Descubriendo lo invisible: cómo los científicos interpretan las evidencias

M. en C. Beatriz Adriana Rivera Escoto, Técnica Titular "C", División de Materiales Avanzados, Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (IPICYT).

uando un electrodoméstico o un automóvil falla, lo primero que hacemos es buscar evidencias que nos ayuden a entender qué está ocurriendo. Supongamos que una licuadora no enciende. Antes de concluir que está descompuesta, verificamos si está conectada a la corriente eléctrica. Si lo está, buscamos otras pistas: ¿hay electricidad en la casa?, ¿funcionan otros aparatos?, ¿se disparó algún interruptor? De manera similar, cuando un automóvil no arranca, observamos si encienden las luces, si funciona la radio o si aparece algún mensaje de advertencia en el tablero.

Algo parecido ocurre cuando enfermamos. Un médico rara vez puede identificar la causa de un padecimiento con una simple observación. Por ello pregunta por los síntomas, realiza una exploración física y, en ocasiones, solicita análisis clínicos o estudios complementarios. Con toda esta información construye un diagnóstico y determina el tratamiento más adecuado.

Este proceso forma parte de nuestra vida cotidiana, es decir, no siempre observamos la causa del problema, sino que recopilamos información, elaboramos explicaciones que nos ayudan a comprender lo que ocurre y posteriormente tomar decisiones a partir de ello. 

¡Sigue nuestro canal de WhatsApp para más noticias! Únete aquí

Lo mismo ocurre con los científicos. Este cuestionamiento y el planteamiento de posibles explicaciones son esenciales en la descripción de fenómenos que no podemos percibir con nuestros sentidos, lo cual ha permitido alcanzar grandes descubrimientos, como la identificación de la estructura del ADN o la detección de planetas fuera de nuestro sistema solar. Ninguno de estos hallazgos surgió de una observación directa, sino de la interpretación de múltiples evidencias obtenidas mediante diferentes técnicas y disciplinas científicas. A partir de ellas se construyeron hipótesis, se diseñaron experimentos y se desarrollaron modelos que permitieron explicar una realidad que permanecía oculta. 

Podemos pensar en un científico como un investigador de un crimen. Cuando un detective llega a la escena de un crimen, normalmente no presencia los hechos. Lo que encuentra son huellas, rastros y evidencias. A partir de ellas reconstruye una historia. De manera similar, los científicos utilizan instrumentos especializados para recolectar señales que les permitan comprender la estructura, composición o propiedades de un material. Para ello es indispensable la creatividad para formular preguntas, interpretar evidencias y conectar datos aparentemente aislados hasta construir una explicación coherente.

En el campo de los materiales avanzados, como en muchas otras ramas de la ciencia, el científico rara vez observa directamente aquello que desea conocer. En lugar de ello, recopila señales, imágenes y patrones experimentales que le permiten inferir cómo está construido un material y por qué se comporta de determinada manera.

En realidad, ningún instrumento es capaz de revelar por sí solo toda la información de un material. Los resultados de cada técnica de caracterización empleada funcionan como un conjunto de pistas. Algunas permiten conocer de qué elementos químicos está compuesto; otras muestran cómo están acomodados sus átomos, qué tan ordenada es su estructura o incluso cómo luce su superficie a escala nanométrica (menor que el grosor de un cabello humano).

No podemos mirar cada resultado por separado, sino que es necesario recopilar diferentes tipos de información, analizarlos de manera conjunta y comprender cómo se relacionan entre sí. Una vez recopiladas todas las evidencias, si estas coinciden, es posible construir una descripción mucho más completa y confiable del material, pero si alguna de ellas parece contradecir a las demás, lejos de representar un fracaso, suele ser una oportunidad para descubrir que existe un fenómeno más complejo de lo que inicialmente se pensaba, y plantear nuevas hipótesis o diseñar experimentos adicionales que permitan encontrar las piezas faltantes. 

Así como un médico solicita distintos estudios para llegar a un diagnóstico, los científicos emplean diversas técnicas para conocer un material. A este proceso se le conoce como caracterización de materiales y consiste en reunir las evidencias necesarias para comprender de qué está hecho un material, cómo está organizado y por qué presenta determinadas propiedades. 

Veamos cuáles son las pistas que ofrecen algunas de las técnicas más utilizadas por los científicos para obtener estas evidencias y las preguntas que cada una de ellas ayuda a responder en la ciencia de materiales. 

Microscopía Electrónica de Barrido

Esta técnica de caracterización permite observar la superficie de un material con un nivel de detalle imposible de alcanzar a simple vista. Es como acercarse miles de veces hasta examinar su relieve, textura, forma y la manera en que se distribuyen sus estructuras superficiales. 

A partir de las imágenes obtenidas, conocidas como micrografías electrónicas, los científicos pueden formular hipótesis sobre la morfología del material e inferir características como el tamaño y la forma de las partículas, la presencia de poros, grietas, defectos o el modo en que crecieron determinadas estructuras. 

Difracción de Rayos X

Mientras que la microscopía electrónica nos muestra cómo luce la superficie de un material, la difracción de rayos X permite conocer cómo están ordenados los átomos dentro de un material cristalino.

Lo fabuloso de esta técnica es que, aunque los átomos son demasiado pequeños para observarse directamente, cuando un haz de rayos X interactúa con ellos produce un patrón característico de difracción, parecido a una huella digital. Cada material cristalino genera un patrón distinto, de modo que, al analizarlo, los científicos pueden identificar qué compuestos cristalinos están presentes e inferir cómo están organizados sus átomos.

Espectroscopía Raman

La espectroscopía Raman nos proporciona información sobre la forma en que esos átomos están enlazados y vibran entre sí. Cuando iluminamos un material con una fuente de luz monocromática como un láser, una fracción muy pequeña de esa luz cambia ligeramente su energía al interactuar con las vibraciones de las moléculas o de la red cristalina. Ese cambio genera un espectro característico que funciona como una especie de "firma molecular" del material. De esta forma se pueden identificar compuestos, distinguir materiales con estructuras similares o detectar pequeñas modificaciones en su estructura e incluso estudiar cambios provocados por esfuerzos mecánicos, temperatura o reacciones químicas.

En conclusión, cada una de estas técnicas responde preguntas diferentes sobre un mismo material. Ninguna, por sí sola, proporciona toda la información necesaria. Cada espectro, micrografía o patrón de difracción representa una pieza de un rompecabezas, que, al combinarse, permite construir una descripción más completa y confiable de un material. Al igual que un médico integra síntomas y estudios clínicos para emitir un diagnóstico, o un detective reúne distintas pistas para reconstruir un hecho, los científicos son quienes, con base en su conocimiento, experiencia y creatividad, interpretan esas evidencias para darles significado. Un conjunto de datos puede parecer solo una serie de líneas o cifras, pero para quien ha aprendido a leer ese lenguaje representa la historia del material y las pistas necesarias para comprender su estructura, composición y propiedades.

Después de más de una década trabajando en un laboratorio de caracterización de materiales, sigo encontrando fascinante que cada experimento represente una nueva oportunidad para obtener los datos que nos permiten formular hipótesis, y así comprender mejor los materiales que nos rodean. Al final, esa es quizá la mayor enseñanza de la ciencia: entender que el conocimiento no surge únicamente de observar, sino de aprender a hacer las preguntas correctas, interpretar las evidencias y dejar que sean ellas las que nos revelen aquello que nuestros ojos no pueden ver.

Si alguna vez te has preguntado cómo los científicos logran estudiar un mundo invisible para nuestros ojos y descubrir cómo están construidos los materiales, te invito a conocer el Laboratorio Nacional de Investigaciones en Nanociencias y Nanotecnología (LINAN) del IPICYT. A través de sus actividades de divulgación y visitas guiadas es posible acercarse al trabajo que se realiza en sus laboratorios y descubrir cómo, detrás de cada micrografía, espectro o patrón de difracción de Rayos X, existe una historia que se puede reconstruir a partir de las evidencias.

¿Quieres saber más del tema? Escribe a la autora del texto al siguiente correo: beatriz.rivera@ipicyt.edu.mx 

¿Quieres saber más del quehacer del IPICYT? Escríbenos a: comunicacion@ipicyt.edu.mx