Gases en ciencia e investigación

Sin gases no hay progreso

¿Qué mantiene unido realmente a nuestro planeta en su núcleo? ¿Cómo pueden llegar los medicamentos a la cadena alimentaria? ¿Cómo se pueden neutralizar antes de que eso ocurra? ¿Cómo se detectan cantidades ínfimas de materia desde el principio? Estas son solo algunas de las preguntas que los científicos se plantean a diario. Investigadores de diversas disciplinas aplican diferentes métodos para conocer mejor el mundo material y ampliar el ámbito de la acción humana. Los gases suelen desempeñar una función importante en este proceso, tal y como concluye nuestro breve estudio del mundo de la investigación.

ALICE y las fuerzas del universo.

Está claro que los físicos son aficionados a los acrónimos pegadizos: ALICE significa "A Large Ion Collider Experiment" ("Gran Colisionador de Iones"). Esta instalación forma parte del centro de investigación nuclear del CERN en Ginebra. ALICE hace que colisionen los núcleos de átomos de plomo, lo que genera temperaturas varios cientos de veces superiores a las que se dan en el sol. El objetivo es investigar el "caldo primigenio" justo después del big bang. Los investigadores esperan que sus experimentos les aporten un profundo conocimiento de las fuerzas y elementos fundamentales del universo. Se utiliza el multiplicador de electrones de gas (GEM), junto con otros, para observar las partículas primordiales. Los detectores guían libremente a las partículas en movimiento a través de una lámina de aluminio perforada hasta un fuerte campo eléctrico. Así producen una avalancha de electrones que se pueden "recoger" y analizar. ALICE está siendo sometida actualmente a una reparación general y está siendo equipada con nuevos detectores. Algunos de ellos se están montando en el gran centro de investigación rumano de Magurele. Messer instaló allí un sistema de suministro de gases de especialidad a comienzos de 2015. Suministra a los investigadores nitrógeno, aire sintético, dióxido de carbono y argón. Los gases se utilizan para producir las láminas de aluminio y probar los detectores. Dado que la física nuclear requiere la máxima precisión con partículas minúsculas, los criterios de pureza de los gases son especialmente altos. Cuando se hayan completado las pruebas, los detectores serán trasladados a Ginebra en una atmósfera inerte de nitrógeno seco para garantizar que se mantengan en condiciones adecuadas de funcionamiento cuando lleguen. Por otra parte, uno de los proveedores del helio empleado para enfriar los imanes de alto rendimiento del gran acelerador del CERN es Messer, en Suiza.

Cápsulas del tiempo para la protección del medio ambiente

La ecología es también una cuestión de tiempo: ¿cuánto tiempo permanecen las sustancias nocivas en el ciclo biológico? ¿Durante cuánto tiempo tienen efecto las nuevas normas y procedimientos de protección medioambiental? Para encontrar respuesta a estas preguntas, es muy útil echar una mirada al pasado. Ese es el motivo por el que el Instituto Fraunhofer de Biología Molecular y Ecología Aplicada IME recopila y almacena muestras de toda Alemania para la Agencia Federal del Medio Ambiente de ese país. El Banco de Muestras del Medio Ambiente se encuentra en Schmallenberg, en la región de Hochsauerland, y sus colecciones datan de la década de 1980. Las muestras se extrajeron de los ecosistemas típicos que se dan en Alemania y representan diferentes niveles de la cadena alimentaria. Del medio marino, por ejemplo, se recogieron alga fucus, mejillones, peces y huevos de ave. Se puede consultar información sobre los tipos de muestra y los resultados de los análisis en www.umweltprobenbank.de. "Actualmente disponemos de unos 2.100 homogeneizados de años específicos en nuestros tanques de almacenamiento criogénico", explica el Dr. Heinz Rüdel, Director de Banco de Muestras del Medio Ambiente. "Por poner un ejemplo, incluye filetes de 20 pescados de una sección concreta de un río el mismo año. Se pulverizan en un molino criogénico y se mezclan para crear una masa homogénea. Después, se divide en 200 muestras individuales, lo que nos proporciona una cantidad adecuada para realizar análisis retrospectivos durante muchas décadas en el futuro." Para garantizar que las muestras se mantengan inalteradas durante un largo periodo de tiempo, su temperatura de almacenamiento deberá ser inferior a -130 grados Celsius. Por debajo de esta temperatura de transición vítrea del agua, ya no se forman cristales de hielo. La temperatura de almacenamiento real de -150 grados se garantiza gracias a un suministro constante de nitrógeno líquido. En el proceso, resulta crucial que el suministro de gas de Schmallenberg no se interrumpa nunca y que el tanque que almacenamiento del instituto esté siempre lleno. También es necesario asegurarse de que el gas sea nitrógeno de alta pureza de grado 5,0. "El gas entra en contacto directo con las muestras, por lo que cualquier impureza se acumularía en los contenedores con un efecto potencialmente negativo sobre las muestras. Esto se evita de manera efectiva con el alto nivel de pureza", apunta el Dr. Rüdel.

Precisión con muestras muy pequeñas

La cantidad de muestras disponibles para los exámenes clínicos suele ser muy pequeña. Gracias a la investigación realizada por Friderik Pregl, los médicos pudieron realizar por primera vez análisis químicos precisos de muestras muy pequeñas por primera vez. Pregl, un químico médico de Liubliana, obtuvo el Premio Nobel de Química de 1923 por su trabajo en este campo. En la actualidad, hay un centro de investigación en el Instituto Nacional de Química de la capital eslovena que lleva su nombre; hace poco, Messer Eslovenia instaló allí un sistema de suministro de gas. El sistema de tuberías de 2 kilómetros de longitud ofrece al personal del instituto aproximadamente 300 puntos de toma de argón, nitrógeno, oxígeno y helio, así como de aire sintético y comprimido. Los usos que se da a los gases incluyen purga, secado, refrigeración, inertización y creación de atmósferas definidas. Son esenciales para trabajar con el equipo de investigación más caros de Eslovenia, el microscopio electrónico de transmisión, con el que los átomos individuales de los nanomateriales pueden hacerse visibles. El nitrógeno líquido se utiliza para optimizar el vacío en el dispositivo y enfriar las muestras.

Neutralización de residuos

Los residuos de un analgésico como el ibuprofeno o del ácido clofíbrico, una sustancia que reduce el nivel de triglicéridos en sangre, se consideran nocivos para el medio ambiente. Están muy extendidos y contaminan el alcantarillado y las aguas residuales. Cómo eliminar estas sustancias es uno de los principales campos de investigación estudiados por el grupo de catálisis heterogénea del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Rovira y Virgili en la ciudad española de Tarragona. "Hemos encontrado procesos para neutralizar ampliamente ambas sustancias", explica la Prof. Sandra Contreras Iglesias. "Estos procesos conllevan siempre la conversión de componentes orgánicos en dióxido de carbono, agua y otros componentes no orgánicos. La fotocatálisis ha demostrado ser apta para el ibuprofeno y la ozonización catalítica, para el ácido clofíbrico." La fotocatálisis consiste en luz (fotones) y un catalizador que actúan juntos para provocar el proceso de conversión química. A pesar de que también funciona sin gases, al añadir el oxígeno, el proceso es mucho más eficiente. Para la ozonización es necesario utilizar ozono (O3), una molécula de oxígeno altamente reactiva, para romper el enlace de las moléculas contaminantes. Los investigadores de Tarragona obtienen el ozono del oxígeno. También existe otro proyecto consistente en el desarrollo de un proceso fotocatalítico que elimine los nitratos del agua potable. Estas sales contaminan las aguas subterráneas y el agua potable principalmente en regiones con agricultura intensiva. Aquí, la eficiencia del proceso de purificación se potencia al agregar hidrógeno. Otros proyectos gestionados por la facultad requieren otros gases, como argón, nitrógeno o helio, así como aire sintético. La facultad recibe los gases de Messer en España.

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