tag:theconversation.com,2011:/us/topics/moleculas-74307/articlesmoléculas – The Conversation2023-11-06T09:28:09Ztag:theconversation.com,2011:article/2170172023-11-06T09:28:09Z2023-11-06T09:28:09Z¿Cómo surge la vida de la materia inerte? Una nueva teoría intenta aclarar el misterio<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/557441/original/file-20231023-23-dbncio.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=1670%2C53%2C4113%2C3934&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">
</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/image-photo/mother-panda-her-baby-snuggling-eating-1839520114">Daniel X D/Shutterstock</a></span></figcaption></figure><p>La física moderna puede explicarlo todo, desde el <em>spin</em> de la partícula más diminuta hasta el comportamiento de cúmulos enteros de galaxias. Pero <a href="https://theconversation.com/great-mysteries-of-physics-5-will-we-ever-have-a-fundamental-theory-of-life-and-consciousness-203127">no puede explicar la vida</a>. No existe ninguna fórmula que establezca la diferencia entre un trozo de materia viva y otro inerte. La vida parece “surgir” misteriosamente de componentes no vivos, como las partículas elementales. </p>
<p>La teoría del ensamblaje, cuyas líneas básicas han sido <a href="https://www.nature.com/articles/s41586-023-06600-9">publicadas recientemente en <em>Nature</em></a>, es un audaz enfoque para explicar la vida a la escala más fundamental. Parte de dos conceptos clave: la complejidad y la información (como la que contiene ADN). La nueva teoría permite entender cómo surgen ambos en los sistemas químicos. </p>
<p>“Emergencia” es una palabra que los físicos utilizan para explicar algo que es más grande que la suma de sus partes. Por ejemplo, cómo el agua puede percibirse húmeda cuando las moléculas individuales de agua no los son. La humedad, entonces, es una propiedad emergente.</p>
<p>Aunque es una teoría elegante desde el punto de vista matemático, sólo puede ser fiable si se pone a prueba en el laboratorio. Para que las abstracciones de la hipótesis del ensamblaje se basen en la realidad química, es esencial realizar experimentos cuidadosamente diseñados, como el que estamos llevando a cabo mis colegas y yo.</p>
<p>En el núcleo de la teoría del ensamblaje está la idea de que los objetos pueden definirse no como entidades inmutables, sino a través de la historia de cómo se formaron. Esto nos lleva a los procesos mediante los cuales se construyen configuraciones complejas a partir de bloques de construcción más simples. </p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=803&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=803&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=803&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1010&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1010&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/554281/original/file-20231017-21-fti245.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1010&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Los bloques de construcción pueden ensamblarse como el lego para crear moléculas de vida.</span>
<span class="attribution"><span class="source">Crédito de la imagen Dra. Anna Tanczos, Sci - Comm Studios.</span>, <a class="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/">CC BY-SA</a></span>
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<p>La teoría propone un “índice de ensamblaje” que <a href="https://theconversation.com/life-modern-physics-cant-explain-it-but-our-new-theory-which-says-time-is-fundamental-might-203129">cuantifica los pasos mínimos</a>, o el camino más corto, necesarios para construir un objeto. Esta medida mide el grado de “selección” indispensable para producir un conjunto de objetos, en referencia a la memoria –como el ADN– necesaria para crear seres vivos.</p>
<p>Al fin y al cabo, los seres vivos no surgen espontáneamente, como el helio en las estrellas. Requieren el ADN como modelo para crear nuevas versiones.</p>
<h2>Quince pasos para crear una molécula de vida</h2>
<p>Pero ¿cómo podrían comprobarse experimentalmente estas construcciones teóricas?
Un aspecto clave de la nueva teoría <a href="https://www.nature.com/articles/s41467-021-23258-x">ya se ha probado en nuestro laboratorio</a>. Se trata de la determinación del índice de ensamblaje mediante espectrometría de masas, una herramienta analítica que permite medir la relación entre la masa y la carga de las moléculas. </p>
<p>Fragmentando moléculas y analizando sus espectros de masas podemos estimar su índice de ensamblaje. O sea, podemos ver literalmente cuántos pasos necesitan los distintos fragmentos para unirse y formar una molécula determinada. Dicho índice también puede medirse con otras técnicas, como la espectroscopía infrarroja y la espectroscopía de resonancia magnética nuclear.</p>
<p>En nuestra investigación hemos podido determinar el índice de ensamblaje para una serie de moléculas, en el laboratorio y mediante simulaciones computacionales. Nuestro trabajo demuestra que las moléculas asociadas a la vida, como las hormonas y los metabolitos (productos de las reacciones metabólicas), son realmente más complejas y requieren más información para ensamblarse que las moléculas que no se vinculan exclusivamente a la vida, como el dióxido de carbono. </p>
<p>De hecho, hemos demostrado que un índice de ensamblaje superior a 15 pasos <a href="https://www.nature.com/articles/s41467-021-23258-x">sólo se encuentra</a> en las moléculas relacionadas con los seres vivos, tal y como sugiere la teoría.</p>
<p>La hipótesis del ensamblaje también propone ideas sobre el origen de la vida que pueden someterse a comprobación. Según postula, hay un punto en el que las moléculas se vuelven tan complejas que empiezan a utilizar información para hacer copias de sí mismas –de repente requieren memoria e información–, una especie de umbral en el que la vida surge de la no vida. </p>
<p>En última instancia, puede ocurrir que sistemas no biológicos adquieran capacidad de selección y una memoria mínima (igual que el Sol formó los planetas juntando una gran cantidad de masa). Pero no es posible la existencia de organismos vivos o la tecnología que estos crean, desde el Lego a la ciencia espacial, sin altos niveles de memoria y capacidad de selección.</p>
<h2>Sopa química</h2>
<p>Tenemos previsto investigar más a fondo este origen de la vida creando una especie de sopa química en nuestro laboratorio. En dicha sopa podrían crearse moléculas totalmente nuevas a lo largo del tiempo, ya sea añadiendo diversos reactivos o por azar, mientras controlamos su índice de ensamblaje y el crecimiento del sistema. Ajustando las velocidades de reacción y las condiciones, podríamos estudiar ese fascinante punto de transición de la no vida a la vida, y averiguar si sigue las predicciones de la teoría del ensamblaje.</p>
<p>También estamos diseñando “generadores de sopa química”, que mezclan sustancias químicas simples para obtener otras complejas. Estos generadores pueden ayudarnos a comprender mejor cómo puede construirse la complejidad con la teoría del ensamblaje y cómo puede iniciarse la selección fuera de la biología. </p>
<p>Esto podría darnos alguna pista sobre cómo evolucionó la vida por primera vez, comenzando con una selección mínima y requiriendo luego cada vez más. En condiciones idénticas, ¿se construyen los objetos de forma predecible? ¿O entra en juego el azar en algún momento? Esto nos ayudaría a entender si la aparición de la vida es determinista y predecible o, por el contrario, resulta más caótica. </p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=212%2C53%2C7726%2C4095&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=212%2C53%2C7726%2C4095&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=282&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=282&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=282&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=355&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=355&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/555340/original/file-20231023-27-sfk4bl.jpg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=355&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">La vida es especial.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/image-illustration/elephant-herd-giraffes-walking-towards-trees-2198008341">jinnawat tawong/Shutterstock</a></span>
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<p>La teoría del ensamblaje podría aplicarse más allá de las moléculas, inspirando estudios sobre otros sistemas que dependen de combinaciones, como agregados de materiales, polímeros o química artificial. Esto podría dar lugar a nuevos conocimientos científicos o innovaciones tecnológicas. Podría revelar patrones sutiles mediante los que las moléculas por encima de un índice de ensamblaje mínimo poseen determinadas propiedades de manera desproporcionada. </p>
<p>También sería posible utilizar la teoría para estudiar la propia evolución. Los investigadores podrían explorar el papel de los fragmentos de células en el proceso de formación de una célula global, surgidos a su vez de moléculas más pequeñas que se combinan para formar aminoácidos y nucleótidos. Rastrear la aparición de redes metabólicas y genéticas de este modo podría ofrecer pistas sobre las transiciones en la historia evolutiva. </p>
<p>Rastrear cómo se ensamblan los objetos exige un seguimiento experimental preciso, pero puede merecer la pena. La teoría del ensamblaje promete una comprensión radicalmente nueva de la materia, con la posibilidad de descubrir principios universales de construcción jerárquica que trascienden la biología.</p>
<p>Las configuraciones complejas de la materia quizá no sean objetos inmutables, sino puntos de referencia en un proceso abierto de construcción que se propaga a través del tiempo. El universo puede obedecer ciertas leyes físicas, pero en última instancia es creativo.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/217017/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Lee Cronin recibe fondos de EPSRC, Templeton Foundation, DARPA, ERC, industry.</span></em></p>La vida parece “emerger” de componentes inertes como las partículas elementales. La nueva teoría del ensamblaje arroja luz sobre este profundo enigma de la ciencia.Lee Cronin, Regius Chair of Chemistry, University of GlasgowLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1787162022-03-30T19:11:07Z2022-03-30T19:11:07ZImanes: desvelando su perturbadora naturaleza<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/451436/original/file-20220310-27-1cpzwal.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=11%2C11%2C7921%2C4222&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">
</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/es/image-photo/red-blue-bar-magnet-physics-magnetic-791214841">ShutterStockStudio</a></span></figcaption></figure><p>Pocos fenómenos naturales despiertan tanta fascinación como un imán. Pruebe a distraer a un niño de su pantalla favorita poniendo a su alcance un par de imanes. Es muy probable que sienta la misma sensación de asombro que refirió Albert Einstein cuando, con cuatro o cinco años, su padre le mostró una brújula. </p>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=870&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=870&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=870&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=1093&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=1093&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/451432/original/file-20220310-27-misz6p.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=1093&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Albert Einstein cuando tenía tres años.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Albert_Einstein_at_the_age_of_three_(1882).jpg">Wikimedia Commons</a></span>
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<p>¿Por qué hay dos polos magnéticos? ¿Por qué si se parte un imán, cada fragmento vuelve a tener dos polos? ¿Puede repetirse esta división indefinidamente? Si se ha hecho alguna vez estas preguntas, quizá no sepa que hemos tardado miles de años en responderlas. </p>
<p>Dos décadas después de sentir aquella fascinación infantil, ese mismo niño, Albert Einstein, contribuyó a desarrollar los dos grandes pilares de la Física, la Mecánica Cuántica para lo pequeño y la Teoría de la Relatividad para lo grande, que nos han permitido entender el mundo y, también, comprender cómo funciona un imán. </p>
<h2>Buscando el imán más pequeño</h2>
<p>El camino que conduce hacia la comprensión del magnetismo es digno de una novela de misterio. Durante siglos deambuló entre efluvios y escuelas animistas que otorgaban alma a la magnetita. </p>
<p>La íntima relación entre magnetismo y electricidad comenzó a aclararse en el siglo XVII. En 1681, por ejemplo, un barco tuvo que navegar hacia Boston siguiendo el sur de su brújula, después de que los marineros de la nave comprobaran cómo un rayo había invertido los polos de la aguja magnética. </p>
<p>Casi siglo y medio después, en 1820, <a href="https://dbe.rah.es/biografias/37104/francois-jean-dominque-arago">François Arago</a>, científico y político francés, demostró finalmente que una corriente eléctrica se comporta como un imán. </p>
<p>En 1874, <a href="https://ahombrosdegigantescienciaytecnologia.wordpress.com/2016/07/05/historias-del-electron-stoney/">G. Johnstone Stoney</a> propuso que la electricidad se transmite en unidades discretas o electrones, y solo unas décadas después se forjó el gran edificio conceptual del mundo microscópico que denominamos Mecánica Cuántica. En él, los electrones son partículas elementales portadoras de carga eléctrica. </p>
<p>A pesar de carecer de estructura interna, pronto se postuló que un electrón se comporta como un minúsculo imán, el más pequeño posible. Esta propiedad intrínseca se asocia pictóricamente a una rotación o espín de la partícula en dos sentidos posibles, que se describen con una flecha apuntando en dos direcciones que denominamos estados arriba y abajo. </p>
<p>Hoy sabemos que todas las partículas elementales tienen espín, y que cuando el número de estados es mayor que uno se comportan como diminutos imanes. Es “como si” esta multiplicidad de estados fuera equivalente a que la carga de las partículas tuviera un movimiento intrínseco, creador del imán. </p>
<p>Pero lo que no sabíamos, hasta ahora, es por qué inquietante razón estas partículas se alinean de un modo u otro.</p>
<h2>Lo grande es necesario para entender lo pequeño</h2>
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<a href="https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=1000&fit=clip"><img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=237&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=749&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=749&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=749&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=942&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=942&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/451433/original/file-20220310-17-16p8t23.jpeg?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=942&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px"></a>
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<span class="caption">Paul Dirac hacia 1930.</span>
<span class="attribution"><a class="source" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Paul_Dirac,_1933,_head_and_shoulders_portrait,_bw.jpg">Wikimedia Commons / Cambridge University, Cavendish Laboratory</a></span>
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<p>En uno de los mayores golpes de efecto de la historia de la Ciencia, Paul Dirac demostró en 1928 que el espín del electrón y la magnitud de su diminuto imán surgían de manera natural al integrar la Teoría de la Relatividad de Einstein con la Mecánica Cuántica: ¡la Ciencia de lo más grande al auxilio de la de lo más pequeño! El resto, parafraseando también a Dirac, “es solo cálculo”. </p>
<p>Así, los espines de los diferentes electrones de un átomo, molécula, o cristal de magnetita interactúan siguiendo las rígidas y contraintuitivas leyes de la Mecánica Cuántica. Si se alinean paralelamente, los diminutos imanes electrónicos se refuerzan, y tenemos un imán permanente. Si se orientan aleatoriamente o si se alinean antiparalelamente, los imanes individuales se cancelan. </p>
<p>Una de esas rígidas leyes, que configura como ninguna otra el mundo que observamos, es el llamado <a href="https://www.youtube.com/watch?v=NLsOWEnG-oE">principio de exclusión de Pauli</a>, formulado por Wolfgang Pauli en 1925. Establece que no podemos situar en el mismo lugar del espacio dos partículas idénticas que tengan un número par de estados de espín. No podremos tener dos electrones arriba en el mismo lugar, pero sí uno arriba y otro abajo. </p>
<p>De esta forma, los electrones del mismo espín parecen repelerse intensísimamente. Todos comprobamos estas repulsiones de Pauli diariamente. Son las que impiden que atravesemos una pared cual fantasmas, y las que determinan, como hemos mostrado recientemente, <a href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cp/d1cp03485e">cómo se acoplan los imanes elementales en una molécula</a>, contribuyendo así a desvelar una de las incógnitas científicas del magnetismo.</p>
<h2>En las entrañas de los imanes moleculares</h2>
<p>A pesar de que “solo” tenemos que resolver las ecuaciones de la Mecánica Cuántica para predecir si los diferentes espines de un material se reforzarán constructivamente o no, ni siquiera los computadores más potentes disponibles permiten encontrar soluciones suficientemente precisas. </p>
<p>Por esta razón, los químicos y los físicos utilizamos modelos simplificados. Con ellos hemos diseñado todos los dispositivos magnéticos modernos y sintetizado moléculas extraordinarias que se comportan como imanes permanentes. Manipulando imanes moleculares podemos soñar con lápices de memoria de inimaginable capacidad o con futuros computadores cuánticos. </p>
<p>El caso más simple, y por eso mejor estudiado, es el de moléculas que contienen dos centros magnéticos, por ejemplo dos átomos metálicos. La labor conjunta del químico sintético y del químico teórico consiste en predecir qué entorno deben tener estos dos átomos para que sus respectivos espines se refuercen, o por el contrario se anulen. En muchos casos <a href="https://www.nature.com/articles/s41578-019-0146-8">este acoplamiento puede “sintonizarse”</a> y hacerse dependiente de la temperatura, o de la iluminación del sistema con luz de un determinado color.</p>
<h2>Resuelta una disputa científica de décadas</h2>
<p>Puesto que la Ciencia es una empresa humana, cuando viajamos desde las ecuaciones hasta los modelos, mentes diferentes pueden llegar a modelos divergentes, que terminan aunando partidarios y adversarios. Este partidismo científico, de naturaleza similar al político, puede durar años o décadas, y ha sido particularmente intenso en el campo del magnetismo molecular. </p>
<p>La controversia suele resolverse cuando un nuevo modelo integrador zanja la disputa, normalmente demostrando que las diversas corrientes no son más que esquinas particulares de una realidad más general. Pues bien, lo que acabamos de demostrar es que son las barreras de Pauli creadas por los electrones que puentean los átomos metálicos las que determinan el tipo de alineamiento de sus espines. </p>
<p>Cómo ocurre esto puede entenderse con una analogía. Asociemos a cada una de las posibilidades del espín electrónico un color, rojo y azul, por ejemplo. Supongamos que los electrones odian tener compañeros del mismo color (repulsión de Pauli). Ahora imaginemos dos electrones lejanos, que no distinguen el color de su vecino. Las combinaciones rojo-rojo y rojo-azul son equivalentes. Pongamos ahora, a mitad de camino entre estos dos electrones, una nueva pareja compuesta por un electrón rojo y otro azul, cuyo color ya sí distinguen los anteriores. Sea cual sea la disposición de estos dos electrones intermedios, rojo y azul o azul y rojo, los electrones iniciales escogerán colores diferentes. La repulsión de Pauli ha favorecido un alineamiento antiparalelo de los dos electrones.</p>
<p>Todos hemos experimentado cómo, tras superar una colina y alcanzar una cumbre más alta, se desvelan nuevos paisajes invisibles desde el anterior lugar de observación. Esperamos que desde la nueva atalaya recién encontrada se abran vías aún inexploradas para diseñar nuevos imanes moleculares.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/178716/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Ángel Martín Pendás recibe fondos del Ministerio de Ciencia e Innovación, proyecto PGC2018-095953-B-I00, y de la FICyT, proyecto IDI/2021/000054</span></em></p>A pesar de que su existencia es conocida desde hace milenios, aún quedan cosas por aclarar sobre cómo actúan los imanes. Algunos conceptos nuevos proceden de la física cuántica.Ángel Martín Pendás, Profesor de Química Física, Universidad de OviedoLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1746602022-01-12T21:33:36Z2022-01-12T21:33:36Z¿Por qué es tan importante el descubrimiento de nuevas moléculas?<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/440314/original/file-20220111-18741-j2pcjo.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=17%2C25%2C5734%2C3802&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">
</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/es/image-photo/network-cloud-hand-1169464222">Shutterstock / nepool</a></span></figcaption></figure><p>En 2016, los investigadores Ben Feringa, Fraser Stoddart y Jean-Pierre Savage recibieron el <a href="https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/sauvage/facts/">Premio Nobel de química</a> “por el diseño y la síntesis de máquinas moleculares”. Las máquinas moleculares son entidades nanométricas basadas en moléculas que pueden realizar movimientos controlados al ser estimulados con una fuente de energía (calor, pH, luz). Este descubrimiento tiene consecuencias muy importantes en el desarrollo de nuevas tecnologías, ya que, si hay un proceso asociado al desarrollo tecnológico en el siglo XXI, sin duda este es el de la miniaturización.
Las máquinas moleculares son los dispositivos tecnológicos más pequeños que se pueden construir, de modo que su diseño racional (que está dirigido a que posteriormente cumpla la función para la que fue diseñada) constituye uno de los grandes retos para un investigador químico.</p>
<h2>El enlace mecánico</h2>
<p>La raíz de los trabajos de Feringa, Stoddart y Savage se encuentra en lo que actualmente se conoce como enlace mecánico. Normalmente, las moléculas están constituidas por asociaciones de átomos que están unidos por enlaces covalentes, es decir, por compartición de electrones. Los enlaces mecánicos se establecen cuando dos o más moléculas se entrelazan, como consecuencia de su topología. </p>
<p>La existencia de enlaces mecánicos permite que los componentes de la molécula se puedan mover uno con respecto al otro, facilitando así el movimiento que la convierte en una máquina molecular. Por ejemplo, un ‘catenano’ (Figura 1) está formado por dos (o más) componentes cíclicos que se entrelazan del mismo modo que lo hacen dos eslabones consecutivos en una cadena. La existencia del enlace mecánico permite que uno de los componentes (eslabón) pueda girar con respecto al otro. </p>
<p>Junto con los catenanos, los rotaxanos y los nudos moleculares constituyen los tres tipos de <a href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9783527613724">moléculas entrelazadas mecánicamente</a> que se conocen hasta la fecha (Figura 1). Estos tres tipos de moléculas tienen en común que se basan en estructuras cíclicas, ya que se puede intuir que son los sistemas cerrados los que dan con más facilidad estructuras entrelazadas.</p>
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<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/440071/original/file-20220110-19-eux8vf.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/440071/original/file-20220110-19-eux8vf.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=155&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/440071/original/file-20220110-19-eux8vf.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=155&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/440071/original/file-20220110-19-eux8vf.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=155&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/440071/original/file-20220110-19-eux8vf.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=194&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/440071/original/file-20220110-19-eux8vf.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=194&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/440071/original/file-20220110-19-eux8vf.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=194&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Figura 1. Representación de los diferentes tipos de moléculas entrelazadas con enlaces mecánicos. / Eduardo Peris.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Author provided</span></span>
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<h2>Cuerpos a escala nanométrica</h2>
<p>El desarrollo de esta nueva ingeniería de moléculas constituye hoy en día un campo en continuo avance ya que el número de moléculas susceptibles de formar topologías moleculares sofisticadas es casi inimaginable. El desarrollo de nuevas máquinas moleculares proporciona un escenario comparable a la extraordinaria versatilidad que tendríamos para diseñar puzles o arquitecturas tridimensionales combinando piezas de Lego. Precisamente, <a href="https://www.britannica.com/biography/J-Fraser-Stoddart">Fraser Sttodart</a>, sin duda uno de los máximos exponentes en el diseño de máquinas moleculares, relata su adicción a los puzles durante su infancia, y cómo esto potenció su creatividad a la hora de diseñar ensamblajes moleculares </p>
<p>Algunas moléculas entrelazadas mecánicamente similares a las que se muestran en la Figura 1 se han utilizado para construir ensamblajes moleculares asombrosos que simulan el proceso ejecutado por un <a href="https://www.science.org/doi/10.1126/science.1094791">ascensor molecular</a>, la <a href="https://www.nature.com/articles/nnano.2012.239">contracción de un músculo</a> o un <a href="https://www.nature.com/articles/nature10587">nanocoche en movimiento</a>. Todo esto, con la singularidad de operar en la escala nanométrica. </p>
<p>En este contexto, la preparación de estructuras entrelazadas mecánicamente más complejas debería permitir que la molécula pudiera realizar un mayor número de movimientos a través de los enlaces mecánicos y, por tanto, que sea capaz de realizar funciones cada vez más sofisticadas. </p>
<p>Por todo lo anterior, diseñar nuevos tipos de moléculas entrelazadas mecánicamente y, sobre todo, encontrar nuevas topologías moleculares es de gran importancia para acelerar el desarrollo de este nuevo campo de investigación química. Así se conseguiría, eventualmente, abrir la ventana a nuevas aplicaciones tecnológicas. </p>
<h2>Nueva topología molecular con componentes no cíclicos</h2>
<p>En la búsqueda de nuevas moléculas con características compatibles para la formación de enlaces mecánicos, nuestro grupo de la Universitat Jaume I ha diseñado un nuevo tipo de molécula entrelazada mecánicamente basada en la asociación de dos moléculas en forma de pinza o clip (Figura 2). </p>
<p>Cuando estas moléculas se entrelazan entre sí, forman una novedosa topología molecular que hemos bautizado con el nombre de <a href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202112513">clipanos</a> (ver Figura 2). Cabe destacar que, mientras que las topologías moleculares conocidas hasta el momento (catenano, rotaxano y nudos moleculares) se basan en estructuras cíclicas, lo singular de clipano es que está formado por dos componentes abiertos (no cíclicos), en forma de clip. </p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/440072/original/file-20220110-17-str69h.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/440072/original/file-20220110-17-str69h.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=309&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/440072/original/file-20220110-17-str69h.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=309&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/440072/original/file-20220110-17-str69h.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=309&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/440072/original/file-20220110-17-str69h.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=388&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/440072/original/file-20220110-17-str69h.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=388&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/440072/original/file-20220110-17-str69h.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=388&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Figura 2. Representación esquemática de pinza (o clip molecular) y clipano. / Eduardo Peris.</span>
<span class="attribution"><span class="license">Author provided</span></span>
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<p>Para que se produzca el enlace mecánico, los componentes del clipano deben estar en perfecta sintonía en términos de tamaño, forma y posición de grupos funcionales a lo largo de su esqueleto molecular, lo que implica un gran esfuerzo en el diseño y en el ajuste del procedimiento sintético. </p>
<p>El hecho de que esta molécula no se pudiera imaginar hasta ahora abre un abanico de posibilidades amplísimo, con aplicaciones que hoy somos incapaces de imaginar. <a href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202112513">Los resultados</a>, que se han publicado en la prestigiosa revista química <em>Angewandte Chemie International Edition</em>, han tenido un gran eco mediático en la comunidad científica, e incluso han sido destacados en la revista Science.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/174660/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Las personas firmantes no son asalariadas, ni consultoras, ni poseen acciones, ni reciben financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y han declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado anteriormente.</span></em></p>Diseñar nuevos tipos de moléculas es de gran importancia para abrir la ventana a nuevas aplicaciones tecnológicas.Eduardo Peris Fajarnés, Catedrático de Universidad. Química Inorgánica, Universitat Jaume ICristian Vicent Barrera, Técnico de soporte a la investigación, Universitat Jaume ISusana Ibáñez Maella, Investigadora en Química, Universitat Jaume ILicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.tag:theconversation.com,2011:article/1111212019-04-03T20:31:47Z2019-04-03T20:31:47ZEstos imanes quieren revolucionar la computación (pero la física cuántica no les deja)<figure><img src="https://images.theconversation.com/files/266800/original/file-20190401-177193-tup3wo.jpg?ixlib=rb-1.1.0&rect=0%2C0%2C4405%2C2927&q=45&auto=format&w=496&fit=clip" /><figcaption><span class="caption">El Teide (Tenerife).</span> <span class="attribution"><a class="source" href="https://www.shutterstock.com/es/image-photo/mt-teide-volanoe-tennerife-667998598">Shutterstock</a></span></figcaption></figure><p>Lejos quedan los disquetes que se utilizaban hace años como dispositivos de almacenamiento de información. Todos disponemos ya de memorias USB no más grandes que nuestro pulgar, capaces de almacenar miles de fotos e incluso películas. El salto ha sido tremendo, cuando no han pasado ni cincuenta años desde la comercialización de esta tecnología.</p>
<p>Si algo caracteriza al ser humano son las ganas de buscar siempre algo más y mejor. Hoy hablamos de guardar información en una <em>nube</em>, un espacio que no es físico sino virtual. Aun así, el formato físico también avanza a pasos agigantados. Los discos duros son claro ejemplo de ello: ya tienen la capacidad de más de un millón de disquetes juntos.</p>
<h2>¿Cómo funciona un disco duro?</h2>
<p>Al igual que los ordenadores, los discos duros trabajan con el lenguaje binario, el 1 y el 0. Si observáramos su interior con un microscopio muy potente, veríamos que contienen granos de <a href="https://volga.eng.yale.edu/teaching-resources/hard-drives/methods-and-materials">aleaciones metálicas</a> no mayores que unas decenas de nanómetros (1 metro = 1 000 000 000 nanómetros). Estos, junto con otros granos a su alrededor, crean <em>dominios magnéticos</em> independientes. Cada uno de ellos puede almacenar la información de un bit en forma de un 1 o de un 0.</p>
<p>Esto quiere decir que si el <em>momento magnético</em> (la fuerza que ejerce un imán sobre una corriente eléctrica) de un dominio está orientado en un sentido guardará una información determinada (por ejemplo, 1). Si está orientado en el sentido opuesto guardará la otra (en este caso, 0). </p>
<p>Por lo tanto, cuanto menor sea el tamaño del dominio (es decir, menos granos lo compongan), mayor cantidad podrá haber en un mismo espacio, y mayor potencial tendrá el dispositivo.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/259962/original/file-20190220-148509-1sh7nn7.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/259962/original/file-20190220-148509-1sh7nn7.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/259962/original/file-20190220-148509-1sh7nn7.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/259962/original/file-20190220-148509-1sh7nn7.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=338&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/259962/original/file-20190220-148509-1sh7nn7.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/259962/original/file-20190220-148509-1sh7nn7.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/259962/original/file-20190220-148509-1sh7nn7.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=424&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">Cómo los granos se combinan para formar un dominio magnético con una u otra orientación.</span>
</figcaption>
</figure>
<h2>La nueva generación de imanes moleculares</h2>
<p>Con el afán de construir dominios todavía más diminutos, entraron en juego las moléculas discretas. La posibilidad de almacenar la información de un bit en una única molécula es fascinante, ya que estos no suelen tener un diámetro muy superior a los 10 Å (1 nm). Fue en este contexto donde se diseñó el primer <em>imán molecular</em> (del inglés <em>Single Molecule Magnet</em>, <em>SMM</em>).</p>
<p>A diferencia del resto de moléculas, estos materiales son capaces de guardar información. Al aplicarles un campo magnético, su momento se puede orientar en un sentido u otro. Por tanto, dependiendo de ello, guardará la información de 1 o 0.</p>
<p>La comparación con los materiales convencionales habla por sí sola. En este <a href="https://www.nature.com/news/magnetic-hard-drives-go-atomic-1.21599">artículo de <em>Nature</em></a> se explica que hacen falta un millón de átomos para obtener un bit. En cambio, el mejor imán molecular tan solo requiere unos cien.</p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/259965/original/file-20190220-148509-1j8stq1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/259965/original/file-20190220-148509-1j8stq1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=221&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/259965/original/file-20190220-148509-1j8stq1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=221&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/259965/original/file-20190220-148509-1j8stq1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=221&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/259965/original/file-20190220-148509-1j8stq1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=277&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/259965/original/file-20190220-148509-1j8stq1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=277&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/259965/original/file-20190220-148509-1j8stq1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=277&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">La orientación del imán molecular determina el valor 1 o 0.</span>
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</figure>
<p>Sin embargo, hay un problema en todo esto. Para que la información no se pierda, una vez se elimine el campo empleado para orientar el momento magnético, el material debe preservar su orientación. De hecho, es esta característica la que define a los <em>SMMs</em>. La cuestión es que esto solo ocurre a temperaturas extremadamente bajas (-193 °C, en el mejor de los casos). Por lo tanto, en estos momentos su uso no es rentable.</p>
<h2>El mundo cuántico</h2>
<p>Como sabemos, la física todavía no ha podido establecer una teoría del todo que explique a la vez los fenómenos que ocurren en el mundo microscópico y en el macroscópico. En estos imanes moleculares ocurren fenómenos que nunca podríamos imaginar en nuestro mundo, fenómenos como el túnel cuántico.</p>
<p>Este es el principal responsable de que los materiales operen solo a bajas temperaturas. Cuando el momento magnético está orientado en un sentido, este se queda bloqueado y necesita de energía para poder cambiar de sentido. Sin embargo, el mundo cuántico ofrece atajos que no requieren de energía.</p>
<p>Para poder entenderlo de una manera más sencilla utilicemos el siguiente ejemplo con dos municipios y una montaña: </p>
<p>Mientras que el estar en Fasnia (municipio de Santa Cruz de Tenerife) es el equivalente al 1, estar en Santiago de Tenerife (otro municipio de Santa Cruz de Tenerife) es el equivalente al 0. Si en medio de ambos no estuviese el Teide, apenas se necesitaría de energía para pasar de uno a otro. </p>
<p>Pero en un imán molecular sí existe el Teide. </p>
<p>Como resultado, el momento magnético se bloquea en uno de los dos municipios guardando la información del 1 o del 0 y, debido a la presencia del Teide, no puede pasar al otro, ya que requiere de más energía para cruzar el monte. </p>
<figure class="align-center ">
<img alt="" src="https://images.theconversation.com/files/259966/original/file-20190220-148517-10kq2p1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip" srcset="https://images.theconversation.com/files/259966/original/file-20190220-148517-10kq2p1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=600&h=312&fit=crop&dpr=1 600w, https://images.theconversation.com/files/259966/original/file-20190220-148517-10kq2p1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=600&h=312&fit=crop&dpr=2 1200w, https://images.theconversation.com/files/259966/original/file-20190220-148517-10kq2p1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=600&h=312&fit=crop&dpr=3 1800w, https://images.theconversation.com/files/259966/original/file-20190220-148517-10kq2p1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=45&auto=format&w=754&h=393&fit=crop&dpr=1 754w, https://images.theconversation.com/files/259966/original/file-20190220-148517-10kq2p1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=30&auto=format&w=754&h=393&fit=crop&dpr=2 1508w, https://images.theconversation.com/files/259966/original/file-20190220-148517-10kq2p1.png?ixlib=rb-1.1.0&q=15&auto=format&w=754&h=393&fit=crop&dpr=3 2262w" sizes="(min-width: 1466px) 754px, (max-width: 599px) 100vw, (min-width: 600px) 600px, 237px">
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<span class="caption">El túnel cuántico permite evitar un alto coste energético.</span>
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<p>No obstante, tal y como hemos mencionado, el mundo microscópico posee fenómenos cuánticos. El momento magnético es capaz de pasar desde Fasnia a Santiago de Tenerife por medio de un túnel que pasa por debajo del Teide: el <em>túnel cuántico</em>.</p>
<p>Este tipo de fenómenos son los responsables de que no se puedan emplear imanes moleculares en la producción de dispositivos de almacenamiento de información, pero poco a poco vamos conociendo cómo evitar los túneles que perforan los montes.</p><img src="https://counter.theconversation.com/content/111121/count.gif" alt="The Conversation" width="1" height="1" />
<p class="fine-print"><em><span>Las personas firmantes no son asalariadas, ni consultoras, ni poseen acciones, ni reciben financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y han declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado anteriormente.</span></em></p>Los imanes moleculares permitirían almacenar bits en un espacio mucho menor, pero hasta ahora no se ha logrado fabricar uno que resulte rentable.Andoni Zabala Lekuona, Doctorando de Química, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko UnibertsitateaJose Manuel Seco Botana, Profesor Agregado Química Inorgánica, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko UnibertsitateaLicensed as Creative Commons – attribution, no derivatives.