“Un viaje sentimental al país de las maravillas de la materia blanda”
—— Pierre-Gilles de Gennes, Discurso del Premio Nobel, 1991
El Contexto Histórico
¿Qué tienen en común un televisor LCD, el detergente, la sangre, la pintura y la arena? Un nombre: Pierre-Gilles de Gennes.
Pierre Gilles de Gennes fue un físico francés nacido en 1932. En 1955 se graduó de la École Normale. Fue miembro de la Academia Francesa de Ciencias, la academia Holandesa de Artes y Ciencias, la Royal Society, la Academia Americana de las Artes y las Ciencias y de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos. Desde 1976 a 2002 se desempeñó como director de la prestigiosa École Superieur de Physique et Chimie (ESPC). En 1991 recibió el premio nobel “por descubrir que los métodos desarrollados para estudiar fenómenos de orden en sistemas simples pueden ser generalizados a formas más complejas de la materia, en particular a los cristales líquidos y los polímeros.”
Sus aportes han sido muy relevantes en distintas áreas de la física y las ciencias aplicadas, especialmente considerando la relación interdisciplinaria con ciencias como la biología y la química, y con la industria. En su discurso de aceptación del Premio Nobel de Física, nos invita a un viaje sentimental a la tierra mágica de la Materia Blanda. ¿Pero? ¿Qué es la materia blanda?
La Ciencia Detrás de la Materia Blanda
Estados de la Materia
Si recordamos como nos explicaban los estados de la materia en el colegio, estos eran: sólido, líquido, gaseoso y plasma. Sabemos en la actualidad que hay un quinto estado de la materia, uno artificial creado en el laboratorio, conocido como Condensado de Bosé-Einstein.
Los 3 primeros los conocemos todos, el cuarto nos puede sonar de algo y el quinto no es muy conocido. Volviendo a los 2 primeros sólido y líquido, siempre aparecen algunas observaciones: ¿Y la gelatina qué es? ¿Y el gel para el cabello? ¿y la mayonesa?, parecen sólidos pero al esparcirlos parecen líquidos.
Desde un punto de vista técnico y formal, nos referimos a materia blanda como materiales que son fácilmente deformables debido a fluctuaciones térmicas y fuerzas externas. Esto incluye desde el helado y el shampoo que encuentras en casa, la pintura de nuestra habitación, hasta la sangre y los tejidos de nuestro cuerpo.
Comprensión Moderna
El Comportamiento a Diferentes Escalas
La materia blanda se comporta de manera diferente a los sólidos y los líquidos, y para descubrir cómo y por qué es necesario observar los materiales a distintas escalas. Si nos vamos a una escala muy pequeña, pareciera que las moléculas se comportan de manera aleatoria y desordenada como un líquido. Si nos alejamos y observamos estos materiales desde una escala un poco mayor, comenzamos a ver cómo se forman estructuras ordenadas. Si ahora observamos estos materiales con nuestros propios ojos veremos que aquellas estructuras ordenadas responden colectivamente.
Esto permite que la materia blanda sea estable sin embargo tenga características flexibles. En otras palabras, en los materiales “blandos” conviven e interactúan constantemente el orden y el desorden.
El Origen Histórico
Se podría remontar el origen de los estudios de la materia blanda a 1827 cuando el botánico Robert Brown observó el movimiento irregular de los granos de polen en el agua. Casi 80 años más tarde, el movimiento observado por Brown fue explicado por Albert Einstein y Marian Smoluchowski y se le otorgó el nombre de Movimiento Browniano.
La comprensión del movimiento Browniano generó una profundización en la comprensión del comportamiento de los sólidos, los líquidos y los gases, sin embargo, aún no había explicaciones claras para el comportamiento de la “materia blanda”. Fue en la década de los 70’s en que la comprensión de la materia blanda comenzó a cobrar importancia, gracias al aumento de las capacidades técnicas de los microscopios y computadores de esa época.
Fueron los trabajos pioneros de Sam Edwards y Pierre Giles de Gennes en cristales líquidos y polímeros los que finalmente confirmaron las sospechas de que las extrañas propiedades de variados materiales blandos provenían de la interacción entre el orden y el desorden a un nivel molecular, y así nació el concepto de “Matière Molle”, “Materia Blanda” o “Soft Matter”.
Aplicaciones Biológicas
A partir de ese momento un gran número de materiales comenzaron a ser estudiando a partir de las teorías de De Gennes, cementos, pegamentos, pinturas, polvos, granos, espumas y coloides (materia ultra dividida como a él le gustaba llamarle). Sin embargo, el interés científico por la materia blanda explotó cuando está se comenzó a aplicar a los materiales vivos.
El trabajo en esta área involucra física, química y biología. Nuestro cuerpo está hecho de diferentes tipos de polímeros: Carbohidratos, lípidos, ácidos nucleícos y una gran variedad de proteínas. Descubrir la compleja relación entre los distintos sistemas biológicos es una tarea muy desafiante, pero con la ayuda de la física de la materia blanda esto puede ser mucho más sencillo, debido a que todos los polímeros que componen nuestro organismo son largas cadenas de cuerdas o bolas que se mueven irregularmente.
El Legado de de Gennes
Dos son las características fundamentales de la materia blanda según Pierre de Gennes: la complejidad y la flexibilidad. A lo largo de su vida publicó variados libros que son la base de los estudios de los cristales líquidos (presentes en las pantallas que vemos todos los días), los polímeros (parte de nuestras células y tejidos), las propiedades de mojado y gotas, coloides (gelatinas) y surfactantes (que nos permiten proteger las superficies con capas muy finas de material, como los detergentes y las burbujas).
Sus aportes cubrieron un campo extraordinariamente amplio de la ciencia. Fue un gran divulgador y según algunos lo más parecido a un hombre del renacimiento de nuestros días. Incluso lo llamaron el “Newton de nuestra época”, a lo que él se refirió como “Lirismo Nórdico”.
Después de recibir el premio Nobel se dedicó a dar charlas de ciencia, innovación y sentido común a estudiantes de enseñanza media (secundaria). Visitó alrededor de 200 escuelas desde 1992 a 1994, cuya historia se encuentra en el libro “Los objetos frágiles” donde de Gennes homenajea sus colaboradores y destaca las investigaciones de quienes él consideraba que también merecían un premio Nobel.
Pierre Giles de Gennes falleció en 2007 a la edad de 74 años, dejando un legado importante para las ciencias en general. Un legado que seguimos algunos de nosotros.
Dos son las características fundamentales de la materia blanda según Pierre de Gennes: la complejidad y la flexibilidad. A lo largo de su vida publicó variados libros que son la base de los estudios de los cristales líquidos (presentes en las pantallas que vemos todos los días), los polímeros (parte de nuestras células y tejidos), las propiedades de mojado y gotas, coloides (gelatinas) y surfactantes (que nos permiten proteger las superficies con capas muy finas de material, como los detergentes y las burbujas).
Sus aportes cubrieron un campo extraordinariamente amplio de la ciencia. Fue un gran divulgador y según algunos lo más parecido a un hombre del renacimiento de nuestros días. Incluso lo llamaron el “Newton de nuestra época”, a lo que él se refirió como “Lirismo Nórdico”.
Después de recibir el premio Nobel se dedicó a dar charlas de ciencia, innovación y sentido común a estudiantes de enseñanza media (secundaria). Visitó alrededor de 200 escuelas desde 1992 a 1994, cuya historia se encuentra en el libro “Los objetos frágiles” donde de Gennes homenajea sus colaboradores y destaca las investigaciones de quienes él consideraba que también merecían un premio Nobel.
Pierre Giles de Gennes falleció en 2007 a la edad de 74 años, dejando un legado importante para las ciencias en general. Un legado que seguimos algunos de nosotros.
Referencias
- https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1991/gennes/biographical/
- https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1991/summary/
- https://www.iop.org/explore-physics/physics-stepping-stones/soft-matter-physics#gref
- De Gennes, P. G., Brochard-Wyart, F., & Quéré, D. (2004). Capillarity and wetting phenomena: drops, bubbles, pearls, waves (Vol. 336). New York: Springer.
- De Gennes, P. G., & Prost, J. (1993). The physics of liquid crystals (No. 83). Oxford university press.
- De Gennes, P. G., & Gennes, P. G. (1979). Scaling concepts in polymer physics. Cornell university press.
- De Gennes, P. G. (1992). Soft matter. Reviews of modern physics, 64(3), 645.
Este podcast fue apoyado en parte por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID), Chile (ANILLO ATE220022; ALMA 31220004; FONDECYT 1211848) y Proyecto DGVM 3054 (PUCV).