col·laboracions EL QUIMIOSCOPI Claudi Mans i Teixidó Departament d’Enginyeria Química Facultat de Química · Universitat de Barcelona Als companys i companyes de Secundària, que malden per explicar química contra les circumstàncies hostils de tota mena. Aquest article és la versió escrita d’una conferència del mateix nom impartida al CosmoCaixa. VIVÈNCIA El Museu de la Ciència de la Fundació «la Caixa», el primer, es va inaugurar el 1980, en l’edifici que havia estat l’Asilo-Hogar Santa Lucía, una residència per acollir persones cegues del sexe femení, fundat el 1909 i que des del 1920 era sostingut per la Caixa de Pensions, i va tancar el 1977. Encara recordo una visita de diumenge al matí que hi vam fer amb l’escola, cap a l’any 1959, on vam veure les ceguetes que vivien allà, que ens van ensenyar llibres en braille, les feines que feien, i van acabar amb un concert. Encara tinc el nus a la gola. Sense canviar l’exterior de l’edifici, la Caixa decidí instal·lar-hi el Museu de la Ciència, el primer d’Espanya amb estructura moderna, que fou una revolució. Inspirat en l’Exploratorium de San Francisco, l’existència de mòduls interactius que es podien tocar va generar l’entusiasme dels professors de ciències de totes les etapes educatives. No era un museu en el sentit clàssic de la paraula, sinó un centre d’experimentació. NPQ 432 • setembre-octubre 2006 L’estructura era diferent de l’actual, amb diferents sales temàtiques ben diferenciades. Una de les sales era la Sala de l’Espai, on hi havia maquetes de naus espacials, coets, planetes en miniatura, coses així. Des de la direcció del museu, a tres companys de la universitat ens van encarregar que redactéssim una guia didàctica de la sala. Nosaltres, professionals de la museologia i de la museografia –pots comptar– decidírem que el que havíem de fer era partir de la realitat, i que ens calia observar el comportament dels visitants, per veure què els interessava més, en què es fixaven i d’allà treure’n el guió i les preguntes a fer. Dit i fet. Un dia al matí em poso davant d’una vitrina on es veia la superfície de la Lluna, la Terra en l’horitzó i una maqueta d’un mòdul lunar allà, estàtica, amb les rodes, els ferros i les antenes. Obren la porta del museu, i se sent l’estampida de bisons com puja cap al pis on jo era amb el bloc a la mà. El primer visitant, d’uns dotze anys, arriba esbufegant, entra –com un coet– a la Sala de l’Espai, es planta davant la maqueta del mòdul lunar on jo era observant, i al cap d’un nanosegon exclama admirat: «Osti, la Luna!». I arrenca a córrer cap a un altre mòdul, que va investigar amb la mateixa intensitat i dedicació. La meva ànima, sota terra. Vam redactar, naturalment, el guió de la sala, que opino que va quedar molt bé. El van editar en paper, i... van tancar la Sala de l’Espai perquè van decidir que l’espai destinat a l’espai era millor dedicar-lo a altres temes. —I tot això ho expliques perquè... Doncs perquè no t’has de fer massa il·lusions. Un museu de ciències, com el Museu de la Ciència de llavors, com el CosmoCaixa d’ara, és una eina –quina eina, però–, i totes les eines són instruments per fer alguna cosa. Per tant, quan vas al CosmoCaixa, o a qualsevol lloc, has de saber per què hi vas i què n’esperes treure. Per si mateix, l’eina no treballa, cal saber usar, i fer usar l’eina. 5 col·laboracions Els professors de química i els químics en general sempre hem considerat que hi havia massa poca química al Museu de la Ciència. Per això, quan la Fundació «la Caixa» va decidir construir un nou museu de ciència, el CosmoCaixa de 2004, es van concebre esperances de que la química hi seria més ben representada. Però en la primera visita, el desengany. «On és la química al CosmoCaixa? Si tot és química, com és que no hi ha química al CosmoCaixa?». —Bona pregunta. On és? Hi és, n’hi ha, però cal saber trobar-la, com els bolets. En parlarem, però, primer, farem una digressió. Una vegada hi havia una vaca que no donava prou llet. —Ja el sé. No em tallis les oracions. Una vegada hi havia una vaca que no donava prou llet, i el propietari va preguntar a tres savis, un biòleg, un químic i un físic, si li podien donar alguna solució. El biòleg es va mirar la vaca i va dir: «Caldria que féssim un estudi genètic de la vaca, per tal de descobrir alguna anomalia que pugui ser tractada per teràpia gènica...». El químic va dir: «Caldrà fer una anàlisi química de tot allò que menja la vaca, de la llet i de la femta per tal de veure per on es perden els nutrients...». I el físic va dir: «Suposem una vaca esfèrica isòtropa de densitat constant en un camp gravitatori...». Cadascú redueix el problema a termes que ell sap reconèixer, que ell sap manipular. Cadascú simplifica la vaca. La realitat és gairebé sempre complexa, i cal simplificar-la, però és bàsic no deixar-se res que sigui rellevant. I com fer per no deixar-se res que sigui rellevant? 6 —Això, això. Una altra bona pregunta. Que requereix una altra digressió. No fa gaire vaig fer una conferència a alumnes de batxillerat sobre la química i el CosmoCaixa, al propi museu, i els vaig posar la diapositiva de la figura 1. Vaig preguntar què era, i la major part van dir que un barret. Però a algun dels presents se li va il·luminar la neurona i la cara, va recordar, i va dir cridant: «És una boa que s’ha menjat un elefant!». La cara dels altres va ser d’antologia, però ell havia llegit El Petit Príncep, d’Antoine de SaintExupéry 1, i, efectivament, allà hi surt la boa que s’havia empassat i estava digerint l’elefant, com es veu de forma transparent a la figura 2. —Sí, jo ja sabia que era la boa menjant-se l’elefant. I on vas a parar amb això? Doncs a que si saps coses tens més perspectiva per interpretar els fenòmens. Si t’has llegit El Petit Príncep pots interpretar un dibuix de més maneres que si no te l’has llegit. Si saps física, química i biologia pots imaginar una vaca de forma més completa que si només saps física, o química o biologia. Cada fenomen es pot intentar explicar de moltes maneres diferents, però hi ha explicacions millors i més completes que altres. I, per trobar-les, quantes més coses sàpigues, millor, per- què podràs interpretar la realitat amb més perspectives. PER QUÈ NO VEIEM LA QUÍMICA AL COSMOCAIXA? La química és la part de la física que estudia les substàncies i els canvis que experimenten quan interaccionen amb altres substàncies i amb l’energia. —La química, part de la física... Com que part de la física? Encara que et sembli una heretgia, jo estic amb en Rutherford 2: «Les ciències es classifiquen en dues grans branques: la física, i les col·leccions de segells». Quan Rutherford va dir això, caricaturitzava la biologia com a ciència que recollia i observava espècimens, herbes o insectes; la geologia la reduïa a la mineralogia o a les col·leccions de fòssils, i la química a la descriptiva de les propietats dels productes. Tot allò d’aquestes ciències que tenia a veure amb les interpretacions dels perquès, era ja per a ell part de la física. La química, en particular, té mètodes propis i un camp científic específic, però les explicacions fonamentals es basen en principis de la física: termodinàmica, electromagnetisme i mecànica quàntica. —Bé, però què té a veure tot això amb la pregunta de per què no veiem la química al CosmoCaixa? 1 Antoine de Saint-Exupéry va ser un pilot francès nascut a Lió el 1900, i que morí en accident d’avió en un lloc desconegut mentre feia un vol de reconeixement sobre la França ocupada pels nazis el 1944. Publicà diverses novel·les i textos, i la seva obra més famosa fou El Petit Príncep, de 1943. 2 Ernest Rutherford, baró Rutherford of Nelson, of Cambridge (Spring Growe, Nova Zelanda 1871 – Cambridge, Regne Unit 1957). Premi Nobel de Química 1908. Quan li van concedir el premi va exclamar: «I jo que em pensava que era físic...». Figura 1. Figura 2. NPQ 432 • setembre-octubre 2006 col·laboracions Hi té a veure. En primer lloc, la química sol estar oculta. Molts avenços científics no visualitzen la química, tot i que hi és. Quan pensem en les noves energies no pensem alhora que l’hidrogen, els panels fotovoltaics, els biocombustibles, els processos GTL per obtenir combustibles líquids, les cèl·lules de combustible, es basen directament en la química. Disciplines modernes com la genòmica, la proteòmica, la lipidòmica, la glucidòmica arrenquen de la bioquímica o la biologia molecular. tan clara com abans. No hi ha una sala de la física, una de la química, una de la biologia, etc. Ara el concepte és molt més integrat, en un discurs més global que costa una mica més de seguir per al que pensa en disciplines. Això és una característica volguda així per part dels dissenyadors del CosmoCaixa, que fa més difícil al professor d’una assignatura el trobar els seus temes. El quart i darrer motiu és el més important. És que no hem d’intentar veure química allà on no n’hi ha. Perquè no tot és química. —Què són totes aquestes òmiques? NO TOT ÉS QUÍMICA Són paraules que resumeixen diferents aspectes de la bioquímica. La genòmica és el conjunt de tecnologies relacionades amb el genoma humà. I la proteòmica, la lipidòmica i la glucidòmica són el conjunt de ciència i tècnica que permeten identificar, aillar i comprendre les funcions de les proteïnes, els lípids i els glúcids del cos humà. Doncs això, que es pot classificar com a medicina, o com a biologia, evidentment és també química, però no surt mai amb aquest nom. Un segon motiu de la poca visibilitat de la química és el següent. Hi ha moltes magnituds físiques quotidianes: tots parlem amb facilitat de la velocitat, de les diòptries, de la temperatura, de la potència, del pes, de les calories dels aliments... Tot magnituds físiques. Però, en canvi, les magnituds químiques no són tan quotidianes: qui parla en una conversa habitual de la molaritat, del potencial redox, de l’energia d’enllaç, o del pes molecular? Les úniques magnituds químiques més o menys habituals són la concentració –especialment de les sals en les etiquetes d’aigües minerals– i el pH dels cosmètics. El tercer motiu és que el CosmoCaixa és un centre que no té una estructura per matèries científiques NPQ 432 • setembre-octubre 2006 —Com que no? Clar que tot és química. No, no tot és química. O, al menys, no tot «és» química, i fixa’t en les cometes. A veure, intentem esbrinar què hi ha sota d’aquesta afirmació tan estesa i que tant agrada als químics. Quan diem que «tot és química», estem dient que totes les coses són materials, és a dir, que tot el món físic està constituït per substàncies que es poden descriure en termes químics d’àtoms, molècules, ions o radicals. Això és evident, però és una trivialitat. S’està reivindicant també que no hi ha una diferència bàsica entre les substàncies que la natura elabora i les que fabriquem de forma artificial. —I et sembla poc això? Jo ho veig important. Tot és química. Evidentment que, en aquest sentit, tot és química. Però jo crec que quan es diu que tot és química es vol dir que tot és interpretable en termes químics, que la química permet interpretar-ho tot. I bé, jo crec que no. Si bé tot el món material és reductible a substàncies químiques, els principis i els coneixements químics no ens permeten explicar el funcionament de totes les coses, ni tots els fenòmens. Per exemple, i per no moure’ns del CosmoCaixa, la química no dóna les eines per interpretar el pèndol de Foucault. Naturalment que el pèndol està construït d’un aliatge, però és la física la ciència que descriu, mesura i prediu el funcionament dels pèndols. La química no hi té res a dir. Si canviem el material del pèndol i en lloc d’acer el fem tot de disprosi, per dir algun metall, mentre tingui la mateixa massa i el mateix volum, el pèndol es mourà igual. Al pèndol la composició de la substància no és rellevant, per això estem parlant de física. I el mateix passa en la major part de mòduls físics, que per això ho són, de físics: pretenen visualitzar lleis físiques, o comportaments físics del món. En un prisma que dispersi la llum, l’índex de refracció dependrà de quina sigui la composició del prisma. Però el fenomen de la difracció, que és el significatiu en un mòdul del museu, es podria visualitzar amb qualsevol prisma transparent de qualsevol material, sigui de vidre, de metacrilat, de quars o d’aigua. —No es pot fer un prisma d’aigua. Com que no? Agafes un prisma triangular fet de vidre, i l’omples d’aigua. Les pràctiques de laboratori d’òptica que jo vaig fer en un llunyà 1965 eren fetes amb prismes d’aquests. I, per altra banda, es podrien fer prismes d’aigua sòlida, és a dir, prismes de gel. Si fossin prou transparents, podrien funcionar, naturalment. A la novel·la Les aventures del capità Hatteras en Verne fa que els seus protagonistes encenguin foc concentrant els raigs de sol en molsa seca mitjançant una lent feta d’un tros de gel polit. —No m’ho crec. La veritat és que a mi també em costava de creure. Però resulta que 7 col·laboracions sí. Des del segle XVIII s’han fet experiments de fer foc amb lents de gel. La millor manera de fer les lents és amb un recipient de fons còncau, on es posa aigua i es deixa gelar. Després s’ha de polir la lent fins que quedi de forma parabòlica –això ja deu ser més difícil– i ben transparent. A la novel·la ho fan tallant un tros d’iceberg amb una destral, després el poleixen amb un ganivet, i finalment amb les mans. La pega és que tot això diu que passa a 48 oC sota zero, i a aquesta temperatura la mà quedaria congelada en pocs instants, i més si va acaronant un tros de gel a la mateixa temperatura. També s’han fet fotografies amb lents de gel 3, una mica desenfocades. Amb els exemples del pèndol de Foucault i del prisma òptic et vull fer veure que, si bé la química és la base material de quasi tot fenomen, en molts casos no és l’aspecte més rellevant. Aquest és el concepte clau per classificar, si és que volem classificar, un fenomen en una ciència o una altra. Es tracta d’identificar quin és l’aspecte més rellevant, més determinant, més específic. —I quan és rellevant la química? Aquesta és la pregunta rellevant... És evident que la química és la ciència rellevant quan del que es tracta és de la composició de la matèria. Per exemple, quan comparem aigües minerals. No té importància la temperatura de l’aigua a la sortida, no l’alçària de la deu, ni el cabal que en surt, ni el material de l’envàs. També és la química la ciència quan es dissenya un nou carburant sense plom, o quan es prepara un detergent domèstic, o una maionesa. La química, doncs, és determinant quan parlem de productes preparats. La química és també la ciència rellevant quan allò important és el 8 canvi de composició, i especialment quan té lloc per reacció química. El fet que l’ozó estratosfèric desaparegui en presència dels CFC ve determinat per una seqüència de reaccions químiques molt complexes, i és la química allò rellevant. Naturalment que és la física la que descriu els mecanismes de transport dels CFC des de l’hemisferi nord al sud, i des de la troposfera fins a l’estratosfera; però un cop tenim els CFC allà amb l’ozó, calla la física i parla la química, per dir-ho així. forces de van der Waals o ponts d’hidrogen, o el que sigui, estem en el domini de la biologia molecular: de la química especialitzada, per tant. La química ens permet explicar molts fenòmens i propietats, però no tots. Això és el que volia expressar quan deia que no tot «és» química. És a dir, que la química no és en l’essència de tots els fenòmens, sinó només en alguns. T’ha quedat clar? La química és també rellevant en les relacions entre estructura i el comportament de les substàncies, els productes i els materials. A les refineries, per exemple, hi ha en termes generals un excés de productes pesats i una manca de productes lleugers com gasolines i gasolis. S’han dissenyat processos de cracking catalític en llit fluïditzat, FCC en abreviatura anglesa. —Transparent com l’aigua. Per cert, per què l’aigua o els vidres són transparents? Això és química o física? Un altre dia t’ho explico, però és física, aplicada sobre l’estructura metàl·lica que descriu la química. Ja t’he dit que fixar fronteres massa absolutes és absurd i inútil. És com a la cuina. —Vol dir «Fomento de Construcciones y Contratas», de Florentino Pérez. No, FCC és de l’Esther Koplowitz. La que és de Florentino Pérez és l’Actividades de Construcciones y Servicios, ACS, com l’American Chemical Society. Estàvem parlant de catalitzadors. Doncs es dissenyen i es construeixen catalitzadors amb diàmetre de porus progressivament petit, de tal manera que a fora, just a l’entrada del porus, es trenquin les molècules més grans, i després, més a l’interior, es vagin trencant les molècules més petites. Aquest és el domini de la química. I, finalment, som a la química quan ens estem movent en la continuïtat entre el món microscòpic i el molecular. Una cèl·lula té una membrana, com ens descriu la biologia. Però quan veiem que aquesta membrana és feta de molècules de fosfolípids unides entre elles per —Què hi pinta la cuina aquí? Si tu poses un ou en aigua bullent durant un temps suficient es fa un ou dur. Tu pots dir: «He fet un ou dur», o pots dir «He endurit per cocció el citoplasma i el nucli d’un òvul de Gallus domesticus», o pots dir «He coagulat la dispersió aquosa de proteïnes de la clara, i la dispersió de proteïnes i greixos del rovell», o també pots dir «He provocat una transició sol-gel anàloga a una transició de segon ordre per l’increment de la velocitat mitja de les molècules del medi dispersant». Totes les descripcions són més o menys certes, però es mouen en dominis diferents. Les fronteres les hi posem nosaltres per gestionar la informació i per agrupar la ciència d’una forma estructurada, però torno a dir que els límits són borrosos i arbitraris. 3 http://www.whistlestopgallery.org/ Matthew_Wheeler.htm NPQ 432 • setembre-octubre 2006 col·laboracions LA QUÍMICA AL COSMOCAIXA I dit tot això, on són rellevants els fenòmens químics al CosmoCaixa? Doncs, al meu entendre, no són a gaires mòduls. Però això no vol dir que no se’n pugui treure suc químic. Et donaré algunes pistes. Figura 3. • Hi ha molts estats de la matèria diferents: sòlids, líquids, principalment aigua, i gasos. I interaccions entre ells, com en els vòrtexs, que és la interacció entre un líquid en moviment i l’aire, i els tornados, interacció d’un sòlid pulverulent amb un gas en moviment... I l’estat de plasma, aquella misteriosa bola de vidre que va llençant radiacions des de dins, i que no és més que un fluorescent amb una altra forma. • També hi ha diversos exemples de substàncies menys habituals, de propietats sorprenents, barreges més o menys sofisticades: els ferrofluids o els aerogels. • Als mòduls del museu hi ha tota mena de sòlids: metalls, roques de diferents tipus, diferents materials de construcció, com ceràmica, vidres, fusta, polímers de totes menes. I diversos tipus de matèria viva o de matèria exviva, com els fòssils. • Un mòdul està específicament destinat als canvis d’estat i als tres estats de la matèria (figura 3). A l’estiu està molt buscat, perquè s’hi està fresquet: és un bloc de gel format per la humitat de l’ambient que condensa i solidifica per l’acció d’un potent refrigerador, i que al mateix temps es fon i sublima perquè la temperatura ambient és superior a 0 oC. • Pel que fa a reaccions químiques, la veritat és que n’hi ha poques, i no són rellevants. De fet, jo crec que es redueixen a les reaccions bioquímiques que NPQ 432 • setembre-octubre 2006 Figura 4. tenen lloc als éssers vivents, tant els visitants com els animals dels mòduls del CosmoCaixa –formigues, peixos, ocells, capibares...–. —Capiquè? Capibares. Són els Hydrochoerus hydrochaeris, aquells mamífers rosegadors que hi ha a aquella reproducció de bosc submergit de l’Amazones. Els que tenen al CosmoCaixa són relativament petits, perquè se n’han vist a la natura de fins a 75 kg de pes. —Rates de 75 kg! He dit rosegadors, no rates, amb les que no tenen res a veure. Acabem. Hi ha un mòdul on hi ha un model de l’estructura atòmico-molecular de la matèria (figura 4). Em refereixo al que simula les col·lisions de les molècules d’un gas, fet amb moltíssimes boletes que topen entre elles i amb les parets, i que es poden observar amb llum estroboscòpica. Molt visual. I poca cosa més. No és molt. —I, per què no hi posen més química, més reaccions químiques? Realment és molt difícil. Les reaccions químiques tenen un problema. Cal un consum continu de reactants i una neteja contínua dels productes que es formen, i això és un dispendi considerable, poc visual, i amb 9 col·laboracions problemes de gestió de productes, de seguretat, de la impossibilitat d’usar el foc per escalfar... A molt pocs museus interactius del món hi ha experiments químics. Al Deutsches Museum, a Múnic, hi ha moltes reaccions químiques posades sistemàticament i és un avorriment perquè no té cap gràcia. Acabaran traient aquests mòduls, si no els han tret ja. L’única via interessant de presentar reaccions químiques són les reaccions electroquímiques, que són una mica més controlables i més barates, i per aquí sí que s’hi podria fer alguna cosa: cèl·lules de combustible, galvanitzacions, electròlisis, i coses així. No, no hi ha bona química en els museus 4... Ara fa uns anys els museus de ciència d’Europa van desenvolupar un projecte conjunt per intentar crear mòduls de química. Era el projecte Chemistry for life 5, que no va tenir tot l’èxit esperat. Tot i així la web del projecte és molt útil per les idees i els experiments interactius que conté. L’altra solució és fer tallers de demostració, que és el que fan tots els museus del món, i també el CosmoCaixa. Monitors ben preparats fan experiments en hores determinades. Poden fer demostracions molt espectaculars, explosions, fums, gasos... la química–show. Això funciona, i tant que funciona. EL QUIMIOSCOPI —Encara estic esperant que em diguis res del quimioscopi. L’article 10 ja s’acaba i tu fent digressions sense parar... Encara no ho has entès? El quimioscopi és un instrument per trobar la perspectiva química a tot arreu i en tot moment. Però, evidentment, no es tracta de cap instrument físic amb existència real. Això que jo n’he dit quimioscopi és simplement l’hàbit de pensar en termes químics en qualsevol moment, i d’anar més endins en la interpretació del fenomen, i arribar fins al món de les substàncies, productes i materials, i, en un pas més, fins al món de les molècules i els àtoms. En aquests nivells el coneixement de la composició i l’estat de les matèries involucrades en el fenomen, així com les relacions entre àtoms, ens poden ajudar a comprendre el que passa. Aquesta és la mirada química. I aquesta mirada es pot tenir tant quan la química és la ciència rellevant com quan no ho és; però inclús en aquest cas la mirada química ens pot ajudar. Per exemple, el pèndol d’abans. Ja hem dit que no és la química sinó la física la ciència rellevant en el seu comportament. Però, al marge d’això, podem donar un pas més i buscar-hi aspectes químics, per exemple en els materials de que és fet el pèndol o el cable. O, simplement, imaginar el pèndol frenant-se paulatinament degut a la petita viscositat de l’aire en contacte amb la superfície lleument rugosa del pèndol. I, encara un pas més enllà, imaginar que l’aire és format per infinites molècules de nitrogen i d’oxigen, i que la superfície del pèn- dol, tan llisa, és realment una superfície que a escala atòmica és plena de rugositats i irregularitats; i són les col·lisions entre les molècules de l’aire i els àtoms metàl·lics del pèndol les que generen una força de fregament que abans n’hi hem dit viscositat. Érem en el domini de la química, però, amb les col·lisions, retornem al domini de la física. Veure els fenòmens a diferents escales, amb nivells diferents de descripció, i assumir les relacions entre un i altre nivell és una bona tècnica de comprensió dels fenòmens, és una bona tècnica pedagògica, és una bona tècnica de descripció i comprensió de la realitat. —Tot aquest discurs t’ha quedat molt abstracte. Sí, ja ho veig. Retornem a El Petit Príncep del començament. Si no veiem la química al CosmoCaixa, usem el nostre quimioscopi, busquem la química i la trobarem allà amagada. En certs casos la química pot ser la ciència essencial en la interpretació. I no oblidem que, com diu la guineu d’El Petit Príncep, «... l’essencial és invisible als ulls». Com la química. ☯ 4 Amb aquest títol vaig presentar una comunicació al Congrés Comunicar la Ciencia en el siglo XXI, Granada, març 1999. 5 http://www.chemforlife.org/ NPQ 432 • setembre-octubre 2006