A finales del siglo XIX, poca gente sabía con exactitud a qué se dedicaban los “físicos”.  El término mismo era relativamente nuevo.  En Cambridge, la física se enseñaba como parte del grado de matemáticas.

En este sistema no había espacio para la investigación: se consideraba que la física era una rama de las matemáticas y lo que se le enseñaba a los estudiantes era como resolver problemas.

En la década de 1.870, la competencia económica que mantenían Alemania, Francia, Estados Unidos, y Gran Bretaña se intensificó.  Las Universidades se ampliaron y se construyó un Laboratorio de física experimental en Berlín.

Cambridge sufrió una reorganización. William Cavendish, el séptimo duque de Devonshire, un terrateniente y un industrial, cuyo antepasado Henry Cavendish había sido una temprana autoridad en teoría de la gravitación, accedió a financiar un Laboratorio si la Universidad prometía fundar una cátedra de física experimental.  Cuando el laboratorio abrió, el duque recibió una carta en la que se le informaba (en un elegante latín) que el Laboratorio llevaría su nombre.

                      Primer profesor J. J. Thomson como director del laboratorio

Tras intentar conseguir sin éxito atraer primero a William Thomson, más tarde a lord Kelvin (quien entre otras cosas, concibió la idea del cero absoluto y contribuyó a la segunda ley de la termodinámica) y después a Hermann von Helmohltz, de Alemania (entre cuyas decenas de ideas y descubrimientos destaca una noción pionera del cuanto), finalmente se ofreció la dirección del centro a James Clerk Maxwell, un escocés graduado en Cambridge. Este fue un hecho fortuito, pero Maxwell terminaría convirtiéndose en lo que por lo general se considera el físico más destacado entre Newton y   Einstein.  Su principal aportación fue, por encima de todo, las ecuaciones matemáticas que permiten entender perfectamente la electricidad y el magnetismo.  Estas explicaban la naturaleza de la luz, pero también condujeron al físico alemán Heinrich Hertz a identificar en 1.887, en Karlsruhe, las ondas electromagnéticas que hoy conocemos como ondas de radio.

En el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Cockcroft y Walton construyeron este acelerador de 500 kilovolts en 1932. Si lo comparamos con el LHC del CERN nos podemos dar cuenta de cómo la Ciencia ha ido avanzando en relativamente tan poco tiempo y, desde entonces hemos alcanzado un nivel que nos permite trabajar con 14 TeV, una energía de todo punto imposible e impensable en aquellos primeros tiempos.

Maxwell también creó un programa de investigación en Cavendish con el propósito de idear un estándar preciso de medición eléctrica, en particular la unidad de resistencia eléctrica, el ohmio.  Esta era una cuestión de importancia internacional debido a la enorme expansión que había experimentado la telegrafía en la década de 1.850 y 1.860, y la iniciativa de Maxwell no solo puso a Gran Bretaña a la vanguardia de este campo, sino que también consolidó la reputación del Laboratorio Cavendish como un centro en el que se trataban problemas prácticos y se ideaban nuevos instrumentos.

Maxwell murió en 1.879 y le sucedió lord Rayleigh, quien continuó su labor, pero se retiró después de cinco años y, de manera inesperada, la dirección pasó a un joven de veintiocho años, Joseph John Thomson, que a pesar de su juventud ya se había labrado una reputación en Cambridge como un estupendo físico-matemático.  Conocido universalmente como J.J., puede decirse que Thomson fue quien dio comienzo a la segunda revolución científica que creó el mundo que conocemos.

              Ernest Rutherford

Se dedicó al estudio de las partículas radioactivas y logró clasificarlas en alfaa (α), beta  (β) y gamma (γ). Halló que la radiactividad iba acompañada por una desintegración de los elementos, lo que le valió ganar el Premio Nobel de Química de 1908. Se le debe un modelo atómico con el que probó la existencia de núcleol en los átomos, en el que se reúne toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo.  Consiguió la primera transmutación artificial con la colaboración de su discípulo Frederick Soddy.

  Henry Cavendish en su Laboratorio

La primera revolución científica comenzó con los descubrimientos de Copérnico, divulgados en 1.543, y los de Isaac Newton en 1.687 con su Gravedad y su obra de incomparable valor Principia Matemática, a todo esto siguió los nuevos hallazgos en la Física, la biología y la psicología.

Pero fue la Física la que abrió el camino.  Disciplina en permanente cambio, debido principalmente a la forma de entender el átomo (esa sustancia elemental, invisible, indivisible que Demócrito expuso en la Grecia antigua).

            John Dalton

En estos primeras décadas del siglo XIX, químicos como John Dalton se habían visto forzados a aceptar la teoría de los átomos como las unidades mínimas de los elementos, con miras a explicar lo que ocurría en las reacciones químicas (por ejemplo, el hecho de que dos líquidos incoloros produjeran, al mezclarse, un precipitado blanco).  De forma similar, fueron estas propiedades químicas y el hecho de que variaran de forma sistemática, combinada con sus pesos atómicos, lo que sugirió al ruso Dimitri Mendeleyev la organización de la Tabla Periódica de los elementos, que concibió jugando, con “paciencia química”, con sesenta y tres cartas en su finca de Tver, a unos trescientos kilómetros de Moscú.

Pero además, la Tabla Periódica, a la que se ha llamado “el alfabeto del Universo” (el lenguaje del Universo), insinuaba que existían todavía elementos por descubrir.

         Dimitri Mendeléiev en 1897

La tabla de Mendeleyev encajaba a la perfección con los hallazgos de la Física de partículas, con lo que vinculaba física y química de forma racional: era el primer paso hacia la unificación de las ciencias que caracterizaría el siglo XX.

En Cavendish, en 1.873, Maxwell refinaría la idea de átomo al introducir la idea de campo electromagnético (idea que tomó prestada de Faraday), y sostuvo que éste campo “impregnaba el vacío” y la energía eléctrica y magnética se propagaba a través de él a la velocidad de la luz.  Sin embargo, Maxwell aún pensaba en el átomo como algo sólido y duro y que, básicamente, obedecían a las leyes de la mecánica.

El problema estaba en el hecho de que, los átomos, si existían, eran demasiado pequeños para ser observados con la tecnología entonces disponible.

Esa situación empezaría a cambiar con Max Planck, el físico alemán que, como parte de su investigación de doctorado, había estudiado los conductores de calor y la segunda ley termodinámica, establecida originalmente por Rudolf  Clausius, un físico alemán nacido en Polonia, aunque lord Kelvin también había hecho algún aporte.

           El joven Max Planck

Clausius había presentado su ley por primera vez en 1.850, y esta estipulaba algo que cualquiera podía observar, a saber, que cuando se realiza un trabajo la energía se disipaba convertida en calor y que ese calor no puede reorganizarse en una forma útil.  Esta idea, que por lo demás parecería una anotación de sentido común, tenía consecuencias importantísimas.

Dado que el calor (energía) no podía recuperarse, reorganizarse y reutilizarse, el Universo estaba dirigiéndose gradualmente hacia un desorden completo:

                                                                        cántaro roto…

Una casa que se desmorona nunca se reconstruye así misma, una botella rota nunca se recompone por decisión propia.  La palabra que Clausius empleó para designar este fenómeno o desorden irreversible y creciente fue “entropía”: su conclusión era que, llegado el momento, el Universo moriría.

En su doctorado, Planck advirtió la relevancia de esta idea.  La segunda ley de la termodinámica evidenciaba que el tiempo era en verdad una parte fundamental del Universo, de la física.  Sea lo que sea, el tiempo es un componente básico del mundo que nos rodea y se relaciona con la materia de formas que todavía no entendemos.

La noción de tiempo implica que el Universo solo funciona en un sentido, hacia delante, nunca se está quieto ni funciona hacia atrás, la entropía lo impide, su discurrir no tiene marcha atrás. ¿No será nuestro discurrir lo que siempre marcha hacia delante, y, lo que tenemos por tiempo se limita a estar ahí?

En el Laboratorio Cavendish, me viene a la memoria que fue allí, donde Thomson, en 1.897, realizó el descubrimiento que vino a coronar anteriores ideas y trabajos de Benjamín Franklin, Euge Goldstein, Wilhelm Röntgen, Henri Becquerel y otros.  El descubrimiento del electrón convirtió a la física moderna en una de las aventuras intelectuales más fascinantes e importantes del mundo contemporáneo.

              Thomson descubrió el electrón.

Los “corpúsculos”, como Thomson denominó inicialmente a estas partículas, hoy conocidas como electrones, condujo de forma directa al trascendental avance realizado una década después por Ernest  Rutherford, quien concibió el átomo como una especie de “sistema solar” en miniatura, con los electrones diminutos orbitando alrededor de un núcleo masivo como hacen los planetas alrededor del Sol.  Rutherford demostró experimentalmente lo que Einstein  había descubierto en su cabeza y revelado en su famosa ecuación, E = mc² (1905), esto es que la materia y la energía eran esencialmente lo mismo.

Todo aquello fue un gran paso en la búsqueda del conocimiento de la materia.  El genio, la intuición y la experimentación han sido esenciales en la lucha del ser humano con los secretos, bien guardados, de la N

No podemos olvidar que, si aquel pasado no tendríamos este Presente.

emilio silvera

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El físico Pablo Jarillo. Fundación BBVA

El grafeno entró en la vida de Pablo Jarillo-Herrero (Valencia, 1976) en 2005, recién doctorado en Física por la Universidad Tecnológica de Delft (Holanda). “Me pareció un material tan bonito que lo tuve que investigar”, explica este licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Valencia.

Flash-forward a 2012, cuando su investigación le hace merecedor del galardón más prestigioso que concede el gobierno estadounidense para jóvenes investigadores, el Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers. Jarillo recibe un millón de dólares como financiación y estrecha en persona la mano a Barack Obama en la Casa Blanca.

Un pequeño salto adelante más en esta vertiginosa carrera: es 2018 y Jarillo, al frente de su equipo del Instituto Tecnológico de Massachusets (MIT), revoluciona el ya de por sí pródigo campo del grafeno: han descubierto que, superponiendo dos láminas de este material y girándolas en lo que coloquialmente llaman el ‘angulo mágico’, adquiere una nueva y codiciada capacidad: la superconductividad.

Los materiales superconductores permiten transmitir electricidad sin pérdidas, como sufren incluso los conductores comunes más eficaces como el cobre. Una red eléctrica que usase la energía al 100% abre la puerta a un mundo más eficiente, pero hay un problema: solo funciona hoy en día solo a temperaturas de frío extremo, muy por debajo del cero.

El reto de una superconductividad a altas temperaturas, o a temperatura ambiente, ha centrado la XXVI edición de la Escuela de Verano ‘Nicolás Cabrera’ organizada por la Fundación BBVA y en la que Jarillo participa como ponente.

Teniendo en cuenta lo reciente que es el campo del grafeno y lo joven que es usted, cabe pensar que tienen, mano a mano, décadas de descubrimiento por delante.

Sí, yo creo que sí [ríe]. El descubrimiento de la superconductividad del grafeno ha generado un nuevo campo y mucho entusiasmo, no solo en mi grupo sino en laboratorios de todo el mundo. Yo creo que sí, que va a dar para décadas de investigación. Es bastante complejo, no creo que lo entendamos demasiado pronto [ríe].

El reto que se aborda ahora es el de la superconductividad a temperatura ambiente.

Claro, la superconductividad que hemos descubierto es a baja temperatura. Para temperatura ambiente ya existe un material, pero lo hace bajo condiciones extremas de presión. No tiene ninguna posibilidad de aplicación, por lo que se buscan materiales que sean superconductores y se pueda hacer algo con ellos.

Porque, retrotrayéndonos a la historia del grafeno, todo comienza con el estudio del grafito, el mismo de la mina de un lápiz.

Exacto. En el año 2004, dos científicos rusos que trabajaban entre Holanda e Inglaterra descubrieron que, si tienes grafito, puedes aislar una sola capa. Eso es el grafeno. Y tiene unas propiedades electrónicas muy inusuales. A partir de ahí muchísima gente se puso a investigarlo. Se habían descubierto muchas características peculiares, únicas y extraordinarias, pero no un comportamiento emblemático de los materiales como es la superconductividad. El descubrimiento que nosotros hicimos el año pasado es que si tú pones dos capas una encima de la otra y la rotas un pequeño ángulo, solo un grado, resulta que puede superconducir. Fue una sorpresa total.

A esta técnica le ha puesto un nombre fantástico: twistrónica.

[Ríe] Efectivamente, twistronics, de twist, rotar… como hacer un Twist.

Y esto da prueba de las propiedades increíbles del grafeno: se estira, se dobla, se modifica…

En la historia de la ciencia de materiales, nunca antes se había podido “girar” un ángulo entre dos estructuras bidimensionales cristalinas. Un material tridimensional crece con la estructura en función de su naturaleza. Y un semiconductor, como el transistor de un teléfono móvil, está hecho de arseniuro de galio, y solo puede crecer por la superposición de capas alineadas. Pero al descubrir los materiales bidimensionales, podemos poner dos láminas e inclinarlas en el ángulo que queramos. Y entonces puede adquirir propiedades que no tenía originalmente. El grafeno no era superconductor y ahora superconduce, y no solo eso: yo puedo aplicarle un voltaje para convertirlo en aislante, en un metal, hacer mogollón de cosas.

¿El ‘ángulo mágico’ se puede usar como interruptor entre distintas funciones del grafeno?

Sí. Desde el punto de vista ingenieril, lo que hemos hecho es un trasistor-superconductor: una cosa que la puedes poner en estado superconductor o en estado aislante, eléctricamente, como un switch. El ‘ángulo mágico’ ha sido lo primero que ha conseguido hacer algo así, y por eso hay tanta gente entusiasmada.

Porque las expectativas sobre el grafeno van desde su uso en la ropa a chips para la computación cuántica…

Yo creo que ahí se han creado expectativas poco realistas. Sobre todo de cuándo va a ocurrir, si es que ocurre alguna vez. Me puedo imaginar lo de incorporar electrónica flexible a los tejidos gracias a los materiales bidimensionales. Pero el grafeno no va a reemplazar al silicio en nuestros ordenadores, porque es muy bueno en lo que hace y hay una gran inversión e inercia detrás. Lo que si podría permitir es tener aplicaciones que no tenemos ahora.

¿Por eso no le gusta llamar al grafeno ‘el material de Dios’, por no crear expectativas desbordantes?

Bueno, es simplemente porque eso no tiene ningún significado. Es añadir un calificativo que no aporta ninguna información.

¿Y cómo lo llamaría usted?

Es un material extraordinario. ¿Puedes decir que es el más fino del mundo? Sí. Nada puede ser más fino que el espesor de un átomo. ¿Es el más fuerte? También. Y el que mejor conduce la electricidad. Hay muchos calificativos. Algunos lo llaman “material superlativo”, que tampoco te dice mucho: significa que, en muchos campos, es “lo más”. Un “supermaterial”, vaya, eso dice un poco más [ríe].

El químico Omar Yaghi, premiado en una edición anterior, lamentaba que la ciencia básica estuviera “bajo ataque”: se penaliza la investigación que no tiene resultados inmediatamente aplicables

Estoy totalmente de acuerdo. Si uno piensa en los orígenes de las mayores revoluciones tecnológicas -la electricidad, la máquina de vapor, el láser-, encontramos físicos, químicos o biólogos que estudiaban por pura curiosidad científica. En muchos casos, las aplicaciones prácticas no llegaron hasta décadas o siglos después. Por poner un ejemplo: los satélites de GPS funcionan con relojes atómicos que se inventaron para investigar propiedades de mecánica cuántica totalmente básicas. Nadie imaginaba que un día permitirían localizar la posición como se puede hacer ahora. La precisión en centímetros se basa en algunos conceptos de la Teoría de la Relatividad General de Einstein, que nadie pensó en su día que serviría para nada.

El MIT capta a los jóvenes talentos

¿En una preocupación también presente en el MIT?

Si uno pone mucha presión en resultados a muy corto plazo, obtiene resultados muy incrementales. Mejoras de tecnología que ya tienes. Avanzas de manera lineal, si es que avanzas. Y es más de lo mismo. Es muy importante que la sociedad sea capaz de tener paciencia. Invertir en conocimiento puro genera a largo plazo mucho más crecimiento. En el MIT lo tienen claro. Pero se nutren sobre todo de fondos federales de investigación. Y el Gobierno de EEUU, como todos los del mundo, presiona por esa inmediatez. La inversión en ciencia básica está decreciendo.

¿Qué percepción hay sobre España, ahora que la ciencia vuelve a tener su Ministerio con un ingeniero e investigador -antes que astronauta- al frente?

Pedro Duque lleva relativamente poco como para ver un cambio significativo. A mi me parece muy normal que la ciencia tenga un Ministerio en sí. España tenía un gran atraso derivado de la dictadura que tuvimos durante 40 años. Volver a subirse al tren costó mucho, y no se han hecho las inversiones que cabría esperar. En algunos sectores hay grupos muy competitivos, pero de media, no estamos al nivel de otros países europeos, de EEUU, Japón o China. Creo que en este país hay menos tradición científica entre la clase gobernante, no entienden el beneficio a largo plazo.

Los presidentes de EEUU se implican personalmente en grandes proyectos científicos: Kennedy y la llegada del hombre a la Luna, Clinton y el genoma humano, Obama y el mapa del cerebro…

Durante la II Guerra Mundial, EEUU juntó un gran equipo de físicos, matemáticos y químicos de prestigio para desarrollar la bomba atómica. Y el poder político se dio cuenta de las ventajas, en este caso militares y con consecuencias lamentables. Pero desde entonces, durante décadas y hasta hace poco, se ha confiado en los científicos y han llegado logros mejores para la Humanidad. El presidente tiene por tradición un comité de asesores científicos y un asesor presidencial de muy alta categoría. Obama se reunía con él cada semana. Tenía al otro lado del teléfono a los expertos que necesitase para tomar decisiones informadas. Es una pena que no exista en España.

Quizás esa tradición en EEUU se traduce en mejores condiciones para su personal investigador.

Pero no solo eso. En EEUU se apuesta mucho por la gente joven, más que en Europa. A mi me dieron un montón de dinero y me dijeron: “Pensamos que tienes buenas ideas, haz lo que te parezca”. Yo creo que hay que apostar por los jóvenes, en general son más innovadores.

¿Se puede hablar de meritocracia? ¿Es más difícil acceder a la universidad pero los excelentes obtienen mayores oportunidades?

¿Más difícil cómo? ¿Económicamente? Sí y no. Cuando solicitas la admisión en el MIT, nadie te pregunta si puedes pagar. Si te admiten, te preguntan: “¿Tienes dinero?” Y si dices que no, no pasa nada: estudias gratis. Si lo tienes, pagas. No pasa en todas partes, solo en los centros que pueden permitírselo, pero yo tengo muchos estudiantes en el MIT que no están pagando ni un dólar. El aspecto de la meritocracia es el que más me gusta. A la gente que tiene ganas y trabaja duro se le intenta dar todas las posibilidades. Nadie te pone techos. En España, lo normal es decirte: “Para el carro, echa el freno”. Cuando estaba en la carrera, comiendo con un profesor, le pregunté por qué no iba a EEUU con los mejores en su campo: “¡Uy¡”, me dijo, “tienes una idea un poco distorsionada. Tú, con llegar aquí, date con un canto en los dientes”.

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