transporte de agua confinada

Una pila de páginas que se ha hojeado muchas veces lo recuerda: algunas hojas quedan planas, otras se abarquillan y en ciertos lugares quedan dobleces. Algo similar les ocurre a los materiales laminares cuando los iones penetran en ellos.

La tejedora se sienta ante el telar y sus manos se mueven con un ritmo imposible de predecir de antemano. Los hilos se juntan y se separan, formando un patrón que parece aleatorio pero obedece reglas estrictas.

Una multitud en la entrada de un pasillo estrecho no se comporta igual que en una sala espaciosa: a algunos los aprietan contra las paredes, a otros los empujan hacia adelante. Algo parecido ocurre cuando una partícula alargada se encuentra en un líquido repleto de mancuernas automotrices.

Dos láminas de mica, lisas como espejos, se aproximan lentamente en una disolución de calcio. A una distancia de cincuenta nanómetros, entre ellas aparece de repente una barrera invisible: como si alguien hubiera tendido una telaraña de moléculas entre las paredes.

Las olas en la superficie del agua normalmente se rompen contra cualquier obstáculo: una piedra, un pilote, una isla. ¿Pero qué pasaría si colocas los obstáculos de manera tan astuta que la ola casi no los note? En un nuevo trabajo, los científicos dispusieron sobre el agua un patrón de muchos puntos, colocados según reglas matemáticas especiales, y enviaron olas a través de ellos.

Tira un puñado de arena sobre la mesa: los granos se dispersarán por igual en todas direcciones. Pero si debajo de la mesa hay un imán escondido y la arena es de hierro, las trayectorias se vuelven más astutas: sobre el caos se superpone una estructura invisible al ojo. Así más o menos funciona el movimiento de las moléculas dentro de una célula viva.

Dentro de cada célula, constantemente hay moléculas que se encuentran y se separan. Algunas parejas se mantienen unidas con fuerza, como un velcro; otras apenas se rozan, como el polen al viento. Son precisamente estos roces fugaces, cuya fuerza de unión es comparable a la disolución de un grano de sal en un vaso de agua, los que controlan muchas señales y decisiones celulares.

El Universo justo después del Big Bang parecía un caldero hirviente: por doquier estallaban y crecían burbujas de un nuevo estado de la materia. Eran transiciones de fase de primer orden, exactamente como la ebullición del agua. Solo que la temperatura alcanzaba billones de grados.

Un pastel de capas en el que cada capa conduce la electricidad de manera distinta: así es el cristal La3Ni2O7, un compuesto de níquel, lantano y oxígeno. La corriente a lo largo de las capas fluye de forma diferente que a través de ellas.

En el cristal CsV3Sb5-xSnx, que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, la corriente no fluye como un flujo continuo, sino por estrechos caminos sinuosos.

En el lodo turbio, entre dos electrodos, se forman largas cadenas de bacterias, finas como un cable microscópico. Cada uno de estos filamentos conduce corriente a lo largo de un centímetro entero, una verdadera maratón para un microbio.

Millones de cilios —finos pelillos— trabajan dentro de los diminutos conductos de nuestro cuerpo. Laten de forma coordinada, como los remos de una galera, y empujan moco o líquido viscoso. Los autores del nuevo estudio propusieron ver el tapiz ciliar como un medio poroso activo: algo así como una esponja que se comprime y se expande por sí misma, impulsando el agua.

Una gota de champú espeso cae al agua y se congela en una hebra caprichosa. Un fluido que a la vez fluye y se estira como un resorte se llama viscoelástico. En él, las partículas diminutas bajo la acción de los ultrasonidos se comportan de manera muy distinta que en el agua.

Al exprimir el kétchup de la botella, luchas contra su terquedad: primero se queda quieto, luego sale disparado de golpe. Es un carácter no newtoniano típico: la resistencia al flujo cambia según la fuerza con la que aprietas. Pero los autores del nuevo estudio han encontrado la manera de eliminar casi por completo esa resistencia.

El burbujeo de una olla, una ráfaga de viento, el humo que sube de una fogata: todo obedece a ecuaciones que los matemáticos llaman «no lineales y disipativas». En pocas palabras, en ellas la energía se pierde por fricción y las partes del flujo se influyen tanto entre sí que predecir el movimiento con antelación es una tarea al límite de lo posible.

Un cristal ordinario es como un edificio de apartamentos: los electrones se mueven por pasillos y escaleras comunes, influyéndose unos a otros a través de las paredes. Ahora quitemos todas las paredes y dejemos una sola línea de apartamentos.

Una gota de agua sobre una mesa normalmente permanece inmóvil. Pero si la mesa es un poco más blanda en un borde y más rígida en el otro, la gota se desliza hacia la zona rígida. Este fenómeno se llama durotaxis: el líquido elige por sí mismo hacia dónde fluir, sin bombas ni electricidad. Este truco es posible porque la superficie bajo la gota no es uniforme.

Una diminuta gota de aceite se abre paso a través de un canal acuoso más estrecho que ella misma. En agua limpia avanza con calma, como una esferita redonda. Pero añade un poco de jabón al agua y la gota empieza a curvarse, como una oruga.

En una rendija estrecha entre dos láminas, el agua del aire húmedo se acumula por sí sola: es la condensación capilar. Si la rendija tiene solo unos pocos nanómetros de ancho, el agua ya no se comporta como un líquido continuo: cada molécula cuenta.

Dentro de la célula hay diminutas gotas líquidas, como gotitas de aceite en el agua. Se forman a partir de proteínas y ARN y sirven para diversas funciones: desde almacenar moléculas hasta acelerar reacciones. Pero si las gotas comienzan a fusionarse entre sí, se formaría un gran charco, y eso rompería toda la organización celular.

Dentro de los riñones, el hígado y otros órganos, el líquido fluye por canales que se comprimen y se expanden, como una manguera pisada por un pie. Las paredes de estos canales no son rígidas: son porosas, elásticas y están empapadas de humedad.

Cuando en una gota de agua se reúnen muchas bacterias (compuestas principalmente de carbono), comienza una danza sincrónica: millones de diminutos seres se deslizan en elipses gigantes, como bailarines en una pista. Así, sin un líder, de movimientos simples surge un patrón complejo.

La membrana celular no es solo una pared, sino una entrada con torniquetes. En ella se encuentran canales proteicos que dejan entrar y salir iones, generando así una carga eléctrica, como una batería que alimenta nervios y músculos.

Una gota de metal líquido se desliza por un canal estrecho, como mercurio de un termómetro roto. No necesita motor: el combustible es una reacción química con el líquido circundante. Pero, ¿qué ocurre cuando la gota choca contra una pared?

La frontera entre dos líquidos es como una piel invisible: existe, pero no se puede tocar con el dedo. Los científicos han encontrado la manera de medir su elasticidad sin tocarla. Hicieron que una sonda diminuta oscilara sobre la superficie, y entre la sonda y la frontera quedó una fina película de líquido.

Dentro de una célula viva flotan gotas que no se mezclan con el líquido circundante, como el aceite en el agua. Estas gotas no son solo acumulaciones pasivas: presionan activamente las membranas y las obligan a curvarse. Los científicos observaron este proceso en células vegetales vivas, lo reprodujeron en el laboratorio y lo calcularon por ordenador.

Un río fluye en una dirección, mientras una ola en su superficie avanza en la contraria. Esa misma dualidad ocurre en los materiales hiperbólicos: la energía de la onda luminosa y sus frentes de onda divergen, impidiendo crear una lente nítida.

En una fina película de agua, atrapada entre dos vidrios, viven bacterias. El oxígeno les llega solo a través de una de las paredes, como el aire entra a una habitación por una única ventana. Cuando hay pocas bacterias, no le prestan atención: una parte se adhiere a una pared, otra a la otra, y el panorama resulta simétrico.

La membrana para la electrólisis del agua se parece a una esponja empapada en agua. En su interior deben moverse libremente los iones hidróxido, partículas que transportan la carga eléctrica. Pero cómo se mueven exactamente fue durante mucho tiempo un misterio: es demasiado complicado seguir a cada ion en un experimento.

La célula es una ciudad con puertas. Cada puerta es un canal proteico en la membrana: a través de él entran y salen iones, azúcares, moléculas señalizadoras. Algunas puertas están casi siempre abiertas; otras se abren y se cierran al azar, como las puertas del metro, que a veces dejan pasar al pasajero y a veces se cierran de golpe.

Una gota de metal sobre un semiconductor es como una isla en el mar. Para llegar a esa isla, un electrón debe pagar un "peaje": superar una barrera que surge porque la isla es diminuta y cada carga adicional cambia mucho su energía. Este fenómeno se conoce como bloqueo de Coulomb.

Una partícula deambula en un medio lleno de obstáculos. A veces los empuja hacia adelante, como una máquina quitanieves, y se pensaba que ese empuje era lo que finalmente detenía el movimiento. Pero en un espacio tridimensional, este mecanismo no funciona.

El agua en una rendija estrecha avanza sola: así funciona el efecto capilar, que eleva la savia por el tallo. Pero si en el camino aparece un escalón, el líquido puede quedarse inmóvil, como un viajero ante un umbral alto. Los científicos construyeron canales diminutos de vidrio y observaron cuándo la gota supera el escalón y cuándo se queda atascada.

Un cable delgado hecho de un material especial, un aislante topológico, se comporta como una calle de ciudad: por dentro está vacío y todo el tráfico circula por los bordes. Los electrones en ese cable se mueven solo por la superficie, como peatones por la acera sin pisar la calzada.

El fieltro se asemeja a una madeja de lana enredada, pero bajo los rayos X se ve que en su interior hay senderos ocultos. Cuando una gota de agua cae sobre este material, no solo se extiende por la superficie: parte del líquido se sumerge hacia el interior, como el agua en un papel secante. Los científicos grabaron por primera vez este proceso con una cámara de rayos X que toma cientos de imágenes por segundo.

Un electrón en un metal normalmente se parece a una persona en hora punta: choca constantemente con otros y pierde la dirección. Pero si se eliminan los obstáculos, puede volar en línea recta, como un auto por una autopista vacía de noche. Ese movimiento se llama balístico, de la palabra "balista", una antigua máquina de asedio que lanzaba piedras sin obstáculos.

La luz normalmente viaja en línea recta, como el haz de una linterna. Pero se puede retorcer, como el agua en un remolino, y entonces aparece un vórtice en el haz. Esta luz retorcida puede transportar más datos: los diferentes vórtices no interfieren entre sí, como los distintos canales de radio. El problema era hacer una fuente de esta luz lo suficientemente pequeña para un chip.

El agua de un río fluye uniforme hasta que encuentra un estrechamiento. Allí la corriente se acelera y, tras el recodo, puede arremolinarse en un remolino. Unos remolinos similares, pero del tamaño de una molécula, son capaces de reunir partículas en un mismo lugar por sí solos, sin bomba ni motorcito.

En una rendija estrecha entre dos placas, los iones no se comportan como partículas libres, sino como una multitud en un autobús abarrotado: apretados unos contra otros, forman densos cúmulos. Precisamente esta propiedad —la capacidad de los iones de agruparse en racimos en espacios muy reducidos— es la base del nuevo mecanismo para controlar el transporte iónico.

Treinta nanómetros: la distancia en la que un fonón velocista aún no ha tenido tiempo de acelerar.