un pastís que contingui el logo de la Universitat de Girona, per exemple (ens el menjarem, un àliga?)

Però no només es tracta de decoració i disseny, sinó també de noves combinacions de gustos i aromes, de textures i colors:

While printing pyramids of pastry, or hemispheres of ham sounds whimsical, food printing is about more than decorative presentation. It’s a way to create new flavors and forms of food by varying its chemical properties. “It’s a huge ‘design space,’ and the combination of tastes and textures, geometries and colors that can be achieved is enormous,” says Lipso

I és que la química és pertot arreu, i a la cuina, doncs encara molt més.

Sembla que aquesta food-printer costarà uns 1.000 USD… no gaire res, més o menys el mateix que les impressores 3D que vaig veure a New York, a la World Maker Faire. tal com diuen,

the desire to customize foods will make 3-D food printers an essential part of everyone’s kitchen in due course. “Customization of foods has played an integral role in our 250,000 year history,” says Yosefzai. “As time passes, 3-D food printing we will go from novelty…to utility…to indispensability.”

El temps és or, i si aquesta impressora és millor que la Thermonix i fa coses boniques i bones… serà un èxit. De moment hi pensarem per a les nostres activitats de divulgació relacionades amb la cuina i química.

Tot plegat forma part del projecte Fab@home per fabricar tota mena de coses fent servir dispositius open-source.

Dijous al vespre (6/10/2011) vaig poder assistir a una bona part de l’acte de commemoració dels 100 anys del naixement del matemàtic Lluís Santaló. En Santaló va nèixer a Girona, però amb la guerra va haver d’emigrar a l’Argentina. La UdG li dedica la Càtedra d’Aplicacions de la Matemàtica.

Precisament el Director d’aquesta Càtedra, en Carles Barceló, va obrir l’acte de dijous, que va comptar amb diverses autoritats locals, catalanes i interacionals, i també amb una de les filles del matemàtic, a qui ja havia sentit en una altra trobada, fa anys. Aquest acte va ser una demostració de com es pot fer bona ciència i contribuir a la internacionalització de la societat catalana, ja que en Santaló va viatjar per tot el món, en particular Alemanya (abans de la guerra) i Estats Units (Princeton).

He de confessar que els treballs d’en Lluís Santaló no són assequibles fàcilment, i que m’agradaria entendre’ls més. Quan tingui temps lliure buscaré textos divulgatius. De moment, la seva biografia ja és molt interessant: “Lluís Santaló: pioner de la geometria integral, un matemàtic i educador catalanoargentí i universal“, editada per la Societat Catalana de Matemàtiques, i escrita pel divulgador Xavier Duran.

Aquest acte forma part del cicle de conferències La matemàtica, una ciència omnipresent, que es fan a la Casa de Cultura de Girona fins al 20 d’octubre. Dijous vinent en Xavier Mora parlarà de “votar: no tan fàcil com sembla, però podríem fer-hi millor?”, mentre que dijous 20, el compapny del curs de criptografia, en David Juher, farà la xerrada “Desxifrant l’escriptura de les civitlitzacions perdudes“.

Felicitats a en Carles Barceló per tot el cicle i per aquest acte!

El blog Boing-Boing va publicar ahir una entrada sobre la capacitat que tenen algunes tortugues d’orientar-se, tot fent servir el camp magnètic terrestre. De fet, Boing-Boing esmentava una sèrie molt interessant d’articles de New Scientist sobre la capacitat dels animals d’orientar-se fent servir diferents tècniques, una de les quals és la magnètica.

Segons Boing-Boing i New Scientist, no tan sols les tortugues poden orientar-se, sinó que van bastint un mapa que les permet saber on són:

Young loggerhead turtles, for example, read the Earth’s magnetic field to adjust the direction in which they swim. They seem to hatch with a set of directions, which, with the help of their magnetic sense, ensures that they always stay in warm waters during their first migration around the rim of the North Atlantic. Over time they build a more detailed magnetic map by learning to recognise variations in the strength and direction of the field lines, which are angled more steeply towards the poles and flatter at the magnetic equator.

El que no se sap, però, és el mecanisme que fan servir per detectar el camp magnètic terreste, la seva direcció i la seva intensitat. El sensors magnètics poden estar basats en estructures especialitzades o basats en una sèrie de reaccions químiques:

What isn’t known, however, is how they sense magnetism. Part of the problem is that magnetic fields can pass through biological tissues without being altered, so the sensors could, in theory, be located in any part of the body. What’s more, the detection might not need specialised structures at all, but may instead be based on a series of chemical reactions.

Naturalment això porta a especulacions (fonamentades), com per exemple que hi hagi receptors magnètics al cap de les tortugues, basats en cristalls de magnetita. Sembla que aquest mineral s’ha trobat en alguns bacteris, en salmons i en truites.

Even so, many researchers think that magnetic receptors probably exist in the head of turtles and perhaps other animals. These might be based on crystals of magnetite, which align with the Earth’s magnetic field and could pull on some kind of stretch receptor or hair-like cell as it changes polarity. The mineral has already been found in some bacteria, and in the noses of fish like salmon and rainbow trout, which also seem to track the Earth’s magnetic field as they migrate.

Fa un temps vaig comentar al blog Edunomia que la idea de l’orientació fent servir el camp magnètic terrestre era ben interessant, en particular en el cas de les migracions d’ocells (Ocells i quàntica: una idea engrescadora). Es tracta d’una altra proposta que s’ha fet darrerament per justificar la capacitat d’orientació dels animals. El probelma aquí rau en l’impacte social que té aquest tema, quan se li ajunta l’adjeciu “quàntica”. I si a més s’hi afegeix el substantiu “entrellaçament”, llavors ja és molt més impactant, perquè l’entrellaçament quàntic és un fenomen físic molt complicat d’entendre bé i del qual el propi Einstein en dubtava.

En relació al paper dels fenòmens quàntics en l’orientació mitjançant el camp magnètic terrestre, el blog Amazings va publicar fa uns dies una llarga i crítica entrada titulada Un computador cuántico en el ojo del petirrojo on fa una revisió bibliogràfica del tema, tot citant les darreres aportacions de les revistes més importants. Hi queda clar que es fan interessants i intrigants propostes, però que les evidències experimentals que la detecció del camp magnètic terrestre faci servir sistemes entrellaçats quànticament són febles.

Tot llegint aquesta entrada d’Amazings, em queda clara una altra cosa: que no sabem comunicar prou bé el que és la mecànica (o química) quàntica. És impactant dir que una reacció o procés té orìgens quàntics. Però el propi procés de la fotosíntesis, o qualsevol altra reacció, també està regida per les lleis de la mecànica quàntica. No pas només els fenòmens d’entrellaçament quàntic.

Queda feina per fer: entendre els processos d’orientació dels animals, i comprendre millor el paper de la mecànica quàntica en l’estructura i reactivitat dels processos vinculats a la biologia, que no són altres que els de la química, i per tant de la física.