autoensamblaje dirigido por entropía

Sobre una oblea de silicio lisa, los nanocubos de oro se comportan como una multitud en una pista de hielo: al principio algunas figuras se deslizan al azar por la superficie, pero en un minuto se reúnen en una alfombra uniforme que cubre dos tercios de la pista. Entre los cubos queda una separación de dos nanómetros, más o menos como la palma de la mano entre dos vecinos en una cola.

Una orquesta de cien músicos toca sin director. Cada instrumento está afinado a la perfección, pero si un violín se desafina un poco, la armonía se desmorona.

Una gota de agua sobre una película de fluoropolímero al principio se comporta como se espera: reposa y se evapora. Pero cuando se reduce a una cuarta parte de su tamaño inicial, se despega del lugar y en fracciones de segundo recorre una distancia varias veces mayor que su propio radio.

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.

En algunos cristales los electrones no están repartidos uniformemente, sino que se alinean formando un estricto tablero de ajedrez: en una casilla hay más electrones y en la vecina, menos. Ese patrón se denomina orden de carga y durante mucho tiempo se consideró algo estático, como el dibujo del hielo en un cristal.

Un pulpo, con los tentáculos extendidos, espera. Nadie controla sus brazos desde un centro único, pero en cuanto una presa roza uno de ellos, los ocho se enrollan a su alrededor. Algo parecido han reproducido los físicos en el laboratorio con un cuerpo que no tiene ni neuronas ni músculos: un polímero estrella con brazos autopropulsados.

Imagina una bandada de pájaros que se reúne alrededor de un comedero que nadie construyó. Cada pájaro busca comida para sí mismo, pero al final terminan juntos. Por lo general, ese comportamiento se explica por un instinto social: los pájaros quieren estar cerca de sus congéneres. Pero, ¿y si la bandada es solo un efecto secundario de la codicia?

Un electrón abandona la molécula como un inquilino que sale del último piso: para irse, hay que superar los peldaños de energía. Pero en la escalera cuántica los peldaños no están vacíos: en ellos se apiñan otros electrones, y el apretujón cambia la altura del ascenso. El método estándar ADC(3) no nota ese apretujón: supone que cada electrón sube por una escalera vacía.

Las especies raras en una gran comunidad son como ramas delgadas de un árbol: es fácil romperlas con una ráfaga casual. Incluso si las condiciones son estables, una población pequeña simplemente no tiene suficientes individuos para sobrevivir una mala temporada.

En una cacerola con agua flotan esferas microscópicas: partículas coloidales. Cada esfera está cubierta de largos hilos poliméricos, semejantes a un cepillo, y lleva una carga eléctrica. Si se ajustan bien la temperatura y la composición de la disolución, las esferas comienzan a ordenarse por sí solas en patrones regulares: cristales.

En un concierto, en medio de una multitud apretada, cada paso cuesta trabajo: cuanto más apretados estamos, menos ganas de moverse. Así se comporta normalmente la materia activa: los enjambres de bacterias o las bandadas de robots se quedan quietos en la densidad. Pero un grupo de investigadores descubrió el efecto contrario.

Una gota de agua sobre el vidrio tiembla y brilla: parece tener vida propia. Un comportamiento similar ahora puede verse en el mundo de los coloides: partículas diminutas suspendidas en un líquido. Los investigadores simularon en computadora partículas que emiten señales químicas. Estas señales, como olores en el aire, se propagan alrededor y hacen que los vecinos se acerquen o se alejen.

Una ciudad de noche: en algunas ventanas la luz está encendida, en otras está oscuro. Si se unen con líneas las ventanas que se iluminan al mismo tiempo, se obtiene una red de conexiones. Los investigadores estudiaron esa red en diminutos organoides cerebrales: agrupaciones vivas de células nerviosas cultivadas en laboratorio.

Normalmente la complejidad de los sistemas –desde el movimiento de satélites hasta los ritmos cardíacos– se evalúa con la entropía promedio (medida de imprevisibilidad, tal como la entendía Boltzmann).

En un mundo donde los números de Reynolds son insignificantes, el agua se convierte en un jarabe viscoso y los métodos de natación que conocemos dejan de funcionar. Aquí reina el traicionero teorema del peine: los movimientos simétricos no generan avance. Los microorganismos encontraron una solución: desarrollan colas poliméricas.

En un mundo que tiende al caos, a veces nace un ritmo. La reacción química de Beloúsov-Zhabotinski ha fascinado durante décadas: en un tubo de ensayo, ondas de colores se propagan por sí solas, como un organismo vivo que respira materia.

Un organismo vivo es una máquina que hace pasar energía a través de sí mismo y la convierte en calor. Este ciclo interno se denomina producción interna de entropía (una medida de la disipación de energía). Pero hace unos 2,5 millones de años, nuestros antepasados pusieron en marcha un segundo circuito: el externo. Tomaron en sus manos una piedra afilada y, más tarde, una rama encendida.

Un líquido caliente fluye con facilidad: las moléculas se agitan, chocan y encuentran rápidamente un nuevo lugar. Pero basta con sobreenfriarlo y todo cambia. El movimiento casi se congela y la viscosidad se dispara por las nubes. La cuestión principal no es que las partículas sean perezosas, sino hacia dónde pueden moverse. Los autores combinaron dos ideas conocidas.

El herrero forja una espada. Con cada golpe de martillo, el metal incandescente se aplana, pero también el martillo, el yunque y el aire circundante se calientan ligeramente. Parte de la energía del golpe se pierde irremediablemente en forma de calor — y este intercambio, familiar para cualquiera que haya clavado un clavo, resulta ser la clave de los mayores misterios del cosmos.

Una sábana bien tensa reposa sobre la mesa durante varios días. En apariencia está inmóvil, pero en las fibras de la tela se conserva la tensión: basta con aflojar un poco un extremo y las arrugas correrán, reordenando todo el patrón. De manera muy similar se comporta una capa de células epiteliales en estado de reposo.

Una multitud de personas que pueden moverse libremente, pero que de repente empiezan a actuar como una sola unidad: así conduce un superconductor la corriente sin resistencia.

Una grabación de dictáfono de una plaza urbana. Se oye el murmullo de la multitud, pasos, fragmentos de conversaciones, el ruido de los coches. En algún lugar de esa mezcla de sonidos, un músico callejero toca una melodía simple con una flauta. No es fácil oírla: hay demasiado mezclado.

Dentro de cada célula hierve la vida: diminutas máquinas proteicas transportan cargas sin descanso, leen genes y corrigen errores. Pero su trabajo dista de ser perfecto: a menudo patinan, dan pasos hacia atrás o se quedan atrapadas en ciclos inútiles. Es como un atasco urbano, donde los coches corretean sin rumbo quemando gasolina.

Una batería cuántica no es una caja con química, sino una cadena de pequeños imanes (espines) capaz de almacenar energía. Su truco principal: cargar muchas partículas a la vez, aprovechando su entrelazamiento cuántico. Pero hay un inconveniente: no cualquier entrelazamiento sirve.

Tira una docena de monedas sobre la mesa. Las combinaciones de caras y cruces son poco más de mil. Con dos docenas de monedas, ya son un millón. El número crece como 2 elevado a la cantidad de monedas, y eso es rápido. Pero los sistemas cuánticos son mucho más ricos. Aquí cada partícula no es una moneda con dos caras, sino una flecha que puede apuntar en cualquier dirección.

Un puñado de arroz lanzado a un vaso de agua se dispersa: los granos se separan en todas direcciones. Ahora imagina que cada grano avanza por sí mismo con obstinada constancia y, al chocar, rebota suavemente. Estas partículas se llaman activas: gastan su propia energía para moverse, como las bacterias o los robots microscópicos.

En un cristal ordinario, los átomos están alineados en filas perfectas, como soldados en formación. Cualquier desviación de ese orden se considera perjudicial: el desorden dispersa las ondas y apaga rápidamente los movimientos colectivos de las partículas.

En cualquier grupo hay tríos no escritos: tres amigos que siempre están juntos. Y hay parejas que existen por su cuenta. Resulta que de cuánto "contienen" los tríos a las parejas depende cómo se propaga por el grupo todo, desde un virus hasta una idea nueva. Los científicos introdujeron una medida que llamaron coeficiente de anidamiento.

Un globo se infla solo, aunque nadie sople. Así se ve aproximadamente la expansión acelerada del universo, y para explicarla normalmente se invoca la energía oscura, una fuerza invisible e incomprensible. Pero, ¿y si el globo se hincha porque dentro de él aparecen continuamente nuevas moléculas de aire?

Una orquesta sin director toca y, de repente, sin una orden visible, los violines empiezan a sonar más fuerte y los instrumentos de viento se desplazan ligeramente en el tiempo. Desde fuera parece que nada ha cambiado, pero dentro del conjunto se ha producido una reorganización. Algo parecido ocurre en los sistemas físicos pequeños durante las llamadas pseudotransiciones de tercer orden.

Dos músicos tocan a dúo. En una sala ideal se escuchan perfectamente y poco a poco entran en resonancia. Pero intenta tocar en una habitación donde alguien no deja de cerrar la puerta de golpe. Parecería que el ritmo se desajusta. Pues no: a veces es precisamente ese portazo aleatorio el que hace que ambos se sincronicen al instante.

Una aleación de siete metales es como un equipo donde cada jugador tira de la manta hacia sí. Los átomos de hierro, cobalto, níquel, aluminio, titanio, tantalio y vanadio pueden colocarse en un patrón estricto o dispersarse en posiciones aleatorias. De ello depende que el material sea tan resistente como el acero o tan ligero como el aluminio.

Una neurona en el cerebro se parece a una persona que reparte sus tarjetas de visita en una conferencia abarrotada. Al principio conoce gente fácilmente, pero a medida que se llena la agenda, cada nuevo contacto requiere más esfuerzo: queda poco espacio libre.

Un puñado de arena sobre la mesa es solo un montón. Pero si agitas las partículas correctamente, el montón empieza a comportarse como una memoria: recuerda qué movimiento sigue a cuál. En el nuevo experimento, movieron las partículas cíclicamente, y tras el entrenamiento reproducían el patrón deseado incluso sin la orden completa.

Una gota de agua con partículas diminutas se seca sobre la mesa. El agua se evapora, las partículas quedan y se organizan en un patrón, como la arena después de la marea baja. Pero si las partículas son blandas, el patrón resulta completamente diferente.

Los polímeros son largos filamentos de átomos de carbono e hidrógeno. En las células vivas, se encuentran con flujos de señales químicas que pulsan como el oleaje. Las cadenas largas y los anillos cerrados se comportan como hábiles surfistas: atrapan la ola y se deslizan con ella.

Un cristal que por dentro parece una esponja con un laberinto de poros resultó capaz de realizar cálculos. El material, llamado DUT-8, está formado por nodos metálicos y conectores orgánicos que crean una red calada. Bajo la acción de diferentes gases, esta red cambia ligeramente de forma, como un castillo de naipes que se reacomoda con un leve soplo.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa por sí sola. Pero si la tinta estuviera compuesta de pequeños motores, no solo se dispersaría: se arrastraría, empujaría y se agruparía en bancos. Estas partículas que se mueven por sí mismas se denominan activas. A partir de ellas se pueden ensamblar moléculas, como cuentas en un brazalete.

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.

Un metal es como una cuerda hecha de muchos hilos: si tiras demasiado fuerte, se rompe. Los ingenieros llevan mucho tiempo buscando la manera de hacerlo a la vez resistente y flexible. Normalmente, los aditivos que aumentan la resistencia hacen que el metal se vuelva frágil.