Gabinet de curiositats: 25 Una cullera que desapareix en el te

Una cullera que desapareix en el te, i altres trucs de màgia.

Clic per engrandir. Una cullera de gal·li submergida en te calent es liqua degut al seu punt de fusió
molt baix. Crèdit: RaxPixel.com i vectorpocket, Adobe Stock

En aquest nou capítol de  Gabinet de curiositats, parlarem de culleres, Mendeleiev, mags i una tertúlia que ha anat malament. Posa't còmode, fes-te un bon te, vigila la teva cullera i comencem. 

Un rellotge antic sona discretament a la xemeneia i et torna a la realitat. Ets al saló d'una farmàcia, tens una tassa de te a la mà i una invitació sobre la cama. No tens ni idea de com va arribar al teu poder. Pensant-ho bé, ni tan sols tens cap record de conèixer el científic que t'acull a casa seva. L'únic que saps és que et va proposar que el visitis per contemplar "la seva vintena adquisició", va escriure, "una nova peça per al meu gabinet de curiositats, que us hauria d'interessar". Distret, mous lentament la cullera tres vegades a la tassa i mentre l'aixeques del líquid calent, trobes amb sorpresa que la part prèviament submergida ha desaparegut completament. “Ha!", exclama el químic triomfant. "Llavors, què en penses?"

L'any 2010, l'autor Sam Kean va publicar The Disappearing Spoon and other true tales from the Periodic Table, un llibre ple d'anècdotes fascinants (però tristament desproveït de bibliografia, que porta el lector informat a qüestionar la veracitat d'algunes d'elles) sobre els elements de la taula periòdica de Mendeleiev . En particular, descriu el descobriment del gal·li , un metall pobre el punt de fusió del qual és tan baix (29,76 °C) que literalment es fon a la mà. Sobre aquest tema, diu: " Com que el gal·li és fàcil de modelar i s'assembla a l'alumini, un truc popular és confeccionar culleres de gal·li, servir-les amb el te i veure com els convidats salten mentre el seu Earl Grey "es menja" els seus estris. (Si ho proveu, és clar, no ingeriu el metall i renteu-vos bé les mans per eliminar-ne els residus).

Una cullera de gal·li submergida en aigua calenta es liqua a causa del seu punt de fusió molt
baix. © Gallium0031, YouTube

Mendeleiev tenia raó

Fins i tot abans de ser descobert l'any 1875 per Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, el gal·li ja havia agafat forma en la ment de Dmitri Mendeleïev durant quatre anys, sota el nom d'eka-alumini. Gràcies al seu formidable treball sobre la taula periòdica, el científic rus va aconseguir predir la majoria de les propietats d'aquest element encara desconegut: el seu pes atòmic, la seva densitat, el seu punt de fusió, el fet que es dissoldria lentament en àcids, formarien sals bàsiques, no reaccionaria amb l'aire, i fins i tot el fet que es detectaria per primera vegada gràcies a l'espectroscòpia. Això és el que realment va fer Lecoq de Boisbaudran uns anys després, analitzant una mostra d'esfalerita.

El gal·li no està disponible en la seva forma lliure i natural; es troba com a impureses en els minerals de zinc i en la bauxita, en estat d' oxidació +3 : el gal·li (III). Per tant, Lecoq de Boisbaudran va haver de recórrer a l'electròlisi per obtenir una forma prou pura de l'element abans de sotmetre'l a diferents proves. Li va donar el nom que coneixem avui, en homenatge a la seva pàtria ("gallium" es deriva del nom llatí de Gàl·lia,  Gallia), i va concloure que tenia una densitat de 4,7 g/cm³. Mendeleïev sembla que es va afanyar a desafiar aquest valor demanant al químic francès que tornés a fer les seves mesures, perquè els seus càlculs prediuen una densitat de 6 g/cm³. Després de noves proves, Lecoq de Boisbaudran finalment va anunciar un resultat de 5,9 g/cm³ i va admetre l'èxit del sistema de Mendeleïev.

Uri Geller i els doblegadors de culleres

Abans de concloure aquest breu capítol del Gabinet de Curiositats, i com que estem en el tema dels trucs de màgia realitzats amb estris, fem una volta al costat dels mags especialitzats en retorçar culleres. Fixem-nos en primer lloc que si la cullera de gal·li pot ser un truc viable per a aquest tipus de trucs, amb un públic prou crèdul, s'utilitza poc i els il·lusionistes prefereixen altres tècniques com les exposades en el vídeo següent. A principis dels anys 70, el "telèpata", el "raestesia" i el "psicocinètic" Uri Geller estava de moda als Estats Units. Actua en espectacles i va als platós de televisió on exerceix els seus suposats talents com a medium i retorça diu, diversos objectes metàl·lics amb la simple força de la seva ment (el que s'anomena en l'argot de la  psicocinesi paranormal).

Uri Geller es va fer força famós a l'estat espanyol a mitjans dels 70 per les seves freqüents aparicions als programes de José Mª Iñigo a la cadena TVE, a on també doblegava culleretes i "posava en funcionament rellotges espatllats", entre d'altres "poders". Els que també aquí van ser objecte de polèmica els seus suposats poders. Vegeu vídeo a sota  (N. del T.)
 

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Michael Shermer, editor en cap de la
revista Skeptic, mostra diverses maneres de realitzar el truc de la cullera. Crèdit; Skeptic, YouTube

El 1973, Geller va ser convidat al Tonight Show on Johnny Carson, ell mateix un antic mag i escèptic endurit, tenia tota la intenció d'aclarir l'assumpte. Aquest últim, doncs, va recorre a James Randi, un il·lusionista professional amb un humor mordaç que, en lloc de desconcertar el públic, admet fàcilment que tots els seus trucs són trucs intel·ligents. Junts, ells mateixos trien els objectes sobre els quals Geller "exercitarà els seus poders" durant l'espectacle (culleres normals i altres accessoris) i prohibeixen que el jove prestidigitador i el seu equip s'apropin a ells abans de l'inici de l'espectacle. Les primeres paraules de Geller durant l'entrevista seran "Estic intimidat per això.(assenyalant els objectes), seguit d'una llarga discussió sobre com els seus poders no sempre funcionen, ja ho sabeu, així que potser no funcionarà allà. Després de diversos intents fallits, acaba l'entrevista amb una pirueta lamentable, confessant a Johnny Carson que està massa nerviós perquè admira l'amfitrió des de la seva infantesa.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Durant aquesta emissió de
The  Tonight Show, Uri Geller està abatut i intenta explicar que la seva por escènica li
impedeix exercir els seus poders. Crèdit: Tonight Show, YouTube

La ciència s'implica

Sorprenentment, en comptes d'esborrar la seva carrera, aquesta debacle televisiva va impulsar Uri Geller al cim de la seva carrera. En la ment del públic, el seu fracàs demostra que els seus poders són genuïns i depenen del seu estat d'ànim; un truc de màgia necessàriament hauria funcionat sistemàticament. Els científics estan cada cop més interessats en els anomenats talents de Geller i d'altres que afirmen com ell ser capaços de doblegar culleres pensant. Un investigador en particular, John Hasted, cau completament en la trampa i realitza diversos experiments sobre el tema per tal de demostrar que les habilitats paranormals que presencia són molt reals. Potser aquest va ser el seu primer error (conegut com a biaix de confirmació), el segon és no haver-se preguntat per què tants dels seus participants havien d'estar sols en una altra habitació per poder fer els seus trucs.

James Randi demostra que és possible doblegar una cullera sense pretendre tenir poders psíquics.
Mai revela els seus secrets, però reconeix que són un joc de mans i lluita activament contra el
xarlatanisme. Crèdit: Studio 10, YouTube

Fins ara, cap estudi científic ha estat capaç d'acreditar satisfactòriament l'existència de la psicocinesi. El mateix James Randi va oferir una recompensa d'un milió de dòlars a qualsevol que aconseguís demostrar els seus poders, però ningú va aconseguir passar mai el filtre de les seves proves preliminars. No ensenyes al vell mag a doblegar culleres. Al final, l'experiència del gal·li és probablement la més honesta de totes: sense trucs, sense mentides, només un petit truc de química per impressionar els seus convidats, i una nova adquisició per al nostre Gabinet de Curiositats.

Clic per engrandir. Ens veiem properament per a un nou capítol del  Gabinet de Curiositats. Crèdit:
nosorogua, Adobe Stock.

Ho he vist aquí.

L’estané, el primer superconductor a temperatura ambient?

Aquest material es comportaria com un aïllant topològic , dotat d’unes propietats de conducció que recorden les d’un superconductor.

Inspirats en el grafé, un equip de físics ha simulat el comportament d'una làmina feta d'àtoms d'estany i fluor. Batejat com a estané, aquest material es comportaria com un aïllant topològic dotat de propietats de conducció que recorden a les d’un superconductor. Encara que no és en el sentit estricte un superconductor, l’estané no oposa cap resistència a la conducció d'electricitat a temperatura ambient.

 

Unint àtoms de fluor (groc) sobre una capa d'àtoms d'estany (gris), s'obté un nou aïllant topològic amb notables propietats.
L’estané, condueix l'electricitat sense resistència al llarg de les seves vores (fletxes blaves i vermelles) a temperatures de fins a 100 ° C. Encara que de moment només amb simulacions teòriques per ordinador. 

Els aïllants topològics han despertat la curiositat de molts científics per les seves notables propietats de conducció elèctrica que suggereixen la realització de components electrònics més ràpids. Dins d'un material aquest actua com un aïllant, però la seva superfície condueix el corrent elèctric.

Va ser gairebé per casualitat que el seu descobriment es va dur a terme. Va ser el físic teòric Charles Kane estudiant detingudament la conductivitat dels electrons en un full de grafé. L'investigador es va adonar que la conducció es pot produir d'una manera que recorda el famós efecte Hall quàntum, observat per primera vegada el 1980. Però en aquest cas, no era necessari refredar un material a una temperatura molt baixa i submergir-lo en un camp magnètic.

Aïllants topològics i ordinadors quàntics

Avançant en les seves investigacions, Kane va demostrar que el fenomen era subtilment diferent, i que podria succeir amb altres estructures en dues dimensions. Aquest resultat va cridar l'atenció de Joel Moore, que el va estendre a les estructures en 3D. Com l'anàlisi matemàtica del fenomen de la conducció de Kane implicava consideracions de topologia, Moore va anomenar a la nova classe de materials descoberts pel seu col·lega, aïllants topològics.

L'estany, amb símbol Sn a la taula periòdica de Mendeleiev és un metall molt comú en les nostres vides.Potser amagui el potencial de revolucionar l'electrònica per poder fabricar un cosí del grafé, l’estané.

L'interès pels aïllants topològics va augmentar quan es van adonar que podien contenir els fermions de Majorana, i per tant ajudar a realitzar càlculs quàntics naturalment protegits contra els efectes de la decoherència. El 2006, el físic Shoucheng Zhang, de la Universitat de Stanford, va observar que certs tipus de nuclis pesats eren especialment adequats per a la producció d'aïllants topològics. També va pronosticar que un vidre a base de mercuri i tel·luri hauria de permetre verificar els càlculs de Kane i Moore. De fet el 2007, Laurens Molenkamp i els seus companys van anunciar que existeixen aïllants topològics. Pel seu treball , Charles Kane , Shoucheng Zhang i Laurens Molenkamp ser guardonats amb el Physics Frontiers Prize.

L’estané, un cosí superconductor del grafé?

La saga dels aïllants topològics potser hagi experimentat un nou gir amb l'article publicat per la Universitat de Cornell els autors del qual són Shoucheng Zhang i els seus col·laboradors. En aquest article els físics van anunciar que han realitzat simulacions per ordinador sobre les propietats de conducció d'un nou material. Els investigadors l'han anomenat estané, ja que es compon principalment d'àtoms d'estany formant un full en 2D similar al grafè. El seu nom deriva del llatí d'estany, és a dir, "Stannum".

Igual que tots els aïllants topològics en 2D, l’estané és conductor per les seves vores, però aïllant a l'interior de la fulla. El que és particularment sorprenent, si ens refiem de les simulacions, és que la conducció de l'electricitat es produeix sense resistència, com un superconductor, i molt important especialment, a temperatura ambient. Òbviament això és el que crea les expectatives per a una nova electrònica.

De moment, i suposant que l’estané posseeixi aquesta extraordinària propietat de comportar-se com els mítics superconductors però a temperatura ambient, Zhang Shoucheng li vaticina el seu ús a nivell de les connexions en un microprocessador. Però també podem imaginar una nova generació de xips que consumeixin menys energia i més ràpids gràcies a l’estané.

Ho he  vist aquí

Webb detecta elements pesats en la fusió d'estrelles

Clic a la imatge per engrandir.  Aquesta imatge de l'instrument NIRCam (Càmera d'Infraroig Proper) del Telescopi Espacial James Webb de la NASA destaca l'Esclat de Raigs Gamma (ERG) 230307A i la seva kilonova associada, així com la seva antiga galàxia d'origen, al seu entorn local d'altres galàxies i estrelles en primer pla. L'ERG probablement va ser impulsat per la fusió de dues estrelles de neutrons. Les estrelles de neutrons van ser expulsades de la seva galàxia d'origen i van recórrer una distància d'aproximadament 120.000 anys llum, aproximadament el diàmetre de la Via Làctia, abans de fusionar-se finalment centenars de milions d'anys després. Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (Radboud University and University of Warwick).

Un equip de científics ha utilitzat múltiples telescopis espacials i terrestres, inclòs el Telescopi Espacial James Webb, el Telescopi Espacial de Raigs Gamma Fermi i l'Observatori Neil Gehrels Swift de la NASA, per observar un esclat de raigs gamma excepcionalment brillant, GRB 230307A, identificar la fusió d'estrelles de neutrons que va generar l'explosió que va crear l'esclat. Webb també va ajudar els científics a detectar l'element químic tel·luri després de l'explosió.

És probable que també estiguin presents entre el material expulsat de la kilonova altres elements propers al tel·luri a la taula periòdica, com el iode, necessari per a gran part de la vida a la Terra. Una kilonova és una explosió produïda per la fusió d'un estel de neutrons amb un forat negre o amb un altre estel de neutrons.

"Fa poc més de 150 anys des que Dmitri Mendeleiev va escriure la taula periòdica d'elements, i ara finalment estem en condicions de començar a omplir aquests últims espais en blanc per comprendre on es va originar tot, gràcies al Webb", va dir Andrew Levan de la Universitat de Radboud al Països Baixos i la Universitat de Warwick al Regne Unit, autor principal de l'estudi.

Si bé durant molt de temps s'ha teoritzat que les fusions d'estrelles de neutrons són les “olles de pressió” ideals per crear alguns dels elements més rars i substancialment més pesats que el ferro, els astrònoms s'han trobat anteriorment amb alguns obstacles per obtenir proves sòlides.

Les kilonoves són extremadament rares, cosa que dificulta l'observació d'aquests esdeveniments. Els esclats curts de raigs gamma (GRB), tradicionalment considerats aquells que duren menys de dos segons, poden ser subproductes d'aquests infreqüents episodis de fusions. (Al contrari, les explosions llargues de raigs gamma poden durar uns quants minuts i solen estar associades amb la mort explosiva d'una estrella massiva).

El cas de GRB 230307A és particularment destacable. Detectat per primera vegada per Fermi al març, és el segon GRB més brillant observat en més de 50 anys d'observacions, aproximadament 1.000 vegades més brillant que un esclat típic de raigs gamma que observa Fermi. També va durar 200 segons, cosa que el situa fermament en la categoria d'esclats de raigs gamma de llarga durada, malgrat el seu origen diferent.

“Aquest esclat entra a la categoria de llarga durada. No és a prop del límit. Però sembla que prové d'una estrella de neutrons en fusió”, va afegir Eric Burns, coautor de l'article i membre de l'equip Fermi de la Universitat Estatal de Louisiana.

La col·laboració de molts telescopis terrestres i espacials va permetre als científics recopilar una gran quantitat d'informació sobre aquest esdeveniment tan bon punt es va detectar l'explosió per primera vegada. És un exemple de com els satèl·lits i els telescopis treballen junts per presenciar els canvis a l'univers a mesura que es desenvolupen. Després de la primera detecció, es va posar en marxa una sèrie intensiva d'observacions des de la Terra i des de l'espai, fins i tot amb Swift, per localitzar la font al cel i rastrejar com canviava la brillantor. Aquestes observacions en raigs gamma, raigs X, òptics, infrarojos i de ràdio van mostrar que la contrapart òptica/infraroja era feble, va evolucionar ràpidament i es va tornar molt vermella: les característiques distintives d'una kilonova.

"Aquest tipus d'explosió és molt ràpida i el material de l'explosió també s'expandeix ràpidament", explica Om Sharan Salafia, coautor de l'estudi a l'INAF (Observatori Astronòmic de Brera) a Itàlia. "A mesura que tot el núvol s'expandeix, el material es refreda ràpidament i el pic de la seva llum es torna visible en infrarojos i es torna més vermell en escales de temps de dies a setmanes".

En èpoques posteriors hauria estat impossible estudiar aquesta kilonova des de la Terra, però aquestes eren les condicions perfectes perquè els instruments NIRCam (càmera d'infraroig proper) i NIRSpec (espectrògraf d'infraroig proper) del Webb observessin aquest entorn tumultuós. L'espectre té línies àmplies que mostren que el material és expulsat a altes velocitats, però una característica és clara: la llum emesa pel tel·luri, un element més rar que el platí a la Terra. Les capacitats infraroges altament sensibles del Webb van ajudar els científics a identificar la direcció de les dues estrelles de neutrons que van crear la kilonova: una galàxia espiral a uns 120.000 anys llum de distància del lloc de la fusió.

Abans de la seva aventura, alguna vegada van ser dues estrelles massives normals que van formar un sistema binari a la seva galàxia espiral d'origen. Atès que el duo estava unit gravitacionalment, les dues estrelles van ser llançades juntes en dues ocasions diferents: quan una de les dues va explotar com una supernova i es va convertir en una estrella de neutrons, i quan l'altra estrella va fer el mateix.

En aquest cas, les estrelles de neutrons van romandre com un sistema binari malgrat dues sacsejades explosives i van ser expulsades de la seva galàxia d'origen. La parella va viatjar aproximadament a l'equivalent al diàmetre de la Via Làctia abans de fusionar-se diversos centenars de milions d'anys després.

Els científics esperen trobar encara més kilonoves en el futur a causa de les creixents oportunitats que els telescopis espacials i terrestres treballin de manera complementària per estudiar els canvis a l'univers. Per exemple, encara que Webb pot observar més profundament a l'espai que mai, el notable camp de visió del proper Telescopi Espacial Nancy Grace Roman de la NASA permetrà als astrònoms explorar on i amb quina freqüència tenen lloc aquestes explosions.

"Webb proporciona un impuls fenomenal i pot trobar elements encara més pesats", va dir Ben Gompertz, coautor de l'estudi de la Universitat de Birmingham al Regne Unit. “A mesura que obtinguem observacions més freqüents, els models milloraran i l'espectre podrà evolucionar més amb el temps. Sens dubte, Webb ha obert la porta per fer-ne molt més, i les seves capacitats seran completament transformadores per a la nostra comprensió de l'univers”.

Espectre d'emissió de kilonova

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta presentació gràfica compara les dades espectrals de la kilonova del GRB 230307A observades pel telescopi espacial James Webb i un model de kilonova. Tots dos mostren un pic distintiu a la regió de l'espectre associada amb el tel·luri, amb l'àrea ombrejada en vermell. La detecció de tel·luri, més rar que el platí a la Terra, suposa la primera observació directa d'un element pesat individual d'una kilonova. Crèdit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
 
Tot i que els astrònoms han teoritzat que les fusions d'estrelles de neutrons són l'entorn ideal per crear elements químics, inclosos alguns essencials per a la vida, aquests esdeveniments explosius -coneguts com a kilonoves- són rars i ràpids. L'espectrògraf NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) del Webb va adquirir un espectre de la kilonova de GRB 230307A, ajudant els científics a obtenir proves de la síntesi d'elements pesants a partir de fusions d'estrelles de neutrons.

Amb l'extraordinària capacitat del Webb per mirar més lluny a l'espai que mai, els astrònoms esperen trobar encara més kilonoves i adquirir més proves de la creació d'elements pesants.

Kilonova i galàxia amfitriona

Clic a la imatge per engrandir. Galàxies brillants i altres fonts de llum de diferents mides i formes es troben disperses per una franja negra de l'espai: petits punts, taques el·líptiques amb halos i taques en forma d'espiral. El color dels objectes varia: blanc, blanc blavós, blanc groguenc i vermell ataronjat. Cap al centre a la dreta es veu de front una galàxia espiral blanca blavosa més gran que les altres fonts lluminoses de la imatge. La galàxia està etiquetada com a "antiga galàxia d'origen". Cap a la part superior esquerra hi ha un petit punt vermell, que té un cercle blanc al seu voltant i està etiquetat com a "GRB 230307A kilonova". Crèdits: NASA, ESA, CSA, STScI, A. Levan (IMAPP, Warw), A. Pagan (STScI)

Aquesta imatge de l'instrument NIRCam (Near-Infrared Camera) del telescopi Webb mostra la kilonova GRB 230307A i la seva antiga galàxia d'origen en un entorn local d'altres galàxies i estels en primer pla. Les estrelles de neutrons van ser expulsades de la seva galàxia d'origen i van recórrer una distància d'uns 120.000 anys llum, aproximadament el diàmetre de la Via Làctia, abans de fusionar-se finalment diversos centenars de milions d'anys després.

Aquesta imatge és una composició de diverses exposicions adquirides pel telescopi espacial James Webb amb l'instrument NIRCam. Es van utilitzar diversos filtres per mostrar una àmplia gamma de longituds d'ona. El color és assignar diferents tons (colors) a cada imatge monocromàtica (escala de grisos) associada a un filtre individual. En aquest cas, els colors assignats són Blau: F115W + F150W Verd: F277W Vermell: F356W + F444W.

Ho he vist aquí i aquí.