lunes, 28 de diciembre de 2020

El oculto aroma de las rosas de Damasco.


A principios del siglo XX, el perfume que más se vendía entre las mujeres de la alta sociedad europea era La Rose Jacqueminot (1903), de François Coty, una fragancia de las llamadas monoflorales, basadas en el aroma de una sola flor, en este caso la rosa. A las que no les gustara esa fragancia podían elegir otras con una nota diferente pero siempre a base de una sola flor, ya fueran gardenias, lilas o azucenas. O, si tenían muchos posibles, de violeta, en especial de las cultivadas en Grasse, en la Provenza francesa, el lugar por excelencia en el suministro de flores para perfumería desde 1868. Algo más tarde llegaron al mercado las fragancias multiflorales como Quelques Fleures de Houbigant (1912) que abrió el camino a la rompedora irrupción del Chanel 5. Tengo pendiente escribir algo sobre Coco Chanel y su mítico perfume, pero hoy nos vamos a centrar en el aceite esencial a base de rosas (un componente bien asentado en la paleta de un perfumista) y, sobre todo, en los quebraderos de cabeza que se les plantearon a los químicos que querían emularlo a base de sustancias químicas de síntesis.

En los primeros años sesenta, el Premio Nobel de Química de 1939, Leopold Ruzicka, y un grupo del ETH de Zurich, se ganaban muy bien la vida trabajando para la que hoy es una de las mas importantes multinacionales del perfume, Firmenich. Para esa época ya habían identificado hasta 40 sustancias químicas diferentes en el aceite esencial de la rosa más cotizada en el mundo de la perfumería (la Rosa Damascena, o Rosa de Damasco, cultivada en amplias zonas de Bulgaria y Turquía). Casi media década después, ese número de sustancias había llegado hasta las 80, pero seguían sin poder reconstruir con ellas, ni de lejos, el aroma olfativo del aceite esencial objeto de sus desvelos. En un intento posterior, tras separar hasta 200 fracciones diferentes de una muestra de 80 gramos del aceite esencial de rosa, una de esas fracciones, de solo 0.076 gramos, parecía tener el olor de lo que estaban buscando como característico del aceite esencial. Analizada esa fracción, descubrieron que contenía seis compuestos químicos distintos. Cinco de ellos se conocían en ese momento y no olían a rosa, pero había un sexto desconocido, del que solo consiguieron aislar 0.0008 g, que olía fuertemente a rosa y que denominaron como compuesto X.

Con los medios instrumentales que había en los años sesenta no era fácil identificar esa sustancia y tras mucho elucubrar le asignaron, tentativamente, una estructura química determinada. El paso siguiente, en la lógica de un químico, era sintetizarla y ver si aquello olía como olían los 0.0008 gramos arriba mencionados. Pero sintetizar la estructura propuesta para el compuesto X no estaba al alcance de los laboratorios implicados, así que decidieron sintetizar otra ligeramente diferente y ver si había suerte. Cuando la obtuvieron, resultó que esa nueva molécula olía como los 0.0008 g y tenía otra serie de propiedades idénticas a las de la diminuta fracción. Unas pruebas más y llegaron a la conclusión, no sin alborozo, de que la molécula X no tenía la estructura que ellos habían propuesto tentativamente, sino que correspondía exactamente a la de la molécula que habían optado por sintetizar. Había aparecido, por pura chiripa, una molécula (una cetona la llamamos los químicos) que denominaron Damascenona por aquello de la Rosa Damascena. Pero aún hubo mas chiripa en el asunto. En el intento de obtener la que finalmente llamaron Damascenona, apareció un compuesto intermedio que también olía fuertemente a rosa. Así que la aislaron, caracterizaron y bautizaron como ß-Damascona.

Y más de uno se preguntará, ¿cómo puede ser posible que un componente tan minoritario como la Damascenona (0.0008 gramos en una muestra de 80), en una mezcla tan compleja como el aceite esencial de rosa, sea la que da su olor característico a dicho aceite?. Para explicarlo tenemos que contar algo del proceso por el que los humanos percibimos el olor de una planta, de un animal o de una molécula sintética. Algo muy complejo y que daría para un Curso de varias horas. Contado en plan fácil, los humanos poseemos una poderosa herramienta para detectar olores que se sitúa en nuestra nariz y, dentro de ella, en el llamado bulbo olfatorio y en una serie de ramificaciones que salen de él y tapizan lo que se llama la membrana olfatoria. En ella se encuentran millones de receptores olfatorios que son los que mandan señales al cerebro de los aromas que entran en nuestra nariz. Simplificando también mucho, esos receptores, que son proteínas muy complejas, son lugares en los que pueden encajar moléculas con formas adecuadas, aunque no de forma tan exclusiva como encaja una llave en una cerradura, ya que esas proteínas pueden adoptar formas diversas. Cuando se produce el acoplamiento correcto entre molécula y receptor olfativo, con mayor o menor intensidad, el cerebro recibe la señal correspondiente al aroma de una sustancia.
La tabla de la izquierda lista los componentes aromáticos más importantes del aceite esencial de Rosa Damascena (como he mencionado arriba hay decenas de compuestos químicos en el aceite). Mientras que el Citronelol supone el 38% de ese aceite, la Damascenona que acabamos de ver solo está en un 0,14%. ¿Huelen por tanto las rosas a Citronelol?. Pues, como espero haya quedado claro dos párrafos mas arriba, no. Hoy sabemos que el aceite esencial de rosa huele a Damascenona. Y eso es así porque una cosa es la concentración de una sustancia en un aceite esencial y otra la concentración mínima (también llamada concentración umbral), necesaria en el aire para que nuestra nariz y sus receptores olfativos detecten esas sustancias aromáticas.

Como se ve en la columna correspondiente al umbral de detección de la misma Tabla, se necesitan 750 partes por billón (ppbs) de Fenil etanol y 40 de Citronelol en el aire para detectarlos con nuestra nariz, órgano que, sin embargo, es capaz de detectar cantidades tan pequeñas como 0,009 ppbs de Damascenona. Una manera de tener en cuenta, a la vez, tanto la concentración de un componente en un aceite esencial como el umbral más o menos grande necesario para que nuestra nariz lo detecte, consiste en dividir la concentración (en %) por el umbral (en ppbs) y multiplicar por 10000, obteniendo las llamadas unidades de olor de ese compuesto. Y así vemos que la sustancia que más unidades de olor aporta al aceite esencial (más del 70% echando cuentas) es la Damascenona, que aún estando en cantidades muy pequeñas en el aceite esencial de rosa, supone una parte muy importante de lo que nosotros entendemos como olor a rosas.

Tras su síntesis por Firmenich, la Damascenona y la Damascona se introdujeron en los años 70 (la primera hará ahora, en 2021, medio siglo exacto) en las paletas de los maestros perfumistas y han sido componentes esenciales en fragancias tan famosas como Nahema de Guerlain (1979) o Poisson de Dior (1985). De esta última mi comadrona guarda un recuerdo imborrable. La tuvo que usar para curar el ombligo de un recién nacido cuya madre no tenía en casa otro líquido con alcohol.

Referencia: A. Williams, Perfumer and Flavorist, 27, 18 (2002)

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lunes, 14 de diciembre de 2020

Electrostática y mascarillas

Esta entrada, como otra anterior, tiene su origen en las preguntas que me he hecho sobre el uso de las mascarillas, pero, en este caso, la entrada ha sido solo posible gracias a Ainara Sangroniz. Ainara leyó la Tesis Doctoral en enero de este año, dentro del Grupo de Investigación al que pertenecía el Búho antes de jubilarse. Somos buenos amigos desde que era estudiante de Química cuando, atraída por el mundo de la investigación, hacía prácticas en nuestros laboratorios durante los veranos. Más de un agosto hemos aguantado casi solos en un edificio vacío y muchas veces caluroso. Ainara es una máquina buscando bibliografía científica y sabe muy bien lo importante que es digerir y condensar la información encontrada si uno la quiere hacer llegar al gran público. No en vano tiene una ya importante experiencia en divulgar sobre Química en general y polímeros en particular, usando su lengua materna, el euskera. Así que lo que vais a leer ahora está escrito al alimón con ella, algo que quiero dejar claro desde el principio para general conocimiento y efectos, que dicen los leguleyos.

En la entrada anterior ya mencionada, hablamos sobre la protección que las mascarillas proporcionan tanto a quien las viste como a los que se colocan en su radio de acción. Con ayuda de dos de mis antiguas colegas de la Facultad (que siguen muy interesadas en el análisis de mascarillas), creo que el asunto quedó razonablemente resuelto. Pero otra pregunta ha rondado durante todo este tiempo en mi cabeza y en la de Ainara. Y que tiene que ver con el tiempo que uno puede llevar una mascarilla con seguridad. Ya os podemos adelantar que no hemos resuelto el problema, porque las fuentes consultadas indican conclusiones dispares. Si hacemos caso a las recomendaciones que suelen dar los fabricantes, y en el caso de las mascarillas quirúrgicas, el tiempo de uso no debería superar las 4 horas mientras que, en el caso de las mascarillas FPP2 o KN95, ese tiempo se suele extender a 8 horas de un uso prolongado o hasta las 30 horas unas vez abiertas y usadas de forma interrumpida. Sin embargo, la escasez de mascarillas al inicio de la pandemia ha hecho que se adopten distintas estrategias como prolongar el tiempo de uso o reutilizarlas.

Pero en nuestras búsquedas bibliográficas hemos visto un documento fechado en setiembre de este año, en el que 3M, el líder de toda la vida en asuntos de mascarillas y filtros protectores, dice que se pueden usar mientras no estén rotas o manchadas (ver la penúltima pregunta en la página 9). En otro documento, este de los Centros para el Control de Enfermedades (CDCs) americanos se aboga por proporcionar a cada trabajador sanitario un total de cinco mascarillas para ir usando una cada día y, tras usarla, mantenerla aireada hasta que le toque su turno, una vez que se hayan usado las otras cuatro. Hemos hablado con profesionales sanitarios que nos han contado más de una estrategia de uso, reuso y desinfección. Y hemos intercambiado información con colegas implicados en el asunto, como nuestro amigo Chema Lagarón del IATA (CSIC) que está detrás de las mascarillas fabricadas con nanofibras y con Miguel Angel Fernández Rodriguez, de la Universidad de Granada, implicado en un proyecto solidario sobre mascarillas y que ha contribuido con varios interesantes comentarios en la entrada del pasado 15 de noviembre. Además, ha tenido el detalle de leerse un borrador de esta entrada y proponernos cambios muy enriquecedores. A día de hoy, como decimos, los autores que os escriben siguen igual de dubitativos sobre el tiempo de uso de una mascarilla nueva y, como no somos expertos en el tema, preferimos dejarlo ahí por el momento.

Pero, en esa búsqueda, hemos aprendido muchas cosas sobre la confección de mascarillas y una de ellas tiene que ver con el título de esta entrada. Entendemos que algunos lectores estaréis al loro sobre ello pero pensamos que lo que vamos a contar no se ha divulgado convenientemente. Todos hemos tenido alguna vez la experiencia de que nuestra cabellera se quede como la del impresentable Boris Johnson al pasarse un peine por el pelo. O hemos sufrido una descarga al tocar la puerta de un automóvil o algo parecido al quitarnos una prenda de fibras sintéticas. Como todos seguro que sabéis, ello es debido a la electricidad estática que se genera en nuestro cuerpo en muy diversas circunstancias. Tanto nuestra anatomía como diversos materiales tienen la capacidad de almacenar cargas positivas o negativas superficialmente, dependiendo de su tendencia a ceder o tomar electrones. Por ejemplo, nuestra piel (sobre todo si está seca) puede acumular cargas positivas en su superficie y una prenda de fibra sintética generalmente acumula cargas negativas. Cuando nos la ponemos la cosa se pone divertida y cuando nos la quitamos también.

Hay incluso una escala, la llamada Serie Triboeléctrica que clasifica a los materiales de acuerdo con su mayor o menor tendencia a cargarse positiva o negativamente. La piel, el pelo o la seda son ejemplos de superficies que se cargan positivamente. Muchos plásticos y cauchos se cargan negativamente. Por poner un ejemplo, la próxima vez que manejéis las bolitas que constituyen el poliespán o poliestireno expandido, podéis constatar lo difícil que es quitarse una de las manos. El polipropileno, el plástico que constituye el tejido no tejido de las mascarillas, es otro con una moderada tendencia a almacenar cargas negativas en su superficie. Desde los años noventa, Peter P. Tsai trabajó en la Universidad de Tennessee en la mejora de las propiedades filtrantes de tejidos no tejidos de diversos materiales. Y en 1992 inventó un método para cargar electrostáticamente, y de forma deliberada, las fibras de esos tejidos y mejorar así su eficiencia filtrante. Ahora, ya jubilado, y con motivo de la pandemia, ha recibido múltiples consultas sobre la materia y ha decidido colaborar desinteresadamente en la implantación de esa técnica. Como él mismo explicaba en setiembre de este año en este artículo de Nature, ello mejora hasta diez veces la eficiencia de los filtros no cargados, permitiendo bloquear desde virus a otras partículas.

Para entender el por qué de esa mejora hay que hablar un poco de las características de esos tejidos no tejidos y de los mecanismos por los que un filtro puede llegar a bloquear partículas y organismos de todo tipo. Durante el proceso de fabricación de la capa de una mascarilla que hace el verdadero papel de filtro, se utilizan tejidos no tejidos con espesores de varios centenares de micras, compuestos por fibras de diámetros entre 1 y 10 micras. Debido al método de producción de esas fibras (denominado técnicamente meltblown), el resultado es una intrincada maraña tridimensional de dichas fibras pero que, aún y así, tiene una porosidad del 90%, lo que proporciona una alta permeabilidad al aire, facilitando la respiración a través del bozal. Pero eso hace que las eficiencias de filtrado de esos tejidos no tejidos del filtro no sean adecuadas, por si solas, para la filtración de partículas con tamaños inferiores a la micra. Si son de ese tamaño, o más grandes, las partículas son capturadas por un mero "efecto tamiz" al no ser capaces de seguir "navegando" por territorios con tamaño de poro inferior a su propio tamaño. En partículas más pequeñas, estas pueden perder su velocidad al chocar con algunas de las fibras que constituyen la maraña del filtro (efecto inercia) y quedar así atrapadas. Las partículas realmente pequeñas, como los virus de unos pocos nanometros, pueden resultar atrapadas por efectos parecidos a los anteriores, favorecidos por el movimiento browniano con el que se mueven, un movimiento aleatorio que se observa como resultado de choques contra las moléculas del aire en el que viajan. Ese movimiento caótico les hace "entretenerse" en las fibras provocando que, finalmente, puedan resultar atrapadas. Las más complicadas de capturar son las partículas de tamaños similares a los aerosoles que ponemos en el aire al hablar, cantar, estornudar o toser y que pueden contener virus, porque siguen mucho más fielmente el flujo del aire a través del filtro y bordean las fibras sin interactuar mucho con ellas. Eso mismo pero contado con el soporte de un interesante video producido por The New York Times puede verse aquí.

Así que el tejido no tejido de polipropileno no sirve por si solo para capturar de forma eficiente a virus y aerosoles y tenemos que buscar estrategias alternativas de captura. Lo que se consigue gracias a la atracción electrostática entre las gotas de aerosoles en las que viaja el virus y el polipropileno, al que se ha cargado durante el proceso de generación de sus tejidos no tejidos. Con el concurso de las cargas electrostáticas, los aerosoles y virus son atraídos incluso antes de que colisionen, facilitando más la captura final. La génesis de esa carga electrostática no es excesivamente complicada y hay varios métodos descritos para ello, aunque solo haremos mención al más habitual. Tras fundir el polipropileno y hacerlo pasar por capilares muy finos en los que se inyecta aire, se consigue el tejido no tejido que se va recogiendo en una cinta sin fin hasta llegar a formar los grandes rollos de material que se utilizan, finalmente, para fabricar millones de mascarillas. Pues bien, mientras el tejido no tejido viaja por la cinta sin fin, pasa a través de una serie de electrodos de alto voltaje que van generando cargas electrostáticas en la superficie de las fibras. Un esquema del proceso de obtención de tejidos no tejidos de polipropileno puede verse aquí en su apartado Working principle. Aún con estas precauciones, los virus flotando en el aire libremente podrían pasar por el filtro pero parece que esa es la situación mas improbable.

En algunos de los artículos más antiguos que originalmente leímos, parecía que podíamos concluir que la pérdida de eficiencia de los filtros resultaba del hecho de que, al ir captando aerosoles, con su correspondiente agua y, sobre todo, sales minerales, las moléculas dipolares de la primera y los iones de las segundas irían desactivando (apantallando es el término que usan los físicos) las cargas generadas en el polipropileno, hasta el punto de eliminar ese importante efecto en ese material, con lo que la eficiencia de filtrado iría disminuyendo y sería así el origen de la necesidad de tener que cambiar las mascarillas tras un cierto tiempo de uso. Pero hoy parece claro que eso no es así y que incluso después de muchas horas sujeto a ciclos con aire a diferentes temperaturas y humedades relativas, el filtro no pierde su carga electrostática. Solo en contacto con agua hirviendo, el filtro parece perder algo su eficiencia (pasa del 95% de eficiencia al 80% tras cinco ciclos de diez minutos en esas condiciones). En el mismo artículo que proporciona estos datos [L. Liao y otros, ACS Nano 14, 6348 (2020)], se constata, sin embargo, que si sumergimos la mascarilla en alcohol y la dejamos secar al aire, la eficiencia baja hasta el 56% en un solo ciclo y si lo hacemos con una disolución de lejía al 2% y la dejamos secar, un solo ciclo reduce la eficiencia de filtrado hasta el 73%. Así que estos dos tratamientos que, en algunos casos, se han propuesto como eficaces para desinfectar mascarillas no parecen los más recomendables, al menos para los filtros de polipropileno que se emplean en ese trabajo y que son los mas convencionales.

De modo que, en conclusión, al no poderse confirmar el efecto de la desactivación de las cargas electrostáticas por el agua y las sales minerales, nos quedamos sin uno de los argumentos más sólidos que teníamos para poder justificar unas ciertas horas de uso de nuestras ya inseparables mascarillas, cuando nos las ponemos nuevas. Pero hemos aprendido un montón, aunque nos haya costado tiempo componer esta entrada y quedarnos relativamente tranquilos con lo que decimos.

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viernes, 20 de noviembre de 2020

Cocina y ósmosis

Una lectora del Blog del Búho, profesora de cocina, me escribía esta semana sobre las dudas que asaltan a ella y a algunos colegas a la hora de explicar bien a sus alumnos el efecto de la ósmosis en algunas preparaciones culinarias. Y no me extraña. Desde que tengo relación con el mundo gastronómico, he visto en muchas ocasiones el alegre uso que se hace de este término por parte de algunos cocineros, con platos que algunas cartas "adornan" con el adjetivo osmotizado. Y he visto, también, algunas afirmaciones poco ajustadas a la verdad en libros de texto o relacionados con Ciencia y Cocina. Con el email de mi amiga la cocinera tengo un buen tema para una entrada, tema sobre el que creo tener las ideas muy claras, pero que puede resultar algo complicado de explicar. Voy a intentarlo y a ver qué sale. Que estas cosas siempre se pueden mejorar y tratar de hacerlo de la forma más sencilla posible. Pero no más, que diría Einstein.

El fenómeno de la ósmosis, en su estado mas simplificado, se puede ver bien en la figura que ilustra la entrada. Un disolvente (por ejemplo agua) y una disolución acuosa de un soluto (por ejemplo sal común) se colocan a a uno y otro lado de una membrana que denominamos semipermeable, lo que quiere decir que el disolvente (agua) es capaz de atravesarla pero el soluto no. Las moléculas de agua son pequeñas y pueden colarse por los entresijos de la membrana pero las del soluto, bastante más grandes, no caben en esos huecos. Hervé This, uno de las padres de la llamada Gastronomía Molecular, ha usado muchas veces (por ejemplo aquí) un experimento muy relacionado con la cocina para explicar el fenómeno osmótico. Cogemos un huevo y lo metemos en vinagre y lo dejamos allí hasta que la cáscara (carbonato cálcico) se disuelve en el ácido acético del vinagre. Se nos quedará un huevo sin cáscara, con una membrana que rodea al conjunto de la clara y la yema. Con mucho cuidado, cojamos ese huevo indefenso y pongámoslo en agua destilada (agua que no contienen sales) o, en su defecto, en una de esas aguas comerciales que su propaganda llama "aguas ligeras" por su bajo contenido en sales disueltas. Observaremos que el huevo se hincha. Si, por el contrario, ponemos ese huevo sin cáscara en agua con bastante sal el huevo se contraerá ("marchitará" en la terminología de This).

Expliquemos con ese ejemplo lo que ocurre. Cuando a un lado de la membrana tenemos agua pura (o casi) y al otro lado disoluciones de agua (el huevo es muy complejo pero tiene cosas solubilizadas en agua), la Termodinámica dice (y la experiencia enseña) que lo mismo que en la figura de arriba, el agua atravesará la membrana en el sentido que va del agua pura al interior del huevo. Algunos textos de Secundaria y también de Ciencia y Cocina dicen, erróneamente, que el proceso seguirá hasta que las concentraciones se igualen a ambos lados de la membrana, algo absolutamente incorrecto. Porque, si eso fuera cierto y empleamos agua destilada en uno de los lados, el fenómeno resultaría eterno en el tiempo porque nunca llegaremos a tener solo agua en los dos lados. Entonces ¿cuándo se detiene el proceso?. Los termodinámicos decimos que cuando el potencial químico del agua a un lado y otro de la membrana se igualan 😂. Pero hay otra forma de explicarlo algo más entendible para que no dejéis de leerme en este punto. A medida que pasa agua al interior del huevo, la presión en ese lado sobre la membrana es mayor, hasta que alcanzamos un valor (llamado presión osmótica) que hace que se contrarreste la tendencia del agua a pasar al interior del huevo. En esa situación se alcanza el equilibrio y el huevo deja de hincharse. Volviendo a la explicación más estricta, esa presión extra es la causante de que el potencial químico del agua a uno y otro lado de la membrana sea el mismo.

En el caso de que el agua fuera del huevo tenga una concentración de sal (u otros solutos) superior a la del interior del huevo, el agua pasa del interior al exterior y el huevo va perdiendo volumen y quedándose un tanto pachucho. En este caso, la presión osmótica se entendería como la que hay que hacer sobre el exterior de la membrana para que el huevo no pierda agua por ese proceso osmótico. 

Cuando pasamos a otros ejemplos culinarios la cosa puede no ser siempre tan simple. Tanto en los tejidos animales como vegetales existen membranas que podríamos considerar semipermeables, que envuelven fibras musculares o vegetales, las cuales contienen agua y otras sustancias en su interior. Pero en las manipulaciones que hacemos con esos alimentos podemos romper físicamente o degradar (por ejemplo, por acción del calor) esas membranas, con lo que pierden el carácter que pudieran tener cuando están intactas y dejan que pasen a su través diferentes sustancias por otros mecanismos, el mas pertinente aquí sería el de difusión. En el caso del huevo, imaginemos una "degradación" consistente en dar uno o varios pinchazos a la membrana con un alfiler. Los huecos generados dejarían pasar todo tipo de sustancias a uno y otro lado de la membrana de forma libre, tratando de ocupar todo el espacio que se les ofrece dentro y fuera del huevo, hasta que las concentraciones se igualaran en el conjunto agua/huevo. Como veis, alcanzar el equilibrio por ósmosis o difusión no es lo mismo. Estas sencillas ideas pueden usarse para explicar los dos ejemplos que me ponía nuestra cocinera en su email. El primero tiene que ver con el clásico proceso de poner a remojo unos garbanzos y el segundo con la preparación de un caldo a partir de verduras o carne.

El caso de los garbanzos está muy próximo a una membrana semipermeable intacta, porque su cubierta exterior se altera poco durante el tiempo que está en contacto con agua (fría). Es además un proceso que está muy estudiado en la literatura. Por ejemplo, el Prof. Gabriel Pinto, de la Politécnica de Madrid, un genio en la preparación de experimentos atractivos de Química para los estudiantes, publicó en 2004 un interesante artículo en el que estudiaba la velocidad de hidratación de los garbanzos a diferentes temperaturas y diferentes concentraciones de sal en el agua de remojo. Sin entrar en muchos detalles técnicos, os contaré que la conclusión que aquí mas interesa es que los garbanzos ganaban más peso (o sea agua) cuando estaban en agua pura que cuando se les ponía a remojo en distintas disoluciones de sal en agua. A la concentración de sal más alta que ellos estudiaron, 175 gramos de sal por litro de agua (casi seis veces más salada que el agua de mar), los garbanzos cogían prácticamente la mitad de agua que en agua pura. Y además, aunque esto es otro asunto, a velocidades más lentas. Si la membrana (piel) del garbanzo se rompiera (cosa rara en el remojo), el fenómeno deja de ser puramente osmótico y algunas sales del interior del garbanzo podrían pasar al agua por el simple fenómeno de difusión arriba mencionado. Sobre el deterioro de las membranas que cubren a otra legumbre, las alubias de Tolosa, escribí una de las primeras entradas de este Blog, que os recomiendo encarecidamente leer. Para terminar este párrafo, mencionaré que un caso similar al de los garbanzos en remojo se da en las papas canarias, que se cuecen en agua con mucha sal, provocando la salida del agua de éstas y dejándolas "arrugás".

El caso de la obtención de un caldo de verduras o carne es más controvertido y nos permite atisbar las razones por las que algunos cocineros andan liados con este asunto. El ya mencionado Hervé This parece tenerlo bastante claro. En una recopilación de artículos publicados por él en la revista francesa Pour la Science y recogidos en un libro titulado Casseroles et éprouvettes, dedica un capítulo a este problema y desmonta lo que, según él, es un mito: el que sea importante adicionar sal antes o después de preparar un caldo de carne o verduras. Y lo hace experimentando con dos trozos de carne idénticos que coloca en dos cacerolas idénticas, una con agua pura y otra con una disolución saturada de sal (la friolera de 360 gramos de sal por litro de agua). Cuece ambos trozos durante cinco horas y, de acuerdo con sus medidas, el peso de ambos trozos de carne al final es igual, gramo arriba gramo abajo. Según él, aunque al principio de la cocción podríamos considerar que las membranas animales están intactas y pueda tener lugar un fenómeno puramente osmótico, a lo largo de la cocción se van deteriorando y van perdiendo su condición de semipermeables, con lo que el agua, las sales, las sustancias aromáticas y lo que mi amiga la cocinera que me escribe llama "jugos" acabarían incorporándose al caldo mediante un simple fenómeno de difusión libre, por aquellos sitios o huecos en los que la membrana semipermeable ya no es tal. En palabras del propio Hervé This, "el alimento se comporta como una esponja llena de canales: la sal no tiene ahí ningún papel especial".

Un clásico en la integración de Ciencia y Gastronomía, el libro titulado Léxico científico gastronómico, publicado en 2006 por la Fundación Alícia y elBullitaller de Ferrán Adriá, dedica sus páginas 162-164 al asunto de la ósmosis y, creo yo, que de forma no muy clara. Para empezar, define ósmosis como "el proceso por el que el agua pasa a través de una membrana permeable, desde una disolución más diluida a una más concentrada, tendiendo a equilibrar las concentraciones a ambos lados de la membrana" (todos los subrayados son míos). En esa definición me parece erróneo que se hable de membranas permeables y no de membranas semipermeables, el corazón de un proceso osmótico, cuando en esas páginas se pretende enseñar sobre el mecanismo de ese proceso. Y la cosa se marea más cuando, en la página siguiente, aparece una figura en la que, por dos veces, se bautiza a una membrana que separa dos medios como semipermeable. Y se vuelve a complicar todavía más cuando, debajo de la definición de ósmosis, se informa de que "de forma natural, las membranas de las células que constituyen los tejidos animales y vegetales son permeables. Ello permite la continua absorción y eliminación de sustancias a través de la membrana". La palabra permeable vuelve a aparecer y parece deducirse, también, que cualquier sustancia puede atravesar esas membranas. Y eso, como ha quedado explicado, no es lo que corresponde a un fenómeno osmótico puro, en el que lo único que atraviesa la membrana es el disolvente (agua en nuestro caso) y no otras sustancias de la carne.

En realidad, si la carne fuera un conjunto de fibras perfectamente protegidas por membranas que funcionaran como semipermeables (condición sine qua non para un fenómeno osmótico), cocer carne con agua pura implicaría que la carne se hinchara (como los garbanzos), mientras que al cocer la carne con agua con abundante sal, la carne se arrugaría (como las papas). En uno y otro caso, fuera de la carne solo habría agua (o agua y sal). Si eso no ocurre y obtenemos un caldo es porque, como decía Hervé This, en algún momento de la cocción las membranas se deterioran, pierden su condición de membranas semipermeables y la difusión de todas esas sustancias a un lado y otro es lo suficientemente libre como para que la concentración de cada una de ellas se iguale a lo largo y ancho de todo el contenido de la cacerola.

Y os dejo, que esto ya es demasiado largo y, además, me tengo que poner a hacer unos garbancitos que dejé ayer "osmotizando"...

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domingo, 15 de noviembre de 2020

Desmontando mascarillas

Como la mayoría de vosotros supongo que sabéis, las mascarillas quirúrgicas, tipo la que se ve en la figura de la izquierda, constan de tres capas, siendo la intermedia (que está oculta) la que hace el verdadero papel de filtro ante bacterias y virus que puedan darse en el medio. Cuando al comienzo de la pandemia empecé a leer cosas sobre las mascarillas y la composición química de ese filtro, algo de lo que ya hablé en otra entrada, una duda comenzó a asaltarme. Si ese filtro central, preparado a base un tejido no tejido de un determinado material, era homogéneo ¿por qué se decía que las mascarillas quirúrgicas protegen a los demás de las personas que las llevan y no al que se las pone de las personas que le rodean?. Para proteger y protegernos al mismo tiempo se nos decía que tendríamos que usar mascarillas como las que usan los sanitarios más expuestos (N95, FPP2, KN95), dispositivos que, además y por otra serie de razones, son más eficaces en la filtración que las quirúrgicas y por ello se prioriza en que las usen quienes deben usarlas. Dejo claro que mi duda solo se centraba en si era verdad que las quirúrgicas protegían en un sentido y no en otro.

Para tratar de aclararme, hice algún intento infructuoso con gente que pensaba que me lo iba a solucionar. Busqué también en la literatura científica pero tampoco tuve suerte. Di en Google con una página de una empresa llamada SmartAir, dedicada a la purificación de aire que, durante la pandemia, ha colgado en un Blog corporativo muchas aclaraciones tanto de sus productos como sobre las mascarillas. La empresa había hecho un estudio que mostraba que poniendo la mascarilla de la forma habitual, se filtraba mejor que si nos la colocábamos al revés. Pero la diferencia era realmente pequeña y, además, el estudio era experimentalmente poco serio: eran pocas las muestras investigadas, no había un análisis estadístico de los resultados y, además, no daban explicación alguna de la razón por la que eso pudiera ocurrir.

Y en esas estaba un servidor cuando se presentó una inesperada oportunidad para avanzar en el asunto. Tengo dos antiguas colegas del Departamento de la UPV/EHU del que me jubilé y a las que mas de una vez he mencionado aquí, que te identifican cualquier polímero que les pongas delante, por poco habitual que sea. Y hace poco, me mencionaron que andaban buscando temas para los trabajos finales del Máster que ellas imparten y que, seguro que lo adivináis, es sobre polímeros. Les planteé como un posible trabajo desmontar una mascarilla quirúrgica convencional y tratar de ver si su filtro central era realmente homogéneo desde una de sus caras a la contraria o si, por el contrario, no lo era, avalando en ese segundo supuesto la hipótesis arriba mencionada de la protección preferente en un sentido y no en otro. Como me dieron el OK inmediatamente, me fui al día siguiente a la farmacia debajo de mi casa y compré la que entonces se vendía allí como quirúrgica (que es, exactamente, la que podéis ver en la foto), suministrada por una empresa china (BYO) que fabrica coches eléctricos pero que, durante la pandemia, empezó a exportar mascarillas de forma masiva. No me hizo mucha gracia lo del origen pero eran las que entonces se vendían oficialmente en todas las farmacias guipuzcoanas.

Hoy, gracias a mis amigas de la Facultad y sus técnicas instrumentales, sé unas cuantas cosas más. Empezaremos por el filtro central, el que realmente protege y origen de mi escepticismo. El análisis de las dos superficies externas que presenta ese filtro, mediante una técnica denominada micro ATR-FTIR, revela que su espectro infrarrojo (la llamada "huella dactilar" de un compuesto) es absolutamente idéntico y corresponde al de uno de los plásticos más conocidos y vendidos globalmente, el polipropileno isotáctico. Como se ve en la figura, mis colegas denominaron a las superficies cara lisa y cara rugosa, por la apariencia que tenían a simple vista, probablemente derivada de las condiciones de obtención del tejido no tejido constitutivo del filtro. Podéis ver, clicando en la figura para ampliarla, que la coincidencia en los espectros llega hasta los más sutiles detalles.

Además del filtro, también me analizaron (por las dos caras) las dos capas que hacen el sandwich al filtro y que sirven para protegerlo y dar al conjunto una cierta estabilidad. Tanto en el caso de la capa de la mascarilla que está en contacto con la cara del que la viste como en la que está en contacto con el aire, el análisis de sus dos superficies reveló que también eran del mismo polipropileno que el del filtro central. Pero con una diferencia notoria. Cuando uno examina esas capas por Microscopía electrónica de barrido (SEM), que permite ver las fibras que constituyen esos materiales, el diámetro de las fibras constitutivas de las tres capas es muy diferente. Las fibras del filtro tiene un diámetro medio de 2,6 micras, mientras que las de las capas que hacen el sandwich al filtro son más gruesas con un diámetro casi diez veces mayor y con una distribución de diámetros mucho más ancha. La razón estriba en que el método de obtención del filtro es diferente del que se usa para obtener las otras dos capas, pero entrar en detalles sobre el por qué sería un poco prolijo (el que se sienta con ganas que busque los términos meltblown y spunbond).

Con esos datos en la mano, yo he sacado mis propias conclusiones. Que pudieran ser equivocadas pero, si lo fueran, ahí abajo está la sección de comentarios de la entrada para rebatirlas civilizadamente. La primera es que, salvo pequeñas variaciones, una mascarilla quirúrgica protege tanto en un sentido como en otro (a los demás de nosotros y a nosotros de los demás). Buscando una razón por la que nos han vendido la eficacia en una sola dirección se me ocurre que, por ejemplo en el ámbito de las empresas de alimentación, con una mascarilla se busca que el operario al respirar no contamine los alimentos que manipula, pero como el alimento no respira (o al menos no como los humanos) es poco razonable que nos tengamos que preocupar de que afecte a las mucosas del operario. Como derivada de este argumento, dada una mascarilla recién comprada, daría igual ponérsela de un lado que de otro porque el efecto de filtrado sería prácticamente el mismo. Entiendo que, una vez usada, se recomiende ponérsela siempre de la misma forma para impedir, por ejemplo, que una cara que haya estado expuesta al medio externo y sus posibles contaminantes, en un siguiente uso se coloque del lado de la boca y nariz del usuario.

Y, finalmente, los experimentos de nuestras amigas muestran que las capas externas que encierran al filtro no tienen tratamiento alguno detectable. En la propaganda de muchas quirúrgicas he leído que la capa externa lleva un tratamiento para aumentar la hidrofobicidad de la misma e impedir así que se humedezcan fácilmente y faciliten un medio adecuado para el virus que pulula por el medio. Y que la capa interna lleva un tratamiento para prevenir alergias que un uso continuado de las mascarillas pudiera producir en la cara del usuario. Al menos en la que hemos desmontado no hay rastro de esos tratamientos.

Lo anterior no debe interpretarse como un argumento en contra de las mascarillas. Nada más lejos de la realidad. No dejéis de usarlas y de hacerlo siguiendo las indicaciones de los profesionales sanitarios. Que se ve cada usuario por la calle, que es casi un insulto para las personas implicadas en la producción de estos pequeños portentos tecnológicos y en que cada vez sean mejores.

Me quedan aún unas cuantas dudas razonables sobre lo que he oído en los medios sobre la composición y usos de las mascarillas, pero necesito tiempo para aclararme.

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viernes, 30 de octubre de 2020

Hidrógeno "verde"

En la entrada anterior os hablaba de un polímero biodegradable que ha sido un auténtico "guadiana" en mi vida académica. Llevo más de treinta años (en diferentes oleadas) oyendo hablar de él como una promesa para resolver el problema de la contaminación por plásticos pero, en cada una de las ocasiones, se ha quedado en eso, en promesa. Pues con el hidrógeno, en otro nivel, me pasa lo mismo. En el libro La isla misteriosa (1874), de Julio Verne, uno de los marineros pregunta a un ingeniero sobre qué usarían para obtener energía cuando el carbón se acabara. Este le contesta que agua, descomponiéndola en sus elementos constituyentes, oxígeno e hidrógeno. Desde entonces, ha llovido mucho. En los años veinte del siglo XX se da un pasito mas que conecta con lo que hoy entendemos por hidrógeno "verde", cuando el famoso genetista y matemático británico, J.B.S. Haldane, ya vislumbraba un futuro de molinos de viento proporcionando la energía necesaria para descomponer el agua por electrolisis y usar el hidrógeno resultante como combustible para generar energía eléctrica. Ha pasado un siglo y ha habido repetidas propuestas para usar el hidrógeno como vector de energía que no detallaré aquí. Si mencionaré que, a comienzos de este siglo XXI, se produjo un rebrote importante, incluso en España, merced a un libro publicado en 2002 por Jeremy Rifkin que llevaba por título The Hydrogen Economy, traducido al castellano ese mismo año, quizás porque Rifkin asesoró al Gobierno de Zapatero sobre el tema.

En realidad, esta entrada es una puesta al día de otra que escribí en 2006 sobre el asunto y que ahora voy a actualizar. En esas semanas se presentó la Tesis Doctoral de Alberto Blázquez, codirigida por un servidor y David Mecerreyes, quien el próximo miércoles, 4 de noviembre, recibirá el Premio a la Excelencia Investigadora instituido por la Real Sociedad Española de Química. Alberto y David son antiguos estudiantes del Búho y, desde entonces, buenos amigos con una excelente carrera científica que ha estado ligada en su mayor parte a la producción de energía. En la Tesis de Alberto nos dedicamos a preparar nuevas membranas de polímeros que pudieran funcionar como elemento fundamental de las llamadas pilas de combustible de hidrógeno, el dispositivo que permite utilizar hidrógeno para generar energía. Estos dispositivos reciben la denominación de pilas porque, como cualquier otra pila, producen energía eléctrica gracias a una reacción química que ocurre en ellas y que los químicos llamamos una reacción de oxidación/reducción. En el caso de las pilas de combustible, la reacción global es la síntesis de agua a partir de hidrógeno y oxígeno, una reacción sencilla e inocua para el medio ambiente, que proporciona además una cantidad importante de energía, con un rendimiento superior al que pueda proporcionar un motor de combustión de gasolina o un motor diesel. A diferencia de las pilas convencionales que todos usamos en nuestra vida diaria, donde los reactivos están empaquetados en la pila y ésta funciona hasta que los mismos se gastan o se recargan, en las pilas de combustible hay que suministrar a la misma, desde el exterior y de forma continua, los combustibles (hidrógeno y oxígeno) que permiten que funcionen (de ahí lo de pilas de combustible). Igual que con las pilas convencionales, las de combustible pueden enchufarse en serie, consiguiendo potencias que lo mismo valen para que funcione un teléfono móvil que un autobús.

Hasta aquí todo parece perfecto para nuestro sueño de reemplazar a los combustibles fósiles con este tipo de alternativa. Pero la vida real es mucho más complicada de lo que parece indicar el planteamiento que acabo de hacer. De los dos combustibles que necesitamos, el oxígeno lo obtenemos sin problemas alimentando la pila con aire, un 21% del cual es oxígeno. Pero el problema radica en el hidrógeno. Aunque está por todos los lados en la naturaleza, rara vez se encuentra en estado puro. Lo normal es encontrarlo combinado. Sobre todo está en el agua (H2O), en los hidrocarburos que nos sirven como combustibles, como las gasolinas o el gas natural que contiene metano, y en los seres vivos (el 10% de nuestro cuerpo es hidrógeno). En definitiva, necesitamos producir hidrógeno puro para poderlo utilizar en las pilas de combustible. En la actualidad, más de la mitad del hidrógeno producido se genera a través del metano del gas natural en una reacción que, al final, además del pretendido hidrógeno proporciona como subproducto CO2. Tal y como están las cosas en el asunto del cambio climático, esa producción de anhídrido carbónico supone un considerable handicap para esta vía, a pesar de la actual disponibilidad del gas natural, derivada de los procesos de fracking que USA ha puesto en marcha. La única solución que se propone es que este proceso vaya acompañado de la captura sistemática del CO2 producido, algo que, por ahora, está muy lejos de ser viable tanto técnica como económicamente.

La otra vía para obtener hidrógeno es la misma reacción que tiene lugar en las pilas de combustible pero al revés. Esto es, aprovechemos la omnipresencia del agua en mares y océanos y extraigamos el hidrógeno contenido en su molécula, descomponiéndola, como proponía el ingeniero de la novela de Verne. ¿Sencillo?. Pues no. Si bien la reacción que ocurre en las pilas es espontánea y produce energía eléctrica y calor, la contraria, la llamada electrolisis o descomposición del agua, sólo ocurre si desde el exterior proporcionamos energía en cantidades respetables. Y aquí se nos complica el asunto. ¿De dónde sacamos esa energía?. De nuevo, recurrir a los combustibles fósiles es la pescadilla que se muerde la cola. Así que no queda más que confiar en que una potencial combinación de energías renovables proporcionadas por el viento (eólica), la luz del sol (fotovoltaica), los pantanos (hidroeléctrica) o las enormes cantidades de energía acumuladas en volcanes y en el interior de la tierra (geotérmica), sean capaces de implantarse con fuerza en procesos de génesis de hidrógeno que luego se use en las pilas de combustible. De ahí lo de hidrógeno "verde", que queda muy bien sobre el papel pero que, para conseguirlo, vamos a sudar. Aunque, estrictamente hablando, no es ciencia ficción. Naciones con recursos geotérmicos importantes como Islandia llevan años transformando su economía en una que tenga como vector de funcionamiento al hidrógeno. Y el resto de energías renovables también van mejorando con el transcurso de los años. Pero sigue habiendo muchos problemas por resolver, lo que está en el fondo de que llevemos muchos años hablando de la economía basada en el hidrógeno y esta no acabe de consolidarse.

Ahora parece (de nuevo) renacer con fuerza ante las pretensiones globales de descarbonizar nuestras fuentes de energía en breve plazo y no recurrir a la energía proporcionada por las centrales nucleares. Pero en esta nueva reaparición, como en las previas, vuelve a haber discrepancias entre partidarios y detractores. Esta misma semana, los diarios del Grupo Vocento han publicado un suplemento (Innova+, del que no puedo poneros enlace) que da por seguro que el futuro es el hidrógeno y detalla muchos aspectos en los que sería la solución a los combustibles fósiles  en automóviles, aviones, barcos,.... Y en esa vía parece ir la petrolera Repsol, de la mano de su Consejero Delegado (otro estudiante y amigo de este vuestro Búho). Pero, sin negar las potencialidades del hidrógeno y solo unos días antes, el Director Ejecutivo (o CEO que dicen los modernos) de Cidetec (también alumno y amigo y van cuatro en esta entrada) viene a decir en una entrevista en el Diario Vasco que, al menos en lo tocante a los automóviles, el hidrógeno ha perdido la batalla frente a los vehículos eléctricos provistos de baterías de litio. Los eléctricos están ya aquí y a los basados en el hidrógeno se les sigue esperando. Y pone una fecha futura de 20/25 años (largo me lo fiais Don Sancho, una vez más) como para que pudiéramos ver al hidrógeno bien implantado en automoción. Ya Rifkin, en 2002, consideraba como posible que, para estas alturas del siglo, todos anduviéramos en coches movidos por hidrógeno y es obvio que es una predicción fallida.

Para remachar lo que dice el CEO de Cidetec basta con ver lo que, en fechas recientes, han hecho las grandes empresas automovilísticas, abandonando, en gran parte, sus planes de futuro basados en coches que reposten en hidrogeneras. Este artículo de la Sala de Prensa de la web de Volkswagen, de marzo de este año, lo explica con claridad meridiana, sobre todo en la tercera de las figuras que en él aparecen, figura que compara la eficiencia en poner en la calle un automóvil basado en baterías de litio, frente a uno basado en las pilas de combustible a base de hidrógeno que nos interesaron en la Tesis de Alberto. Y solo unas pocas semanas más tarde, Mercedes anunciaba, sin ambages, el fin de su aventura en el coche de hidrógeno por ser muy costoso.

Una vez más, en estas cosas de futuro, ver venir......

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