Sonic Quantum Dots

Sonification of free dance motion. http://emusicology.org/article/view/3926/3557

El programa de la iniciativa Nacional por la Nanotecnología de EEUU nació en el 2000, y en el año 2010 se elaboró un informe donde se mostraban las pautas a seguir para continuar desarrollando la investigación y la producción tecnológica hasta 2020. Entre el 2015 y el 2016 han surgido multitud de artículos que evalúan el estado del arte y los progresos alcanzados de este último programa. La lista de los avances es enorme. Para aquellos interesados recomiendo consultar algunos de los artículos de revisión que se están publicando en las revistas más prestigiosas [1] [2]. Sin embargo, en este post quiero detenerme sobre un descubrimiento de la nanotecnología que me ha llamado la atención:   la propuesta y la formación de nuevas librerias de nanomateriales.

En un reciente artículo publicado en Science [3] se ha conseguido construir una libreria de nanoparticulas metálicas en función de la distinta composición de Oro, Plata, Cobre, Cobalto y Niquel. Con estos elementos han sintetizado nanoparticulas unitarias (formadas por un solo material), binarias (por dos), ternarias (por tres), cuaternarias (por cuatro) y una última posibilidad de quinaria. Pero, ¿por qué me parece importante este tipo de estudio? Como señala Javier García Martínez, la nanotecnología proporciona una tercera dimensión a la tabla periódica [4]. El control de la materia nanoestructurada nos permite ensamblar compuestos atómicos que se comportan de forma distinta a la de los propios átomos por separado, pero también de la materia a escala ordinaria. Es más, sus propiedades dependen de parámetros como el tamaño, la forma, la tensión cristalina, el entorno químico, … Tenemos pues nuevos ladrillos para ensamblar nuevas estructuras, cuyas propiedades no dependen estrictamente de las características atómicas, sino de su modelado nanoscópico. Se abre, pues, un nuevo paisaje de posibilidades. Pero, claro, ante ese nuevo paisaje pueden resultar muy útiles los mapas, esquemas o representaciones que nos guien por ese inmenso mundo nanométrico. Esa es la tercera dimensión a la que hacía referencia García Martínez. La misma que puede estar comenzando a dibujarse con la propuesta de esas nuevas librerias de catalogación de nanoestructuras.

De este tipo de iniciativas podemos esperar desde grandes avances prácticos, hasta, por qué no, el surgimiento de nuevos patrones en estas librerias que nos indiquen regularidades, y, por tanto, una nueva forma de entender y comprender la materia nanoestructurada. Todo esto me suena enormemente a aquellas investigaciones previas al descubrimiento de la tabla periódica. Sin embargo, quizá podamos ir un poco más allá. Aunque la propuesta de estos sistemas de clasificación de nano «cosas» puede resultar muy sugerente, quizá no estemos usando toda la potencia tecnológica y conceptual que este siglo XXI nos ofrece. ¿A qué me refiero? Bueno, en el fondo esta catalogación sigue un esquema estético o formal realmente muy superado: patrones de color sobre el plano 2D de un folio, independientemente de que el folio sea la pantalla de un ordenador o un A4 impreso. Creo que es imperativo científico buscar nuevas formas de representación conceptual coetáneas a la misma investigación científica. Representar mapas de colores bajo un plano cartesiano pudo seguir significando una ruptura científica en el siglo XIX, pero dudo que hoy en día, con todo el avance tecnologico existente, sirva para extraer todo el jugo que los nuevos conceptos almacenan.

Este tema choca diréctamente con alguna de las discusiones internas que hemos desarrollado en el seno de Piratas de la Ciencia. Por ejemplo, hace unas semanas nos preguntabamos ¿qué sentido humano es el que alberga más complejidad? En un principio muchos se decantaban por la vista, aunque otros pensabamos que el organo sensorial más extenso en nuestro cuerpo era la piel. La cantidad de información que recibimos todos los dias a través del tacto debe ser descomunal. Al hacer una busqueda bibliografica rápida no me ha quedado claro cual es la respuesta [5] [6], porque hay que distinguir entre la capacidad de transmisión de datos (lo que se suele llamar ancho de banda) y los datos que podemos asimilar de forma consciente. Es más, se podría distinguir entre anchos de banda con compresión, información con o sin interrupción (de entrada continua o pulsada), y muchos otros factores. Pero, desde luego, podemos entender fácilmente que recibimos muchísima información de nuestro entorno que no proviene de la vista. Entonces, ¿por qué no usar otro de nuestros sentidos para buscar ese tipo de patrones en la materia nanoestructurada? En concreto, ¿por qué no usar el oido?

Usar datos acusticos para desarrollar una investigación científica puede sonar raro, aunque no lo es tanto. Los médicos usan el oido para poder acceder a zonas no visibles de nuestro cuerpo todos los dias. La cantidad de información que obtienen cuando nos auscultan es muy grande. Pero no solo los médicos usan el oido. Alguno de vosotros recordará la película Contact, donde uno de los lideres de proyecto, ciego, se dedicaba a escuchar los patrones de sonido. Bueno, sea o no real ese personaje de la pelicula, Wanda Diaz Merced, astrofísica y ciega, usa técnicas de sonificación para convertir sus datos a sónidos, y continuar asi su carrera investigadora [7]. Este tipo de sonificación, en realidad, no es una mera traducción, sino que significa una representación alternativa, y por tanto nueva. Por ejemplo, si el Lazarillo de Tormes se traduce al alemán, probablemente en el camino pierda todo su lastre cultural, que es mucho. Entendemos pues que la traducción no es inoqua, sino que es generadora de innovación per se. A los datos les pasa lo mismo, traducirlos a otro sentido nos proporcionará una nueva forma de acercarnos a ellos, y por tanto de abordarlos.

Este puede ser el contexto del trabajo que viene realizándose en la Allosphere Research Facility, dirigida por la profesora JoAnn Kuchera-Morin’s de la Universidad de California Santa Barbara [8]. Esta instalación se puede entender desde un punto de vista musical, y por tanto como un instrumento, o desde un punto de vista de investigación, y por tanto como un espacio para representar datos científicos. Entre los datos representados a través de proyecciones visuales y sonificaciones se encuentra la precesión del espín del electrón confinado en puntos cuánticos semiconductores. Exacto, volvemos a la nanotecnología. ¿Y qué es un punto cuántico?

Un punto cuántico (QD del inglés Quantum Dot) es un semiconductor de un tamaño tan pequeño que sus electrones quedan confinados por el propio material. Estos electrones no tienen capacidad de moverse. Por tanto, la energía de esos electrones queda restringida a pocos valores discretos, exáctamente como sucede con los electrones de un átomo simple. De hecho, el nombre popular de los QDs es precisamente «átomos artificiales». Las características electrónicas y espectrales de un QD se parecen muchísimo a las propias características de un átomo, aunque un QD está compuesto por cientos o miles de átomos. O sea que, simplemente cambiando el tamaño o la forma del QDs digamos que podemos cambiar de átomo artificial. Efectivamente, estamos accediendo de esta forma a esa tercera dimensión de la tabla periódica. Una de las técnicas habituales para estudiar las propiedades de los QDs es medir los espectros de la luz que emiten, tal como se hizo entre los siglos XIX y XX con el descubrimiento de las series de Balmer, Lyman, Paschen, … en el desarrollo científico de la teória atómica. Esos espectros son representaciones visuales en 2D, o sea, en un plano, con dos ejes cartesianos. Habitualmente longitud de onda (energía) frente a intensidad de la luz. Esta es la técnica habitual, que, aunque la luz de emisión de los QD pueda no ser visible, finalmente la traducimos a una representación cartesiana visible por nuestros ojos. Pero, ¿y si lo hiciésemos de forma distinta?, ¿y si usásemos el sonido en lugar de la vista?

Este fue el tema central de la colaboración que realicé junto a mi compañero Eathan Janney en Julio de 2015 durante la segunda edición del Scientific Delirium Madness, en Palo Alto, California [9]. Eathan es neurocientífico y un inmenso pianista de Jazz. En una de las primeras jornadas de esta residencia arte y ciencia Eathan se animó para hacer algo de running por las inmediaciones del rancho. Durante el camino estuvimos charlando sobre los QDs, sobre sus características de emisión discreta y su catalogación como átomos artificiales. Eathan en seguida comenzó a buscar analogías musicales y decidimos ponernos a trabajar sobre un proyecto, sin saber tampoco muy bien dónde ibamos a llegar. A los pocos dias teníamos listo un método de traducción de espectros de QDs a sonidos que tenia en cuenta tanto el tono como el ritmo. Hizimos una traducción de cuatro QDs con tamaños distintos, y presentamos el proyecto a la jornada de puertas abiertas de la residencia [10]. El trabajo lo publicamos finalmente en la revista Leonardo, donde quisimos enfatizar la idea de que este tipo de traducción podria servir para realizar librerias acústicas de propiedades de nanomateriales [11]. Por otro lado, también quisimos señalar que este tipo de traducción podria servir para generar nuevas escalas musicales que a su vez podrian usarse para hacer nuevas composiciones. Nos parecía que la potencia de desarrollar patrones se entremezclaba entre los propósitos científicos y compositivos. Quizá, al hacer música con este tipo de sonido, podríamos estar buscando nuevas relaciones entre nanomateriales. O todo lo contraio, las propias relaciones entre nanomateriales podrian cristalizar como composiciones acústicas. Sea como fuese nos encantaría ver alguna vez un conjunto de datos lo suficientemente grande como para poder ser escuchado y visualizado en espacios como el propio Allosphere.

Pero la historia no acaba aqui. Como decía al principio, no sabemos muy bien qué sentido humano es el más potente. Cuál de ellos contiene y transmite más información. Por tanto, ¿por qué no seguir traduciendo estos espectros a otros sentidos, como por ejemplo al tacto? Este fue precisamente el proyecto que realizaron Isabel Ruiz González (estudiante del Máster de Artes Visuales y Multimedia de la UPV) y Rafael Muñoz Mármol (estudiante del Máster de Física Avanzada de la UV), siguiéndonos los pasos a Eathan y a mi. En su sistema usaron el mismo protocolo de traducción que definimos, adaptándolo para el propio sentido del tacto. Isabel desarrolló un guante, donde en cada extremo de cada dedo se había alojado un sensor piezoeléctrico que al ser presionado devolvía un patrón de vibración. El trabajo, Glove Device, Quantum Dot Experience, se presentó en el contexto de la Exposición Arte y Ciencia de las jornadas Expociencia 2016 (Universidad de Valencia) [12], como colaboración entre el Máster de Artes Visuales y Multimedia de la UPV, la asociación Piratas de la Ciencia y el Instituto de Ciencias de los Materiales de la UV. La investigación de Isabel y de Rafael estudiaba los patrones de vibración que el ser humano puede usar para comunicarse, los rangos y las sensibilidades. Aunque su trabajo fue un primer acercamiento, de este tipo de investigaciones se pueden desprender alternativas tecnologicas para posibles tablets o pantallas interactivas.

El camino a recorrer en este campo es inmenso, como lo es la propia nanotecnología. Las puertas que se pueden abrir al trabajar de forma interdisciplinar, como hemos defendido continuamente en Piratas de la Ciencia, son también muchísimas, pero sobre todo son inciertas. ¿No es ese, el descubrimiento, el propio objetivo científico?