Ivonne Elizabeth Ventura Rosales de Orizaba, en el estado de Veracruz, México, siempre supo que la física era su destino. Alentada desde pequeña por su padre y maestros, y con un talento innato por las matemáticas y la ciencia, comenzó una licenciatura en física en la Universidad Veracruzana. Fue justo aquí donde Ivonne decidió darle a su vida un giro de 180°, pues toma la decisión de mudarse a Austria para continuar su carrera en el área de física.
Nuestro día a día depende en gran parte de la física. La ley de gravitación universal nos mantiene anclados al suelo en el que caminamos; las ondas de radio, una forma de energía, nos permiten llamar a nuestros amigos por nuestro teléfono celular; podemos literalmente ver nuestros huesos gracias a la radiación electromagnética de los rayos x. Para Ivonne, la física siempre representó una fuente infinita de posibilidades. “Siempre tuve una curiosidad muy grande de saber cómo funcionan las cosas, el mundo, y la física te enseña mucho de ello”, aclara ella. A un año de haber empezado su doctorado, Ivonne forma parte del prestigioso grupo de “Física Computacional y de Materia Blanda”, liderado por el reconocido Profesor Christos Likos. Actualmente, colabora con investigadores de varios institutos y universidades, entre ellas, la Universidad Técnica de Viena, la Universidad Sapienza de Roma, la Universidad de Ljubljana y el Instituto Jožef Stefan
Históricamente, Austria ocupa un lugar especial en la física; durante los siglos IXX y XX físicos austriacos como Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Víctor Hess y Lise Meitner ayudaron a establecer la base de áreas importantes, como lo son, por ejemplo, la física nuclear y mecánica cuántica. Es precisamente bajo este antecedente, que Ivonne elije Austria como el lugar ideal para desarrollarse profesionalmente. Decir que lo más difícil fue dejar México, sería subestimar el tremendo esfuerzo de Ivonne, ya que a pesar de haber cursado cerca de tres años de estudios en México, únicamente le revalidaron un pequeño porcentaje de estos en Viena, por lo que prácticamente tuvo que empezar una licenciatura nueva. Como si eso no fuera poco, Ivonne tuvo el reto de aprender alemán lo más rápido posible para lograr integrarse a sus clases y compañeros. Al término de su licenciatura, comienza una maestría en física teórica del estado sólido enfocada en las propiedades de los materiales superconductores de alta temperatura. Finalmente, después de años de haber dejado su país, cualquier sacrificio valió la pena, ya que después de escribir una propuesta de investigación, Ivonne gana una beca del Ministerio para la Investigación, Educación y Ciencias del gobierno austriaco para realizar un doctorado en la Universidad de Viena. Su tesis titulada, “Coarse-graining and self-assembly of associating polymer in confined geometry”, combina la física teórica con la física computacional para investigar las propiedades de copolímeros dibloque en una simetría confinada.
Para entender el trabajo de Ivonne, debemos empezar por lo más simple, ¿qué es un polímero? “Los polímeros son macromoléculas compuestas por pequeñas estructuras repetitivas llamadas monómeros, las cuales se encuentran unidas entre sí. Los polímeros se pueden clasificar de acuerdo con la clase de monómeros que tienen. Por ejemplo, los homopolímeros solo tienen una clase de monómeros, mientras que los copolímeros tienen dos o más clases de monómeros”, explica Ivonne. Los polímeros se encuentran en todos lados, aunque su estructura depende del tipo de moléculas que los forman y los vínculos que las unen. Así que, mientras unos polímeros son flexibles, otros pueden ser rígidos. ¿Un ejemplo común? usualmente todo el plástico que utilizamos contiene polímeros sintéticos, mientras que materiales como la madera o el algodón contienen polímeros naturales. ¡Hasta nuestros aminoácidos y ácidos nucleicos son polímeros que forman proteínas y ADN respectivamente! Los copolímeros que Ivonne investiga tienen una característica adicional: tienen forma de estrella. Se trata de la forma de polímero más simple, en donde varias cadenas de monómeros se unen en un punto, o núcleo, central. Otra característica importante de los copolímeros estrella, es que cada uno de sus brazos está conformado en secciones, por dos tipos de monómeros: solvofílicos (es decir, que son atraídos al agua), y solvofóbicos (que repelen el agua). Veamos esto más a fondo.
Los copolímeros tipo estrella, comenta Ivonne, tienen “la propiedad de ensamblarse a sí mismos y forman estructuras distintas llamadas esferas patchy, las cuales uno puede manipular, ya sea, por ejemplo, cambiado la temperatura o el grado de compresión en el que se encuentran”. Algo parecido a esto. Basándose en modelos teóricos y simulaciones, Ivonne investiga las propiedades de los copolímero estrella en un llamado “sistema en confinamiento”, para luego estudiar su elasticidad y las características de su forma. ¿En qué consiste esto? La respuesta es simple y muy complicada. Verán, los copolímero estrella, tienen una forma natural o “relajada”, la cual cambia, por ejemplo, bajo diferentes temperaturas y grado de compresión. Como veremos más adelante, esto tiene importantes aplicaciones. Para encontrar esta forma relajada, Ivonne lleva a cabo una serie de simulaciones, en una computadora, o, para ser exactos, el supercomputador VCS-3, ubicado en el Vienna Scientific Cluster, y el cual, Ivonne comenta, “fue catalogado como el supercomputador número 82 (junio 2019) más potente del mundo de una lista de 500, lo cual lo coloca en una posición muy buena a nivel mundial”. El supercomputador tiene la capacidad de ejecutar un código particular y así calcular las ecuaciones matemáticas de un sistema de confinamiento en el que cada copolímero estrella y las condiciones en las que se encuentra pueden ser manipuladas. Se puede imaginar un objeto entre dos paredes, las cuales se pueden ajustar para que acerquen más o menos al objeto.
En términos generales, el trabajo requiere de tres pasos importantes: (1) por medio de una simulación, un copolímero estrella se coloca en el sistema de confinamiento en el cual, “las paredes” no se mueven. A través de un algoritmo, cada monómeros en los 30 brazos del copolímero estrella interactúan entre sí, hasta llegar a su forma relejada. Dado que los brazos del copolímero estrella son frágiles, “la simulación se debe de hacerse lentamente, para evitar romperlos”, aclara Ivonne. Una sola etapa de la simulación puede contar con más de con 1 billón de iteraciones de los cálculos matemáticos. (2) Una vez que la estrella se encuentra relajada se fija al centro del sistema, y es en ese momento, en el que Ivonne comienza a aplicar presión, pues mueve las paredes del sistema para cambiar el grado de compresión. A una determinada distancia, Ivonne, aplica el algoritmo nuevamente y 1 billón de iteraciones después, se observa el estado relajado del copolímero. (3) Ivonne repite este proceso siete veces más, con un billón de iteraciones por día, para comprobar que la forma relajada del copolímero no se haya dado por pura casualidad. Después, Ivonne comprueba que la simulación fue correcta a través de cálculos matemáticos. Dependiendo del número de monómeros solvofílicos (o grado de anfifilicidad), temperatura y grado de compresión, los copolímero estrella van a tener una forma relajada diferente y van a poder formar diversos sistemas geométricos. En su artículo "Shape control of soft patchy nanoparticles under confinement", recientemente publicado en la revista científica Nanoscale, Ivonne muestra algunas de las formas relajadas que los copolímeros pueden tener.
Podemos empezar a imaginar las posibles ramificaciones de la investigación de Ivonne, la cual, “tiene aplicaciones muy positivas en varios campos, como las ciencias de materiales o en la medicina". En el primero de estos campos, existe la posibilidad de estudiar cuasicristales, un tipo de cristal que hasta hace poco tiempo, se consideraba imposible de existir. A diferencia de un cristal, el cual tiene una composición geométrica exactamente idéntica, los cuasicristales tienen un patrón el cual nunca se repite, aunque se da de forma ordenada. Algo que se ve así. Para Ivonne, esto es de particular interés, pues quiere saber si los copolímero estrella pueden formar cuasicristales, y si es así, cuál es su grado de estabilidad tomando en cuenta diferentes variables, como temperatura y tipo de fuerza. “Cuando varias estrellas del mismo tipo se juntan espontáneamente en un sistema geométrico, pueden formar diferentes materiales“, dice Ivonne, y, tomando en cuenta que los cuasicristales se han utilizado para la creación de numerosos artículos, como lo son sartenes antiadherentes y lámparas LED, las posibilidades son realmente emocionantes. En el segundo campo, los copolímero estrella, “han ayudado a diseñar nuevos tipos de suministros de medicamentos portadores de anticancerígenos para terapias contra el cáncer”, comenta Ivonne. Existen retos, ya que aún no se sabe, por ejemplo, cómo evitar la degradación prematura de las cadenas de monómeros para optimizar el suministro de medicamentos. Igualmente, existen obstáculos a nivel técnico para que los investigadores realicen simulaciones más exactas. En el pasado, las cadenas monoméricas de los polímeros se tenían que ajustar manualmente por medios químicos. Dado que todos los polímeros son nanométricos, y se necesitan miles de millones para hacer un material estable, este trabajo era increíblemente laborioso. El desarrollo de supercomputadoras ha optimizado este proceso, aunque, “siempre son muy bienvenidas supercomputadoras cada vez más potentes y rápidas”, aclara Ivonne.
Después de acabar su doctorado, Ivonne menciona que le gustaría continuar con un posdoctorado, aunque desconoce dónde aún. Vaya que tiene mucho que descubrir aún. “La belleza de la naturaleza me impacta”, dice Ivonne, “ver un sistema desconocido y ver la simetría y geometría es algo realmente bello”. Al acabar de escribir este artículo, no puedo evitar compartir su asombro.
