Las singulares creaciones laberínticas desarrolladas por científicos de la Universidad de Bristol podrían ayudar a desentrañar otros problemas notoriamente difíciles, entre ellos la simplificación de procesos industriales como la captura de carbono o la producción de fertilizantes.
En el estudio realizado se explica que en un recorrido del caballo, la pieza de ajedrez (que salta dos casillas hacia delante y una hacia la derecha) visita cada casilla del tablero sólo una vez antes de volver a su casilla inicial. Se trata de un ejemplo de “ciclo hamiltoniano”: un bucle a través de un mapa que visita todos los puntos de parada una sola vez.
“En términos más generales, podemos imaginarnos que vivimos en una ciudad formada por muchas islas pequeñas conectadas por puentes. Un ciclo hamiltoniano le haría visitar cada isla exactamente una vez, antes de volver al principio. Encontrar una ruta así es difícil incluso para un puñado de islas. Una vez que se llega a unas 20 islas, los mejores ordenadores no pueden encontrar una solución”, explicó a Metro Felix Flicker autor principal y catedrático de Física de la Universidad de Bristol.
Los físicos teóricos, dirigidos por la Universidad de Bristol, construyeron una infinidad de ciclos hamiltonianos cada vez mayores en estructuras irregulares que describen una materia exótica conocida como cuasicristales.
Los átomos de los cuasicristales, explican los autores, están dispuestos de forma distinta a los de cristales como la sal o el cuarzo. Mientras que los átomos de los cristales se repiten a intervalos regulares, como las casillas de un tablero de ajedrez, los de los cuasicristales no lo hacen. En su lugar, hacen algo bastante más misterioso: los cuasicristales pueden describirse matemáticamente como cortes a través de cristales que viven en seis dimensiones, en oposición a las tres de nuestro universo familiar.
“Los cuasicristales son un tipo extraño de materia. Un cristal, como la sal o el hielo, tiene todos sus átomos dispuestos de forma regular. Aparecen en un patrón periódico, espaciados uniformemente como las crestas de una ola. Un cuasicristal tiene sus átomos dispuestos de forma aperiódica, en un patrón irregular. Pero existe un orden oculto. Por ejemplo, se puede describir un cuasicristal como un corte en un cristal de seis dimensiones”, dijo Flicker.
“Aún no tienen muchos usos. El mayor interés para nosotros, como físicos teóricos, es que las disposiciones de los átomos revelan nuevos tipos de patrones y simetrías. Estos son de gran interés matemático”, agregó Flicker
Los resultados de la investigación demuestran que los cuasicristales pueden ser adsorbentes muy eficaces. Uno de los usos de la adsorción es la captura y almacenamiento de carbono, en la que se impide que las moléculas de CO2 entren en la atmósfera.
La “adsorción” es un proceso industrial clave en el que las moléculas se adhieren a las superficies de los cristales. Hasta ahora, sólo se utilizan cristales para la adsorción industrial. Si los átomos de una superficie admiten un ciclo hamiltoniano, las moléculas flexibles del tamaño adecuado pueden empaquetarse con perfecta eficacia tendidas a lo largo de estos laberintos atómicos.
La captura de carbono es una tecnología que tiene como objetivo capturar y almacenar el dióxido de carbono (CO2) generado por la quema de combustibles fósiles antes de que se emita a la atmósfera. Esta técnica se utiliza para reducir las emisiones de gases de efecto que contribuyen al calentamiento global.
De acuerdo con la página especializada Climate Consulting, la captura de carbono (CC) es un proceso que implica la recolección de CO2 de una fuente puntual, como una planta de energía o una fábrica, antes de que se emita a la atmósfera y existen varios métodos (ver recuadro).
Métodos principales de captura de carbono:
(Fuente: Climate Consulting)
Captura precombustión: esta técnica se utiliza para separar el dióxido de carbono del gas natural antes de la combustión. En este método, el gas natural se descompone en hidrógeno y CO2, y el hidrógeno se utiliza como combustible, mientras que el CO2 se captura y se almacena de manera segura. Se utiliza principalmente en la industria química y petroquímica.
Captura postcombustión: se utiliza después de la combustión para eliminar el dióxido de carbono de los gases de escape. Los gases de escape se enfrían y comprimen para separar el CO2 del resto de los gases. Se utiliza en la mayoría de las centrales eléctricas y algunas plantas industriales.
Captura oxy-combustión: implica la combustión del combustible en una atmósfera de oxígeno puro en lugar de aire. La combustión produce gases de escape con alta concentración de CO2, lo que los hace más fáciles de capturar. Es más común en algunas centrales eléctricas y plantas industriales.
“Nuestro trabajo también demuestra que los cuasicristales pueden ser mejores que los cristales para algunas aplicaciones de adsorción”
Shobhna Singh, coautora del trabajo e investigadora del doctorado en Física de la Universidad de Cardiff
5 preguntas a…
Felix Flicker Autor principal y catedrático de Física de la Universidad de Bristol
P: ¿Cómo surgió la idea de desarrollar este laberinto?
–Anteriormente habíamos trabajado en un problema relacionado, el “modelo de dímeros”, en el mismo entorno. El modelo de dímeros se desarrolló originalmente para averiguar cómo las moléculas densamente rectas (como el monóxido de carbono) pueden empaquetarse en las superficies de los cristales. Nos dimos cuenta de que podíamos ampliar nuestro resultado a las moléculas curvadas. Para ello era necesario construir “ciclos hamiltonianos”. Matemáticamente, se trata de un problema imposible de resolver en general (ni siquiera los mejores superordenadores pueden hacerlo). Pero descubrimos que había un caso especial en el que era inesperadamente sencillo.
Una vez resuelto el problema matemático, echamos un vistazo a las soluciones y vimos que eran los laberintos más complicados que habíamos visto nunca.
P: ¿Por qué estaba basado en el ajedrez y concretamente en los movimientos del caballo?
–En realidad, añadimos esta explicación más tarde. La “vuelta del caballo” es probablemente la forma más fácil de describir un ciclo hamiltoniano. El caballo se mueve dos casillas hacia delante y una hacia la derecha (o viceversa). La tarea es mover el caballo de tal manera que visite cada casilla exactamente una vez, antes de volver al principio. Se trata de un ciclo hamiltoniano.
P: ¿Cómo puede ayudar este laberinto al medio ambiente?
–Una aplicación de nuestro resultado es demostrar que no sólo las moléculas rectas pueden empaquetarse perfectamente en las superficies de los cuasicristales (nuestro resultado anterior), sino que también pueden hacerlo las moléculas curvas de longitud arbitraria.
Una de las razones por las que esto es relevante para el medio ambiente es que es la base del método de “catálisis” más utilizado. Se trata de cualquier proceso que reduzca la energía necesaria para hacer reaccionar sustancias químicas. La catálisis se utiliza en la producción de casi todo: los alimentos, por ejemplo, requieren fertilizantes (amoníaco) que se producen mediante catálisis.
Nuestro resultado sugiere que los cuasicristales podrían ser unos catalizadores inesperadamente buenos. Tienen muchas otras propiedades importantes, como ser quebradizos. Esto significa que se rompen fácilmente en trozos diminutos, lo que aumenta su superficie. Los productos químicos que reaccionan pueden soplarse sobre ellos en forma de gas. Su composición química no es muy adecuada para la catálisis, pero el trabajo de otros investigadores (socios del proyecto en la misma subvención) ha demostrado que pueden recubrirse de plata, que es un catalizador excelente.
-¿Podría hablarnos más de la captura y almacenamiento de carbono con ayuda del laberinto?
La mención de la captura y el almacenamiento de carbono pretendía explicar la importancia general de la adsorción (el proceso por el que las moléculas se empaquetan en una superficie). No pretendíamos insinuar que nuestros resultados fueran directamente útiles para ninguno de los dos procesos. Por desgracia, el monóxido de carbono y el dióxido de carbono no son largos ni especialmente flexibles, por lo que nuestros resultados no dicen nada directamente sobre ellos.