Discurso del Profesor Daniel E. Rosner

Con motivo de su investidura como Doctor Honoris Causa en Ciencias por la UNED

• Ejemplos de la investigación de otros dos colegas

- Desarrollo de la técnica de Cromatografía Líquida - Electrospray
- Espectrometría de Masas para bioquímica analítica

• Conclusiones y «Lecciones» que deben aprenderse

1. INTRODUCCION

La ocasión de este gran honor y ceremonia me proporcionan una buena oportunidad para reflexionar sobre mis experiencias en investigación y sobre algunas de las conclusiones que he obtenido de ellas. Aunque cada uno de nosotros constituye un elemento único e irrepetible, quizás algunas de estas observaciones y ejemplos puedan ser útiles a las próximas generaciones de académicos, muchos de los cuales tendrán inevitablemente, alguna dificultad inicial «encontrando el camino» y comenzarán su carrera sin tener un alto grado de confianza en sí mismos. Algunos de estos ejemplos contienen también implicaciones para quienes se dedican a la guía y/o al apoyo financiero de la investigación de otros, como se menciona explícitamente en la sección 3. Evidentemente, los detalles específicos de mis ejemplos concretos (secciones 2.1 a 2.6) no es de esperar que sean directamente transferibles, pero ciertas «lecciones» pueden ser de aplicación más general, incluso fuera del dominio de la investigación en ciencia e ingeniería (a la que explícitamente me restringiré).

Un tema presente a lo largo de toda mi propia experiencia personal y que de hecho ha motivado mi elección del título, es que un ataque «frontal» - o a la «fuerza bruta» - a un problema aplicado de envergadura, raramente es la táctica que conduce a una solución «económica» del problema. Más bien, suele haber caminos de 'menor resistencia' (sí, [incluso caminos 'tortuosos'!) que proporcionan la idea necesaria para obtener resultados y continuar, siguiendo nuevas direcciones, a menudo imprevistas, pero en cualquier caso fructíferas.

Un segundo tema permanente es que la amplitud de miras en educación e investigación puede ser bastante fructífera. En efecto, parece que estar completamente sumergido en la tradición de una sola disciplina en particular, prácticamente, ite «condena» a limitarte a pequeños progresos, bastante poco imaginativos! Si mis ejemplos (en la sección 2, a continuación) parecen indicar algo, es que cada uno de nosotros puede explotar sus grandes conocimientos (en cierto modo no planificados, pero invariablemente únicos) incluso en esta era de cada vez mayores (pero no tan efectivos) centros de I+D, y «equipos» de investigación interdisciplinares (véase, también, la sección 3). Ejemplos del éxito de los «intrusos» abundan en la historia de la ciencia y la tecnología. A continuación, intentaré ampliar esta ya larga lista, aunque en el contexto de retos científicos o tecnológicos más modestos.

2. EJEMPLOS DE ÉXITOS INESPERADOS

2.1 De un sencillo filamento al trasbordador espacial

Mi primer ejemplo versa sobre un caso destacado, en el que una serie de experimentos en un banco de pruebas y de bajo coste, sobre sencillos filamentos, de diámetro submilimétrico, calentados eléctricamente (jcondiciones claramente alejadas de las complejidades de la reentrada hipersónica de un gran vehículo espacial tripulado en la atmósfera terrestre!) proporcionan la información necesaria para diseñar el llamado «sistema de protección térmica» del trasbordador orbital espacial de la NASA (conocido como Space Shuttle).

Si se intentan reproducir con exactitud todas las condiciones «aero-termodinámicas» encontradas por este vehículo tripulado de reentrada, se deberían construir unas instalaciones de prueba bastante grandes y muy costosas. Sin embargo, a principio de la década de 1960, el autor concluyó que si mediante una descarga de microondas se pudieran producir las especies químicas correctas en un reactor experimental de flujo de gas (esquemáticamente representado en la figura 1 a), estas especies (en este caso oxígeno y nitrógeno atómicos) podrían ser dirigidas contra materiales refractarios (por ejemplo, carburo de silicio) calentados eléctricamente, de interés futuro para cohetes y para el programa espacial. Estas mediciones podrían estar relacionadas con la probabilidad de que estas colisiones, entre el gas y el sólido, fueran capaces de 'gasificar' el material (Rosner y Allen-dorf, 1970a, b), y permitieron a los ingenieros que trabajaban en la industria, bajo contrato con la NASA, calcular cuántas «reentradas» podrían ser soportadas por los materiales escogidos finalmente para recubrir el borde de ataque y la cubierta de la nariz frontal del trasbordador Space Shuttle (figura 1 b).

2.2. La aproximación de un ingeniero, para descubrir la funcionalidad de las placas de los dinosaurios

Con anterioridad al año académico 1974-75, se admitía en la paleontología convencional que las enormes placas que se alineaban en el lomo de dinosaurios como el estegosaurio (véase la figura 2, dibujada por el autor para la portada de la revista Science) eran, en cierto modo, unas estructuras útiles para el combate de los dinosaurios con sus depredadores. En aquel entonces, un estudiante de doctorado en paleontología (James O. Farlow) se presentó en mi oficina, preguntándose si existía alguna manera de demostrar su audaz hipótesis alternativa; a saber, que estas estructuras cumplían realmente una función de disipación del calor corporal. Las implicaciones de esta hipótesis rival, de ser cierta, incluían un nivel metabólico muy superior al que se esperaría para estas criaturas prehistóricas que se suponían previamente de «sangre fría».

¿Como puede un ingeniero químico/mecánico/aeronáutico, sin formación en paleontología y sin un proyecto para financiar un estudio 'adecuado', arrojar alguna luz sobre una cuestión fisiológica tan insólita? Tras una reflexión, decidimos que quizás una combinación de observaciones de las placas de estegosaurios, conservadas en el Mueso Peabody de Yale, junto con cálculos de ingeniería sobre transferencia de calor (vpor aletas») y; a la vez, experimentos de laboratorio sobre transferencia de calor por convección, utilizando un modelo del estegosaurio (convenientemente simplificado y realizado, a pequeña escala, en aluminio) montado en un pequeño túnel de viento, iPODRíAN arrojar suficiente luz como para resolver esta pregunta! Efectivamente, los placas de los especímenes del museo revelaban las dimensiones típicas y la evidencia de orificios para vasos sanguíneos, y nuestros cálculos de «ingeniería» (de transferencia de calor por paneles o aletas), así como los experimentos en el túnel de viento con un «modelo calorímetro» ultra-simplificado en aluminio, revelaron un significativo y controlable aumento relativo en la disipación de calor, para todas las orientaciones de] viento. Este descubrimiento de la función termo-reguladora de las placas del estegosaurio, que fue publicado en la revista Science (Farlow y otros, 1976), causaró un impacto sorprendente en el mundo de la paleontología, al igual que sobre el público en general (cuyo apetito de información sobre estas extintas criaturas parece insaciable). He dejado las implicaciones más generales de este trabajo a mi joven coautor (actualmente Profesor de Paleontología) pero a mi entender, nuestros principales resultados han soportado el paso del tiempo y esta breve e inusual 'excursión fuera de la corriente principal' incluso, [me ganó temporalmente un puesto en el «Quién es quién en Paleontoíoqía»!

2.3. Investigación en carbón ¡sin carbón!

Las cámaras de combustión de carbón pulverizado, para generación de energía, deben afrontar los grandes problemas asociados con el contenido inorgánico de todos los carbones. Este contenido inorgánico conduce inevitablemente a la formación y deposición de «cenizas volantes» y, aguas abajo en la corriente, a posibles problemas de emisiones que deben ser resueltos para asegurar la operación de las centrales, a largo plazo, en la proximidad de centros urbanos. ¿Cuáles serán las leyes de deposición de partículas sobre, por ejemplo, las superficies de los intercambiadores de calor expuestos a semejantes corrientes cargadas de partículas que son producto de la combustión? Estas leyes que dependen del espectro de tamaños de las partículas producidas, ¿deben estudiarse quemando carbón realmente? Tal vez sería más ventajoso producir las partículas del tamaño adecuado por otros medios y en un ambiente de combustión que fuera mucho más fácil de controlar y caracterizar. Al principio de la década de 1980, esta estrategia fue desarrollada en nuestro laboratorio, por el simple método de pulverizar soluciones acuosas de sales de Mg, en un qumador plano de premezcla laminar (figura 3), y hacer incidir la corriente resultante con partículas de MgO, sobre láminas de platino que podían calentarse eléctricamente a diferentes temperaturas (siempre inferiores a la temperatura de los gases quemados). Puesto que la reflectividad de la lámina dependería de la porción cubierta por partículas, la pendiente en la disminución de la reflectividad podría utilizarse para obtener rápidamente el ritmo de deposición de las partículas. Estos experimentos se podían repetir para diferentes temperaturas de las cintas y de la llama. De esta forma, fuimos capaces de establecer con precisión las leyes que gobiernan el ritmo de deposición de partículas submicrónicas suspendidas sobre superficies «frías» (Rosner y Kim, 1984), proporcionando las bases para el desarrollo de teorías predictivas y de correlaciones para ingeniería (Gokoglu y Rosner, 1984) (anteriormente sólo disponibles para difusión ordinaria (Browniana) y no para situaciones dominadas por «terrnofóresis de partículas»). Además, estas nuevas leyes se utilizan, no sólo en la industria de plantas de producción de energía para predecir el ensuciamiento de los intercambiadores de calor, sino que también se utilizan para optimizar la producción de fibra óptica (Park y Rosner, 1988), para la industria de telecomunicaciones. En ampliaciones de estos experimentos, fuimos capaces de establecer las leyes que gobiernan la deposición de vapores condensables (Liang y Rosner, 1987; Castillo y Rosner, 1989a, b) y la importante interacción entre deposición de partículas y deposición de vapores (Castillo y Rosner, 1988).

2.4. Muestreo no selectivo de partículas 'invisibles'

En investigación, cada nuevo descubrimiento tiene habitualmente importantes implicaciones. Si la captura de partículas submicrónicas de aerosoles por un receptor frío está dominada por termofóresis y se puede demostrar que el ritmo con que se depositan las partículas es independiente del tamaño y morfología de las partículas (véase más adelante), entonces puede explotarse un fenómeno de laboratorio que era previamente «sufrido como una desgracia». Me refiero a la 'deriva' (debida a la captura de polvo) de la lectura de un termopar, cuando se introduce en un flujo caliente de gas 'polvoriento'. Una vez entendida esta 'deriva', como el resultado de la deposición del polvo en el termopar por el mecanismo de termofóresis, la evolución temporal de la temperatura medida puede transformarse matemáticamente en una línea recta, cuya pendiente proporciona la concentración local de partículas ('fracción de volumen de hollín'), [sin necesidad de ninguna hipótesis sobre la distribución de tamaños, ni sobre la morfología o las propiedades ópticas de las partículas (Eisner y Rosner, 1985, McEnally y otros, 1997)! Esta sencilla técnica experimental se usa ahora ampliamente, siendo incluso sensible a partículas suspendidas que no absorben la radiación visible - como ocurre con el hollín «recién formado», de tamaño nanométrico, en las llamas ricas de hidrocarburo en aire (McE-nally y otros, 1997; Koylu y otros, 1997, Basile y otros, 2002).

Nuestro análisis de la respuesta del termopar originó también, la ahora llamada técnica de 'muestreo termoforético' (conocida como TPS, por sus siglas en inglés) (Dobbins y Megaridis, 1987; Koylu y otros, 1997, Xing y otros, 1996). En este caso, el receptor frío, insertado sólo un corto intervalo de tiempo en el ambiente de la llama, contiene un soporte de los utilizados en un microscopio electrónico (EM-) y que puede ser posteriormente examinado con una magnificación de 10,000 aumentos, haciendo visibles las partículas con diámetros superiores a los 10 nanómetros. El hecho de que el muestreo termoforético sea realmente insensitivo al tamaño y morfología de las partículas, fue convincentemente demostrado teóricamente en tres artículos de nuestro grupo de investigación (Rosner y Garcia- Ybarra, 1989; Mackowski, 1990 y Rosner y otros, 1991) Y apoyado por los experimentos de Gomez y Rosner (1993). El muestreo termoforético se utiliza actualmente en todo el mundo, especialmente para determinar sin ambigüedad los tamaños de esférulas y agregados y la morfología de partículas, (véase, por ejemplo, el trabajo de Stark, 2002). Lo que hace a esta técnica tan potente (y casi indispensable) es que, a diferencia de todos los demás mecanismos de deposición [por ejemplo: la difusión Browniana (Tandon y Rosner, 1995), o la inercia de las partículas (de la Mora y Rosner, 1982; Park and Rosner, 1989, Rosner y otros, 1995)], únicamente el muestreo termoforético es 'imparcial' con respecto al tamaño, la morfología y las propiedades ópticas de las partículas.

2.5 Convección natural ¡en ausencia de gravedad!

El sistema del trasbordador espacial mencionado en la Sección 2.1, operacional desde ya hace unos 20 años, ha proporcionado el acceso a condiciones de gravedad reducida y larga duración, para muchos estudios fundamentales en física, química y biología, e incluso para ciencia de materiales (por ejemplo, en crecimiento de cristales). La mayoría de los científicos e ingenieros, involucrados en el diseño de tales experimentos de crecimiento de cristales, esperaban eliminar la convección yendo a condiciones de gravedad «casi nula". Esta ausencia de convección simplificaría en gran medida el análisis de, digamos, experimentos sobre transporte físico de vapores en los que un material de interés se sublima en el extremo caliente de un pequeño recipiente, mientras que en el otro extremo del mismo recipiente crece formando capas cristalinas (una «arnpoíla»).

Pero, si las partículas sólidas suspendidas en un gas pueden «nadar» en dirección contraria al gradiente de temperatura existente (véase la Sección 2.4), ¿Por qué no podrían igualmente, las paredes sólidas no isotermas de la ampolla en el crecimiento del cristal, «bombear» una corriente en el gas, incluso en ausencia de gravedad? Esta predicción (Rosner, 1989; Rosner y Papadopoulos, 1996; véase la figura 5) cogió «por sorpresa» a muchos en las comunidades de mecánica de fluidos continuos, y de crecimiento cristalino, y motivó un aluvión de investigaciones internacionalmente (que continua hoy día). Efectivamente, la 'microgravedad' puede ser el ambiente más atractivo para estudiar la condición de 'deslizamiento térmico' que se aplica a un fluido viscoso en contacto con una pared sólida no isotérmica. Una forma especialmente simple de abordarlo, sería estudiar y analizar con varias esferas de pequeña inercia, recubiertas de materiales de baja conductividad térmica, el arrastre «Ioto-forético» que las aleja de una misma fuente luminosa de alta intensidad -- efecto que el autor ha llamado un experimento de «carrera espacial». Desafortunadamente, a fecha de hoy, aún no han sido proporcionados los recursos necesarios por la NASA, para llevar a cabo esta idea.

2.6. Amplificación del poder analítico de los cromatógrafos y espectrómetros de masas: El «Electrospray» como adaptador

Mi último ejemplo proviene del trabajo de dos de mis, durante mucho tiempo, colegas del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Yale. Durante los últimos 30 años, en este Departamento de Yale han existido dos grandes líneas de investigación, iincluso más alejadas de la línea central que la mía propia! Una era del Profesor Csaba Horvath; una evolución de la técnica denominada Cromatografía Líquida de Alto Rendimiento (abreviada por las siglas HPLC, en inglés). Esta evolución, usada intensivamente para separaciones bioquímicas, está ampliamente acreditada y Horvath aparece, por derecho propio, listado entre los 200 químicos aplicados más notables del recientemente pasado siglo. La segunda, y aparentemente independiente, línea de investigación era el desarrollo y aplicación del análisis mediante Espectrometría de Masas (MS-) de haces moleculares de alta intensidad del Profesor John Fenn. Parece una ironía que entre 1984 y 1994, intervalo en el que celebró su 70 cumpleaños, Fenn obtuvo [usando una técnica denominada de inyección líquida por «electro-spray" (ES-), Fenn y otros, 1990] una forma de introducir proteínas y otras macromoléculas de carga múltiple, en un espectrómetro de masas para análisis de carga/masa. Digo que una ironía, porque la combinación 'en serie' de LC-ES-MS (véase la figura 6) constituye ahora para la comunidad bioquímica, farmacéutica y de ingeniería, quizás LA herramienta analítica disponible más potente -- [una herramienta mucho más potente que HPLC o MS por «si mismas"! Por este último descubrimiento, «el electro-spray como adaptador", John Fenn (ahora con 85 años de edad) ha sido uno de los galardonados con el Premio Nobel en Química en este año 2002.

3. ALGUNAS LECCIONES Y CONCLUSIONES

He seleccionado unos cuantos ejemplos representativos de mi propio 'viaje' por la investigación, presentándolos aproximadamente en orden cronológico. Tengo mis dudas sobre si con ello puede apreciarse en detalle una cierta 'trayectoria profesional'. y es prácticamente imposible para mí, cuantificar las numerosas influencias que han contribuido a mi propia carrera. El papel de personas rnodélicas ha tenido un impacto determinante, incluyendo el de aquellos colegas a quienes 'he conocido' sólo por leer sus trabajos y biografías. A esta categoría pertenecen químicos, físicos, ingenieros y matemáticos cuyo legado escrito se conserva, afortunadamente, para las futuras generaciones de investigadores. Me sentí indudablemente atraído hacia el ambiente universitario de investigación, donde he sido suficientemente afortunado como para ser capaz de crear un grupo interdisciplinario de investigación [en el área genérica de Ingeniería de Reacciones Químicas a Alta Temperatura, High Temperature Chemical Reaction Engineering (HT-CRE)] con una orientación hacia la «combustión" (Rosner, 1997); así como por atraer y trabajar con un grupo internacional de estudiantes de doctorado e investigadores post-doctorales de talento,

Agradecimientos:

Es un placer agradecer a mis anteriores y actuales colaboradores y coautores, cuyos trabajos se citan en la Sección 4 y en mi libro de texto (Rosner, 2000), así como a todas las agencias que han patrocinado la mayor parte de la investigación brevemente discutida aquí. Entre estas agencias se encuentran: US-AFOSR, NASA, DOE y NSF, además de las ayudas de las industrias afiliadas a mi laboratorio HT-CRE en Vale, entre las que se incluyen duPont, Babcock and Wilcox, ALCOA, SCM-Chemicals, GE y United Technologies.

4. REFERENCIAS CITADAS

Figura 1a. Reactor de flujo (esquemático) para el estudio del ataque al material  sólido refractante de carburo  de silicio  (SiC en forma de filamento) por mezclas  gaseosas de oxígeno atómico y nitrógeno atómico [reproducida a partir  de  Rosner y Allendorf (1970a)].

Texto en la figura:

Microwave cavity = Cavidad de microondas Titrant inlet = Entrada del dosificador Specimen = Muestra
To pumps =A las bombas
Current = Corriente
To potentiometer =Al potenciómetro

Figura 3. Técnica de la reflectividad de láminas para estudios  experimentales en tiempo real de la deposición  inducida por termofóresis de partículas submi-crónicas de MgO(s), a partir de una corriente laminar de productos gaseosos de combustión [reproducida  a partir de Rosner y Kim (1984)]

Texto en la figura:

Chopper= Interruptor  pulsatorio

Pt ribbon = Lámina de Platino

Burner = Quemador
Filler = Filtro
Photo Transducer = Foto detector

Reflected SignaL= Señal reflejada

Optical Fiber = Fibra óptica

Photomultiplier = Fotomultiplicador

Seeded Pre-Combustion Gas Supply =Suministro de gas de pre-combustión dopado
Pico-ammeter  = Pico-amperímetro
Lock-in Amplifier = Amplificador síncrono
Scattered Signal = Señal dispersada
Reference  Signal = Señal de referencia

Figura  4. Comparación de las concentraciones locales de hollin  (fracciones por  volumen  en partes  por  millón,  ppm)  medidas por dos técnicas indepen­dientes: por  la  "respuesta del termopar" (Sección 2.4, marcada como "TPO" ), y por extinción de luz láser (marcada como «LLE") [reproducida a partir de McEnally y otros (1997)]

Texto en la figura:

Local Soot Volume Fractions  = Fracciones por volumen  de hollín

TPD vs LLE Techniques = Técnica TPD frente a técnica  LLE

Counterflow Non-Premixed Flames = Llamas en flujos contracorriente no premezclados

Ethene = Etano

Methene = Metano

Figura  5. Predicción  de las corrientes en el gas ('promovidas' por las paredes  sólidas no isotérmicas)  dentro de un recipiente  rectangular, en ausencia de gravedad [reprodu­cida a partir de Rosner y Papadopoulos  (1996)].

Texto en la figura:

Cold wall = Pared fria

Side-wall = Pared lateral

Hot wall = Pared caliente

Figura  6. Instrumento "en  serie" , cromatógrafo líquido,  electro-spray y espectrómetro de  masas  («LC-ES-MS") (esquemático) desarrollado como  resultado  de  la investiga­ción de los Profesores C. Horvath y J.B. Fenn en el Departamento de Ingeniería Quími­ca de la Universidad de Yale.

Texto en la figura:
Eluant + Sample = Efluente + muestra
Capillary w. adsorbent  =Capilar con adsorbente
HPLC output = Salida del HPLC
Liquid chromatograph = Cromatógrafo líquido

Liquid sample  = Líquido de muestra

Cylindrical electrodo= Electrodo cilíndrico

Needle  = Aguja
Drying  gas = Gas de secado
Electro-spray Interface =
Electro-spray como dispositivo acoplador entre los otros dos
Capillary  = Capilar
Pumping stage = Etapa de bombeo
Skimmer  = Enrasador
Electrostatic lenses = Lentes electrostáticas
Quadrupole mass spectrometer  = Espectrómetro de masas cuadripolar
Analyzer Chamber  = Cámara del analizador

Madrid, noviembre 2002