Dudas, errores e infortunio. Andrés Manuel del Río y el descubrimiento del vanadio

Cuando Andrés Manuel del Río (1764 - 1849), eminente mineralogista español, o hispanomexicano, encontró un nuevo metal en un mineral de plomo de Nueva España en 1801, creyó ampliar la lista de los metales conocidos (veinticuatro, incluidos algunos que hoy consideramos semimetales) pero aún no podía imaginar que estos pudieran formar parte de una ordenación periódica de los elementos químicos, tarea crucial que desarrolló Mendeléiev publicando su célebre tabla periódica (en la que las propiedades de los elementos variaban de forma periódica en función de sus pesos atómicos) casi setenta años después. También en 1801 Charles Hatchett descubrió otro metal, el "columbio", similar al tántalo, rebautizado posteriormente como niobio. En la tabla periódica actual, heredera de la de Mendeléiev, vanadio (V), niobio (Nb) y tántalo (Ta) integran el grupo 5. Del Río desconfió de su descubrimiento, el metal que llamó eritronio, y, con buen criterio científico, quiso que otros químicos analizaran su mineral de plomo pardo para ver si llegaban a sus mismas conclusiones. Empieza aquí una apasionante historia de dudas, errores e infortunio en la que se vieron envueltos el propio mineralogista madrileño y otros grandes científicos de la época. Historia de dudas y errores, sí, pero también de sacrificio y honradez.

[Andrés Manuel del Río]

Resulta obligado hacer una semblanza de nuestro personaje, uno de los científicos españoles más relevantes, que dejó profunda huella como investigador y como maestro de científicos e ingenieros en el Real Seminario de Minería de México, siendo testigo, además, de acontecimientos políticos de enorme trascendencia como la Revolución Francesa y sus consecuencias y la independencia de México (donde enseñó durante cerca de cincuenta años, primero en Nueva España y luego en el nuevo Estado soberano de México).

Nació Andrés Manuel del Río Fernández en Madrid, en el mes de noviembre de 1764 (reinando entonces Carlos III). Realizó sus primeros estudios en el Real Colegio de San Isidro y posteriormente, graduándose de bachiller, en la Universidad de Alcalá de Henares. Al mostrar excelentes cualidades para las ciencias ingresa en la Real Academia de Minas de Almadén, donde se forma en materias como Mineralogía y Química, entre otras. Si esta etapa en Almadén es muy importante para adquirir los conocimientos necesarios para su futura labor en minería y metalurgia, el posterior periplo por centros europeos es decisivo. En 1785 viaja a París, donde permanece cuatro años, y es allí donde el químico Jean d'Arcet (1724 - 1801) introduce a Andrés del Río en el análisis de minerales y porcelana. En 1789 se matriculó en la Escuela de Minas de Freiberg (Sajonia), donde fue alumno de Abraham Gottlob Werner  (1749 - 1817), pionero de la mineralogía moderna y del neptunismo. Con Werner estudió Orictognosia, término propuesto por el célebre geólogo y mineralogista alemán para referirse a los minerales y fósiles que encontramos en la corteza terrestre, sus "denominaciones, fijas y adecuadas", sus características exteriores y su clasificación. Es en Freiberg donde coincide por vez primera con Alexander von Humboldt (1769 - 1859), personaje de gran importancia, años después, en esta historia del mineral de plomo en el que Andrés del Río hizo su descubrimiento. No termina en Sajonia, de larga tradición minero-metalúrgica, el peregrinaje formativo de nuestro protagonista ya que continuó su itinerario por Europa Central visitando las famosas minas húngaras de Schemnitz (actual Banská Štiavnica, en Eslovaquia) y en la Real Academia de Minas y Bosques de esta ciudad estudió Química Analítica y Metalurgia, adquiriendo asimismo conocimientos técnicos importantes como la amalgamación de minerales de plata mediante toneles de Born (dentro del tonel se introducía el mineral previamente molido y tostado, mezclado con agua, sal común, azogue o mercurio y reactivos químicos de cobre o hierro, los magistrales). 

Una segunda etapa en París, en tiempos revolucionarios, puso en peligro su vida o, al menos, él debió de percibirlo así. En 1791 Andrés Manuel del Río regresa a la capital de Francia con el objetivo de visitar el Laboratorio del Arsenal, a la sazón dirigido por Lavoisier. Coincide allí con el abate René Just Haüy (1743 - 1822), mineralogista considerado como el fundador de la cristalografía, con quien mantendrá relaciones epistolares. Tristemente, sin embargo, la Revolución Francesa desemboca en el "Terror" y el clima de riesgo y miedo se extiende. Las actividades de la Academia de Ciencias son suprimidas en agosto de 1793 y en noviembre de ese año Lavoisier es arrestado (como es bien conocido fue guillotinado en 1794). El temor hace que Andrés del Río decida huir de París y, disfrazado de aguador, se dirige a Calais para embarcar hacia Inglaterra. El espíritu inquieto de del Río no le permite perder el tiempo en el Reino Unido y, entre otras tareas, aprende el método de fundición de hierro y el funcionamiento de modernas máquinas.

[Ejecución de Marie Antoinette en 1793]

Pero la vida de Andrés Manuel del Río da un giro cuando Fausto Delhuyar (1755 - 1833), descubridor del wolframio junto a su hermano Juan José Delhuyar en 1783 y director del Real Seminario de Minería de México, propuso su nombre al virrey de Nueva España como catedrático de Química. Sin embargo, Andrés del Río prefería enseñar Mineralogía y Geognosia, siendo atendida su petición. Así, es nombrado para esta cátedra en el Real Seminario de Minería de México en 1793. Llegó a Veracruz en 1794 para seguir su camino hacia la ciudad de México. No debió de agradar al profesor madrileño contemplar el escaso instrumental que había en el destartalado recinto destinado a laboratorio de mineralogía del Real Seminario de Minería y él, que traía consigo libros, instrumentos y máquinas para sus clases, se puso diligentemente a organizarlo todo y pudo comenzar a enseñar teoría en abril de 1795 y las clases prácticas unos meses después. Es en 1795 cuando ve la luz la primera parte de su gran obra Elementos de Orictognosia, mientras que la segunda será publicada en 1805. Al finalizar el primer curso de Mineralogía y Orictognosia en Nueva España (tres de los alumnos más destacados fueron Casimiro  Chovell o Chowell, Vicente Herrera y Manuel Cotero) el profesor Andrés del Río pronunció un discurso titulado Relaciones entre la composición de un mineral y el depósito que lo contiene (consideraba del Río que la clasificación de los minerales debía seguir criterios químicos).

Andrés Manuel de Río, de ideas políticas liberales, vive en primera persona el periodo de la Insurgencia (1810 - 1821) que culminará con la independencia. El autor de los Elementos de Orictognosia se siente muy vinculado a México, se considera, de hecho, mexicano (había formado una familia allí y se hallaba muy implicado en la enseñanza de la Mineralogía en México y en la investigación científica y el desarrollo tecnológico de la minería de aquellas tierras americanas). Incluso, cuando es elegido diputado de las Cortes de España por México, defiende en 1820 en las Cortes de Cádiz, con "fogosos discursos", la independencia completa de México. Memorable es su respuesta a la mujer de Fausto Delhuyar cuando Andrés del Río se dispone a regresar a México, ya independiente. Al parecer, aquella le espetó diciéndole que a dónde se dirigía,  "¿no sabe que México se ha hecho independiente?"; Andrés del Río, categóricamente, le contestó: "sí señora, lo sé, pero vuelvo a mi patria".

A pesar de lo anterior, su nítida postura en favor de la independencia de México no le impidió exiliarse voluntariamente, en un acto de nobleza y solidaridad, cuando en 1829 el nuevo Gobierno de México declara proscritos a una serie de españoles (entre los que no se encontraba él) que se habían posicionado en pro de una conspiración contra la independencia mexicana. Andrés del Río se marchó motu proprio a los Estados Unidos de América, donde permaneció seis años que, no podía ser de otra manera en tan insigne figura, no desaprovechó, participando en reuniones científicas de importantes instituciones, con gran reconocimiento. Regresa a México en 1835, tras tomar posesión de la cátedra de Mineralogía y Geología en el Colegio Nacional de Minería (con sede en el Palacio de Minería de la Ciudad de México, monumental obra neoclásica, diseñado y construido entre 1797 y 1813 por el arquitecto español Manuel Tolsá).

[Palacio de Minería (Colegio de Minería), en la calle de Tacuba, Ciudad de México]

Con más de ochenta años dio por concluida Andrés del Río su labor docente. Mary E. Weeks, en su Historia de los elementos químicos, nos dice que "en su profunda devoción por las tareas docentes, del Río se parecía a John Dalton" y nos cuenta una jugosa anécdota: cierto día de 1841 un estudiante llamó a la puerta de su clase para anunciar a un ilustre visitante, el ministro plenipotenciario de la Corte de Madrid; pero al profesor de Mineralogía no se le ocurrió otra cosa que hacer esperar al distinguido visitante hasta que sonó la campana que anunciaba el fin de la clase (al parecer, el ministro plenipotenciario no se molestó por la espera, lo cual bien está si atendemos a la etimología latina de maestro, magister, y ministro, minister). 

Andrés Manuel del Río falleció en 1849 a causa de un derrame cerebral, dejando a su familia "un apellido ilustre, muchas deudas y algunos ejemplares de sus Elementos de Orictognosia que no habían podido venderse".

Crónica del vanadio

Es 1801 el año en el que Andrés Manuel del Río descubre un nuevo metal en un mineral de plomo pardo de Zimapán (en el actual estado de Hidalgo, en el centro de México). Este mineral de plomo provenía de la mina "La Purísima del Cardonal" y del cual dijo del Río que era un mineral "entre pardo rojizo y de clavo", los cristales con lustre adamantino, "raspadura blanca agrisada, blando, agrio, quebradizo y pesado" (debido al elevado porcentaje de plomo en su composición, con densidad próxima a 7 g/cm3). Señala nuestro mineralogista que en los criaderos del Cardonal se halla el mineral formando cristales con hábito de "prismas hexágonos panzudos" y que el mineral de plomo pardo también puede encontrarse en el viejo continente en las minas de la Baja Bretaña y Schemnitz (actual Eslovaquia). Sabemos hoy que el mineral que estaba describiendo Andrés del Río es la vanadinita, un clorovanadato de plomo, de fórmula Pb5(VO4)3Cl (compuesto en el que el plomo, Pb, se encuentra con su número de oxidación +2 y el vanadio, V, +5).

[Cristales de vanadinita]

Del Río, que otorgaba gran importancia a la composición química de los minerales, se enfrasca en la tarea de analizar el mineral de plomo pardo de Zimapán, contando para la difícil labor con la colaboración de dos de sus mejores discípulos, Cotero y Ruiz de Tejada. Según el análisis químico de 1802, el mineral tenía, como componentes principales, un 80,72 % de óxido de plomo (PbO) y un 14,80 % de ácido crómico, pero dicho mineral de plomo pardo no contenía fosfato. Sin embargo, en un principio, Andrés del Río cree haber descubierto un nuevo metal en el mineral de plomo de Zimapán, que después confunde con el cromo (metal este descubierto unos años antes, en 1797, por el químico y farmacéutico francés Louis Nicolas Vauquelin). El mineralogista hispanomexicano lo detalla así en un artículo publicado en la Gaceta de México a finales de 1802:

"Del plomo pardo saqué 14,80 % de un metal pareciéndome nuevo, llamé pancromo por la universalidad de colores de sus óxidos, disoluciones y precipitados; y luego eritronio, porque daba con los álcalis y las tierras sales que se ponían rojas al fuego y con los ácidos; pero habiendo visto Fourcroy que el ácido crómico da también por evaporación sales rojas y amarillas, creo que el plomo pardo es un cromato de plomo con un exceso de base en el estado de óxido amarillo".

Un importante encuentro para esta historia acontece en 1803. Arriba a territorio novohispano el naturalista y explorador alemán Alexander von Humboldt (1769 -1859), con quien Andrés del Río ya había coincidido en la Academia de Minas de Freiberg en su etapa formativa por Europa. Del Río aprovechó la ocasión para entregarle muestras del mineral de plomo pardo de Zimapán y una carta en francés con los resultados de sus análisis para que el alemán se las facilitara a los químicos galos. Al parecer, la carta de Andrés del Río con su detallada información, dirigida al químico Chaptal, se perdió en un naufragio frente a las costas brasileñas de Pernambuco, suceso este del que no tuvo conocimiento del Río, doble desgracia para él. Afortunadamente, sin embargo, Humboldt no viajaba en este malogrado buque sino que lo hizo algún tiempo después (en 1804) llevando consigo a Europa las muestras del mineral de plomo pardo.

[Alexander von Humboldt]

Humboldt llevó en 1804 a París muestras del mineral de plomo pardo (analizado por Andrés del Río en su laboratorio de Nueva España) y una carta suya y de Bonpland, que fueron entregadas al químico Hippolyte Victor Collet-Descotils (1773 - 1815), discípulo y colaborador de Vauquelin (el descubridor del cromo en 1797) y especialista en análisis químico y mineralógico. A priori parecía una acertada decisión, pero no resultó así pues el francés tenía demasiado presente en su cabeza el cromo de Vauquelin. No pudo llegar a manos de Collet-Descotils la nota de Andrés del Río con su detallada información, perdida en el naufragio, la cual posiblemente habría resultado decisiva, pero al menos sí recibió la carta de Humboldt (escrita en 1803), quien, a decir verdad, parece tener más confianza en el descubrimiento de un nuevo metal en el mineral de plomo pardo que el propio Andrés Manuel del Río:

"Mena de plomo pardo de Zimapán [...], en la que el Sr. del Río, profesor de Mineralogía en México, ha descubierto una sustancia metálica muy diferente del cromo y del uranio y de la que hemos hablado al ciudadano Chaptal. El Sr. del Río la cree nueva y la ha llamado eritronio [...]. Esto que tenemos el honor de presentar, merecerá la atención de Haüy, Vauquelin, Chaptal, Guyton de Morveau, Berthollet y Fourcroy".

Según el historiador de la química Manuel Castillo Martos, los análisis de Collet-Descotils constaban de tres experimentos hechos a la ligera, inexactos y con errores, siendo publicados en 1805. Dependiendo del procedimiento seguido (tratamiento con ácido muriático o clorhídrico, o ácido nítrico) obtuvo un 18 % y un 16 %, respectivamente, de ácido crómico (del Río había obtenido un 14,80 % en su análisis de 1802). Concluyó el químico francés, sólo con estas imprecisas pruebas, que el mineral de Zimapán no contenía metal nuevo alguno sino un cromato de plomo.

Andrés del Río, que ya tenía dudas de que en el mineral de plomo pardo hubiese un nuevo metal, adopta la postura, una vez conocidas las conclusiones de Collet-Descotils de que lo que contiene dicho mineral es cromo, de reivindicar para sí mismo el descubrimiento de un subcromato de plomo (no era un fosfato) y arsénico en el mineral de Zimapán y así lo hace constar una veintena de años después de los resultados del químico francés. Este supuesto subcromato de plomo en el mineral sería un cromato básico (que podemos formular como PbCrO4.PbO, en el que tenemos el plomo, Pb, con número de oxidación +2 y el cromo, Cr, con +6). Lo que hoy podemos diferenciar claramente como fosfatos (PO4 3-), arseniatos (AsO4 3-) y vanadatos (VO4 3-) se confundían entonces con cromatos. No culpa Mary E. Weeks a Andrés del Río de su desconfianza y error ya que, incluso en Europa, el cromo era por entonces una novedad (recuérdese que lo descubrió Vauquelin en 1797) y los nuevos hallazgos científicos requerían a veces diez o más años para que fueran bien conocidos en México, por tanto, "no sería justo reprochar a del Río de no estar informado de las propiedades de este metal". Por su parte, el eminente químico Enrique Moles, uno de los máximos exponentes de la Edad de Plata de la ciencia española, señaló que los escrúpulos de Andrés del Río respecto a su descubrimiento en el mineral de plomo pardo no eran consecuencia de los resultados del análisis químico de Collet-Descotils sino de las reflexiones que le sugiere la descripción de las propiedades del cromo metálico, recientemente descubierto, que hiciera el gran químico francés Fourcroy. La rectificación de Andrés del Río, indica Moles, "supone a la vez un exceso de honradez científica y menos seguridad en sus conocimientos químicos".

El caso es que Andrés del Río no tenía un conocimiento detallado del cromo y sus propiedades, desconocía que su carta en francés con sus estudios sobre el mineral de plomo pardo se perdió en un naufragio y no sabía que Humboldt y Bonpland habían escrito una carta informando de su descubrimiento de una nueva sustancia metálica que entregó el alemán, junto con las muestras a analizar, a Collet-Descotils. Todo ello, añadido a los (erróneos) resultados del análisis que había mostrado Collet-Descotils, no solo llevó al mineralogista hispanomexicano a pensar que lo que había descubierto en el mineral de plomo de Zimapán era un subcromato y no su eritronio, sino que le impulsó a escribir artículos y cartas de reproche hacia Humboldt. Hay que decir que del Río, confiando en los análisis y estudios de los prestigiosos químicos franceses del momento (en torno a Lavoisier y tras su muerte surgió una brillante constelación de químicos que mantuvieron el liderazgo científico francés en el cambio de siglo, como Berthollet, Fourcroy o Vauquelin, entre otros ciertamente notables), no volvió a hacer más experimentos ni análisis químicos de aquel mineral de plomo de Zimapán.

Pero toda buena historia de suspense tiene un giro inesperado de los acontecimientos y así, efectivamente, ocurrió en esta compleja historia del mineral de plomo pardo. En 1830, en la remota y septentrional Suecia, entre en escena Nils Gabriel Sefström (1787 - 1845), discípulo de Berzelius. 

[Vanadio metálico: tres muestras en barra con diferentes texturas y una superficie verdosa oxidada al aire, así como un cubo de alta pureza (99,95%)]

Sefström fue capaz de distinguir un nuevo metal en los minerales de hierro de Taberg (al sur de Suecia) mientras investigaba por qué el hierro se volvía quebradizo. Tras los pertinentes ensayos químicos en la primavera de 1830 el sueco encontró en las muestras de Taberg "un cuerpo que parecía ser cromo a veces y otras uranio". Y, ahora sí, dicha sustancia es considerada un nuevo elemento metálico. Así Sefström da nombre al nuevo metal: "opté por el de vanadio, nombre que deriva de Freya, la principal diosa de la mitología escandinava". Diosa del amor, la belleza y la fertilidad, entre otros atributos, también era conocida por el apelativo de Vanadis.

["Freya en busca de su marido". Óleo sobre lienzo. Nils Blommér (1852)]

Cuenta de inmediato Sefström con la validación de Jöns Jacob Berzelius (1779 - 1848), el gran legislador de la Química, y en 1831 el vanadio queda identificado y reconocido públicamente como nuevo elemento. No obstante, en mayo de 1830 se realizó en el laboratorio de Berzelius una comparación minuciosa entre el uranio y el vanadio, hallándose que el nuevo metal formaba compuestos vanádicos y vanadosos pero, asegura Mary E. Weeks, "ni Berzelius ni Sefström consiguieron aislar el metal".

Sin embargo, irrumpe en la trama un Holmes que viene a resolver el asunto ("elemental, mi querido Sefström", podría haber dicho). Y este detective químico no era otro que el alemán (no es aquí pues un investigador inglés, como lo es el personaje de Doyle) Friedrich Wöhler (1800 - 1882), quien había conocido a Berzelius durante una estancia en Estocolmo y, gran hito, pasaría a la historia de la química por su célebre síntesis de la urea en 1828 (suponiendo la refutación del vitalismo). Es el perspicaz Wöhler, y gracias a que se conservaban en Berlín muestras del mineral de Zimapán que había traído Humboldt, quien llega a la acertada conclusión de que el mineral de plomo pardo que Andrés del Río había analizado en 1801 contenía realmente vanadio y no cromo (el mineral era por tanto un vanadato de plomo). Así pues lo que había hecho Sefström era redescubrir el eritronio de del Río en un mineral de hierro de Suecia, en vez de en un mineral de plomo (como hizo el hispanomexicano), dándole el escandinavo nombre, pues creía haber encontrado un nuevo metal, de vanadio.

[Friedrich Wöhler]

Friedrich Wöhler escribió en 1831 a Berzelius, contestando a una simpática carta del insigne químico sueco en la que relataba la historia del vanadio, en la que decía:

"Mil gracias, querido Profesor, por su amable carta con la bella historia de la diosa Vanadis, [...] pero por más que la hubiera seducido, sacándola del mineral de plomo, me correspondería tan sólo la mitad del honor del descubrimiento, a causa de los resultados anteriores de del Río sobre el eritronio.  En cambio Sefström, que lo ha conseguido por un método completamente diferente, mantiene el honor por entero".

Y en otra carta de Wöhler, en este caso a Liebig, algo anterior, nos sorprende el químico que sintetizó la urea:

"Fui un burro no descubriéndolo [el vanadio] antes en el mineral de plomo pardo de Zimapán, México. Lo estaba analizando y había hallado en él ya algo nuevo cuando caí enfermo por varios meses a causa de los vapores de fluoruro de hidrógeno".

El asunto del eritronio quedaba por fin aclarado para satisfacción de su descubridor, Andrés Manuel del Río, y aunque este se lamentó de haber tenido que esperar treinta años para su reconocimiento, sí pudo al menos comprobar que su colega y amigo Alexander von Humboldt no tuvo culpa alguna, ya que pudo enterarse de que "de los cajones que había sacado de México para Europa se le extraviaron tres y es muy posible que en alguno de ellos fuese mi discurso sobre el nuevo metal". Entendía ahora por qué Collet - Descotils no había visto nunca su Memoría sobre el mineral de plomo pardo de Zimapán. La comunidad científica, gracias a la confirmación de Wöhler, reconoció a Andrés del Río como descubridor de un nuevo elemento, el eritronio, un metal que, sin embargo, se quedaría con el nombre de vanadio. Y esto último no gustó al mineralogista hispanomexicano. En la segunda edición de los Elementos de Orictognosia (1832, Filadelfia) escribió:

"Los mejores nombres son los que indican alguna propiedad característica, como ortoclasia, anhidrita, [...], etc., que son pocos, por desgracia. Así yo llamé eritronio a mi nuevo metal, por la bella propiedad característica de que sus sales blancas de amoníaco, potasa, sosa, barita, cal, etc., se vuelven al fuego, y con tocar una sola gota de ácido concentrado, del más hermoso rojo escarlata, [...] pero sic vos non vobis,  el uso, que es el tirano de las lenguas, ha querido que se llame vanadio, por no sé qué divinidad escandinávica; más derecho tenía otra mejicana, que en sus tierras se halló treinta años antes...".

Veinte años después de la muerte de Andrés Manuel del Río, en 1869, publicó el químico ruso Mendeléiev su tabla periódica de los elementos, en la cual asignó al vanadio (V) un peso atómico de 51, colocándolo entre el titanio (Ti), con peso atómico de 50, y el cromo (Cr), con peso atómico 52. En la tabla periódica moderna, donde se ordenan los elementos por número atómico creciente, el vanadio ocupa la casilla número 23, pues 23 es su número de protones del núcleo, su número atómico (Z). Lo encontramos hoy en diferentes minerales como la vanadinita, la carnotita, la roscoelita y más, incluso en el hongo Amanita muscaria. El vanadio metálico se emplea para fabricar aceros especiales de alta resistencia y durabilidad y es un elemento que forma catalizadores de gran interés industrial, nada de lo cual podía imaginar, como es lógico, aquel tenaz mineralogista que fue a enseñar e investigar a Nueva España.

Una historia esta del vanadio en la que el desconocimiento, en una época en la que la información viajaba a celeridad bien diferente, de hechos y datos precisos, llevó a Andrés del Río a la desconfianza en su descubrimiento del eritronio, un nuevo metal. Una historia de dudas, errores e infortunio. Pero desde el punto de vista humano, la historia del vanadio es una historia de honradez y no de vanidad.

BIBLIOGRAFÍA:

- BARGALLÓ, M. La minería y la metalurgia en la América española durante la época colonial. Fondo de Cultura Económica, México, 1955.

- BLAS, L. Biografías y descubrimientos químicos. Aguilar Ed. Madrid, 1947.

- CASTILLO, M. Creadores de la ciencia moderna en España y América. Ulloa, los Delhuyar y del Río descubren el platino, el wolframio y el vanadio. Muñoz Moya Editores Extremeños, Badajoz, 2005.

- PINTO, G. CUEVAS, G.  Vida y obra de Andrés Manuel del Río, el científico hispanomexicano que descubrió el vanadio. Quím. RSEQ 2025, 121, 188-196. An Quim 2025 Andres del Rio.pdf

- WEEKS, M. E. Historia de los elementos químicos. Manuel Marín Editor, Barcelona, 1949.

- Conferencia en Youtube de Gabriel PINTO: Andrés Manuel del Río, descubridor del vanadio. Andrés Manuel del Río, descubridor del vanadio

Movimiento browniano: de los granos de polen a los átomos

¿No nos recuerda nuestra vida a un movimiento browniano? ¿No es nuestro existir, con frecuencia errático, una sucesión de movimientos caóticos, sin un rumbo fijo? ¿Tiene significado y propósito nuestra vida? ¿Sabemos qué rumbo debemos tomar, o simplemente dejamos que los múltiples impactos externos nos desplacen sin fin, azarosamente, no alcanzando jamás una meta, no llegando a ninguna parte? 

Creo que la mayoría de nosotros somos, no pocas veces, meros granos de polen en browniana agitación. La filósofa y pionera feminista británica Mary Wollstonecraft (1759 - 1797), madre de Mary Shelley (la autora de Frankenstein), escribió certeramente: "Nada contribuye más a tranquilizar la mente como un firme propósito, un punto en el que el alma pueda fijar su ojo intelectual".

Al margen de la metáfora que podamos establecer, con mayor o menor acierto, verbigracia, esta de la existencia como una suerte de movimiento browniano, el caótico movimiento descubierto por el escocés Robert Brown hace doscientos años es de extraordinario interés histórico, pues encontramos una sutil conexión entre la botánica y la física y la química. En concreto, la meticulosa observación bajo el microscopio de las partículas de polen en agua llevó, ochenta años después, a concebir los átomos como entes físicos de existencia real y no como un mero artificio intelectual de la teoría atómica.

[Robert Brown, gran botánico escocés]

Robert Brown (1773 - 1858), médico y botánico escocés, hizo su importante descubrimiento en 1827 cuando observaba al microscopio una suspensión en agua de granos de polen de Clarkia pulchella (de forma triangular y con poros en los vértices), una planta herbácea perenne. Estas partículas de polen, lejos de permanecer quietas, se movían continuamente, al azar, cambiando su posición sin cesar en un movimiento realmente errático. Este movimiento aleatorio es debido a los impactos de las partículas invisibles constituyentes del agua, las moléculas, con las partículas relativamente grandes que forman la suspensión (en este caso, los granos de polen). Albert Einstein (1879 - 1955) explicó teóricamente el movimiento browniano, que así se denomina al caótico fenómeno, en 1905 y el francés Jean Perrin (1870 - 1942) llevó a cabo posteriormente (1908) las experiencias definitivas. La teoría cinética de la materia tenía entonces una importantísima prueba experimental a su favor,  y ello poco después del suicidio de Boltzmann.

Robert Brown estudió Medicina en las universidades escocesas de Aberdeen y Edimburgo y, en sus primeros años de profesión, ejerció como médico militar, aficionándose a coleccionar plantas. Gracias al explorador y botánico inglés Joseph Banks (presidente de la Royal Society entre 1778 y 1820), al que había conocido en Irlanda, embarcó  Brown en 1801 como naturalista en una expedición científica a Australia, regresando cuatro años más tarde con un valioso cargamento botánico de unas 4000 especies de plantas que, tras un arduo trabajo, describió posteriormente. Las aportaciones a la Botánica del médico escocés fueron realmente relevantes. Así, por ejemplo, hay que destacar que señaló la diferencia entre las gimnospermas y las angiospermas, investigó el polen como criterio para la clasificación de las plantas y, memorable, acuñó el término núcleo para designar el pequeño cuerpo que observaba en el interior de las células vegetales (advirtió que era algo característico de todas las células). Es interesante la etimología de la palabra núcleo, que proviene del latín "nucleus", una forma diminutiva de "nux" o "nucis", es decir, nuez; por tanto, núcleo vendría a significar, según su origen latino, "nuez pequeña" (núcleo es una palabra polisémica empleada en diferentes ramas de la ciencia, como la biología, la astronomía, la física, o la geología, siempre con la idea general de parte central de algo). No es de extrañar pues que el término "núcleo" fuese acuñado por un botánico, que vio con su microscopio óptico, en el interior de las diminutas células, una estructura que le recordaba, en pequeño, al fruto del nogal, la nuez comestible encerrada en la dura cáscara. En 1912 recuperó Ernest Rutherford la palabra núcleo para referirse a la parte central del átomo, de carga positiva y donde se concentra casi toda su masa, descubierta un año antes tras analizar los resultados del célebre experimento de bombardeo de una finísima lámina de oro con partículas alfa. De hecho, Rutherford no eligió el término inglés "core" para referirse al núcleo del átomo (muy usado, como en "Earth's core", núcleo de la Tierra) sino que prefirió "nucleus" ("atomic nucleus").

Pero, si la mayoría de nosotros recordamos hoy al ilustre botánico de Montrose, es por el caótico movimiento de las pequeñas partículas de polen en suspensión que lleva su nombre, el movimiento browniano, epónimo que comenzó a ser utilizado por los físicos y químicos años después de la muerte de Robert Brown, popularizándose en la década de 1870, en el contexto de la teoría cinética de la materia. Digamos que, aunque el descubrimiento de Brown en las suspensiones de polen es de 1827, ya   en 1785 Jan Ingenhousz (considerado el descubridor de la fotosíntesis) describió el movimiento irregular de polvo de carbón en la superficie del alcohol. Según nos cuenta Isaac Asimov en su Enciclopedia Biográfica de Ciencia y Tecnología (Alianza Ed., 1987), Robert Brown, tras su observación con el microscopio óptico de una suspensión de polen en agua, dedujo inicialmente que el errático movimiento de las partículas de polen debía ser consecuencia de la vida que había encerrada en dichos granos, pero él mismo refutó su explicación cuando observó similar movimiento caótico en partículas de colorante, carentes de vida, en suspensión acuosa. Largo tiempo después, en 1887, el físico francés Louis G. Gouy (1854 - 1926) llegó a la acertada conclusión de que el movimiento browniano era una manifestación de la agitación térmica de las partículas del disolvente, conforme a la teoría cinética (dichas partículas o moléculas están en movimiento continuo, de manera que la temperatura es una medida directa de la energía cinética promedio de las partículas que forman el sistema).

 

[Movimiento browniano. Del artículo de Jean B. Perrin, "Mouvement brownien et réalité moléculaire" Ann. de Chimie et de Physique (VIII) 18, 5-114, 1909 ]

Nuestro gran físico Luis Bru (notable experimentador y divulgador de la excelente labor científica de investigadores españoles como Blas Cabrera, Arturo Duperier o Miguel Catalán) describe en su manual de Física (Librería Internacional de Romo; 1969) el movimiento browniano con estas sencillas palabras: 

"Cuando se observa una suspensión al microscopio puede comprobarse que las partículas que la forman no están quietas, sino animadas de un rápido y desordenado movimiento que se realiza tanto más de prisa cuanto más pequeñas son las partículas. El origen del fenómeno estriba en que las moléculas líquidas [del líquido] empujan en sus desplazamientos a las partículas suspendidas, las cuales chocan unas con otras, originándose un desordenado movimiento en zig - zag".

Albert Einstein (1879 - 1955),  en 1905 (su annus mirabilis), describió matemáticamente con éxito el movimiento browniano en su artículo Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen ("Sobre el movimiento postulado por la teoría cinético - molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario"),  cuyos resultados suponían confirmar indirectamente la existencia de átomos y moléculas. Hay que señalar que Einstein hizo su estudio teórico y matemático del fenómeno con un conocimiento muy vago de las observaciones de Robert Brown.

[Muro de Berlín. Albert Einstein, Goethe ("la historia de la ciencia es la ciencia misma") y otros ilustres alemanes. Foto: B. Rivero]

Einstein supo explicar el movimiento browniano matemáticamente basándose en la teoría cinética de Maxwell y Boltzmann, demostrando que el movimiento caótico de las partículas en suspensión tenía que ser consecuencia del movimiento al azar de las moléculas del agua en la que se encontraban suspendidas. Einstein comprendió que la velocidad de la partícula en suspensión no es una magnitud definida (choca multitud de veces y, por tanto, cambia de velocidad, en módulo y dirección, haciéndose nula con frecuencia). Llegó a la conclusión de que el movimiento errático de las partículas en suspensión, como los granos de polen de Robert Brown, está provocado por las múltiples colisiones con las moléculas del líquido en el que están inmersas y, además, este movimiento es tan complicado que ha de ser descrito probabilísticamente. Es decir, en 1905 Einstein proponía una teoría del movimiento browniano basada en las fluctuaciones estadísticas del número y la velocidad de las moléculas de líquido que colisionan con la partícula browniana. 

El tamaño de las partículas en suspensión es un factor muy importante a la hora de observar, o no, el movimiento browniano pues estas no pueden ser demasiado pequeñas (si están en la escala atómica o molecular no formarían una suspensión sino que serían parte de la disolución) ni demasiado grandes (sufrirían las partículas billones de impactos por segundo repartidos uniformemente por toda su gran superficie y no sería observable el efecto y, además, la fuerza gravitatoria, su propio peso, haría que precipitaran, cayendo al fondo). Se suele establecer un rango de tamaño de partícula que va de 1 nanómetro a 5 micrómetros (o a lo sumo 10 micrómetros) para que el movimiento browniano sea claramente detectable. En rigor, diremos que Robert Brown no observó en 1827 con su microscopio el movimiento aleatorio de los granos de polen de Clarkia pulchella (demasiado grandes, de unos 80 micrómetros) sino el de las pequeñas partículas liberadas de su interior al agua (como amiloplastos y esferosomas), con un tamaño comprendido entre 1 y 5 micrómetros (o milésimas de milímetros).

El académico Jesús Santamaría Antonio nos enfatiza que el movimiento browniano es un fenómeno mesoscópico (conforme a la idea de Einstein, la escala meso iría desde el milímetro a la millonésima del metro, es decir, el micrómetro):

"El movimiento browniano es un proceso mesoscópico, compatible con el equilibrio termodinámico, que explica las fluctuaciones de magnitudes termodinámicas y fundamenta la Teoría  Atómico-Molecular del siglo XX y la Teoría Matemática de los procesos al azar".

Y me parecen muy interesantes sus conclusiones respecto a las relaciones entre el movimiento browniano, la dinámica de fluctuaciones y la Biología (un camino de ida y vuelta que conecta la Biología con la Física y la Química):

"En la materia condensada y en Biología, ambas gobernadas por estructuras de mesoescala y fluctuaciones importantes, el movimiento browniano determina la dinámica de fluctuaciones que une lo microscópico rápido con lo macroscópico lento".

Toda teoría científica ha de partir de los hechos observados y, para que sea aceptada, debe estar refrendada por los experimentos. La explicación teórica de Einstein del movimiento browniano encontró su confirmación en los meticulosos trabajos experimentales del físico francés Jean B. Perrin (1870 - 1942), y con ello se hacía  evidente la existencia real de los átomos y las moléculas que forman la materia, quedando resuelta la larga controversia que dominó el siglo XIX desde la teoría atómica de Dalton y que, en sus últimas décadas, adquirió gran resonancia.

[Jean Perrin, físico francés que en 1909 demostró la existencia de átomos y moléculas]

Anteriormente, Jean Perrin había investigado la naturaleza de los rayos catódicos observados por Crookes y llegó a la conclusión en 1895 de que eran partículas cargadas negativamente y no ondas (estudios culminados por J. J. Thomson en 1897 con el descubrimiento de los electrones). Incluso, en 1901, años antes que Rutherford, propuso un modelo alternativo al de Thomson, un modelo planetario del átomo, con una región central positiva y los electrones en la periferia, girando alrededor como los planetas lo hacen en torno al Sol.

Pero fue en 1908, tres años después de la teoría de Einstein sobre el movimiento browniano, cuando Jean Perrin se pone a la tarea de intentar determinar el tamaño de las moléculas mediante la observación sistemática. Asimov nos cuenta así el gran logro del físico francés: "Con el microscopio, contó el número de pequeñas partículas de resina suspendidas a diferentes alturas en una gota de agua. Encontró la manera por la cual se ajustaban perfectamente a las ecuaciones de Einstein, y, por primera vez, el tamaño aproximado de átomos y moléculas pudo ser calculado por medio de la observación real". Así quedaba confirmada la existencia de átomos y moléculas, cerrando el largo debate decimonónico. Además, por si todo esto fuera poco, Perrin determinó el número de Avogadro con gran exactitud (fue precisamente él quien lo llamó constante de Avogadro). Su estudio experimental quedó reflejado en diferentes artículos científicos, entre los que destaca Mouvement brownien et réalité moléculaire ("Movimiento browniano y realidad molecular"), de 1909, traducido poco después al inglés y al alemán.

Añadir a lo ya dicho que Jean B. Perrin propuso en 1919 que los procesos nucleares (fusión nuclear del hidrógeno) pueden proporcionar la fuente de energía en las estrellas. Su hijo, Francis Perrin, fue un gran especialista en fisión nuclear (¿recuerdan quién propuso por vez primera la palabra núcleo como término científico?). Francis Perrin se doctoró con una tesis sobre el estudio matemático del movimiento browniano de rotación. A su padre, Jean B. Perrin, le fue concedido el premio Nobel de Física en 1926 (justamente hace ahora cien años) por sus investigaciones sobre la estructura discontinua de la materia y el equilibrio de sedimentación.

Apenas tres años antes de la publicación de los cruciales trabajos experimentales de Jean Perrin, en los que queda patente la existencia real de los átomos, moría trágicamente uno de los científicos más relevantes del siglo XIX, al que me atrevería a llamar, sin embargo, "primer físico del siglo XX": Ludwig Boltzmann (1844 - 1906).

[En la Universidad de Viena, junto al busto de L. Boltzmann.

Foto: B. Rivero]

Boltzmann se suicidó en Duino en 1906. Se ahorcó en esta pequeña localidad de la costa adriática, próxima a Trieste (célebre por aquellas elegías que escribiera el gran poeta Rainer María Rilke), mientras su mujer e hija se bañaban. Las causas que llevaron a tan destacado físico teórico, pionero en conectar el mundo microscópico de los átomos con las leyes macroscópicas de la física (mecánica estadística), a una decisión drástica e irreversible como esta no están claras. El físico austríaco tenía un carácter cambiante y una personalidad depresiva (probablemente padecía un trastorno bipolar) y, a la fatal determinación, debió de contribuir sin duda la dureza de los ataques que recibieron sus ideas atomistas por parte de algunos de sus colegas (Mach y Ostwald principalmente) y el progresivo deterioro de su salud física (a veces, las buenas noticias o las recompensas llegan demasiado tarde, como se nos recuerda en el epílogo de Bartleby, el escribiente, deliciosa obra maestra de Herman Melville). El autor  de Teoría cinética de los gases (1895 - 1899), entre otras importantísimas obras, fue además un notable filósofo de la ciencia, muy apreciado por Karl Popper, quien lo consideraba "uno de los grandes físicos del siglo XIX y, al mismo tiempo, un ardiente, y casi militante, realista y objetivista". 

Aquí, sobre todo, quiero destacar su tenaz defensa del atomismo físico, pues creía Boltzmann en la existencia real de los átomos (más allá de su utilidad en los modelos teóricos), lo cual suponía encontrar la dura oposición de los positivistas, para quienes los átomos eran meros entes metafísicos. Es el debate y la tensión entre dos concepciones filosófico - científicas rivales: el atomismo y el energetismo. La primera saldría triunfante en el siglo XX pero la segunda, con Wilhem Ostwald a la cabeza, se mostraba muy vigorosa en la época del desdichado Boltzmann.

 

Hacia 1890 el químico alemán (nacido en Riga, Letonia) Wilhelm Ostwald (1853 - 1932) era un destacadísimo defensor de las posturas energetistas, sosteniendo firmemente que era la energía, y no la materia, lo único real en la naturaleza. Para Ostwald, la energética debía sustituir a la teoría cinética y la teoría atómica como fundamento de la física. Sin embargo, con buen espíritu científico, tras los estudios sobre el movimiento browniano de Einstein (1905) y los definitivos resultados experimentales de Jean Perrin (1909), el eximio químico de Riga (de los bálticos "bosques del este") aceptó, por fin, la teoría atómica. Muestra de ello es lo escrito por Ostwald en Einführung in die Chemie: ein Lehrbuch zum Selbstunterricht und für höhere Lehranstalten ("Introducción a la Química: un libro de texto para el autoaprendizaje y para centros de enseñanza superior"), de 1910, que podemos leer en español gracias a la traducción del profesor Modesto Bargalló en "Elementos de Química" (Gustavo Gili Editor, Barcelona, 1917). En el capítulo dedicado al oxígeno encontramos el epígrafe "Teoría atómica", donde queda clara la nueva postura de Ostwald respecto a los átomos:

"Además, de la ley de la conservación de los elementos se deduce que un átomo no puede transformarse en otro: si esto fuese posible, también lo sería la transformación mutua de los elementos, con lo cual desaparecerían unos para dar origen a otros. por consiguiente, el fenómeno de la combinación no se puede concebir más que como unión de los átomos de los elementos, y así se explica que puedan obtenerse, de nuevo, los elementos, de los cuerpos compuestos.

[...]

Con la hipótesis de la existencia del átomo dotado de las propiedades antes indicadas, se explica, pues, claramente la proporcionalidad de pesos en los compuestos químicos, lo cual viene en apoyo de la misma hipótesis. Admitiremos, por consiguiente, que todos los cuerpos están realmente compuestos de átomos; concepto que han venido a confirmar todavía diversos descubrimientos de otras ciencias. En lo sucesivo nos serviremos bastante de dicha teoría".

Pues sí, todos admitieron, como Ostwald, que los átomos formaban realmente la materia.

["Elementos de Química", de Ostwald (traducción de 1917)]

BIBLIOGRAFÍA:

- ALFONSECA, Manuel. Grandes científicos de la humanidad. Espasa. Madrid, 1998.

- ASIMOV, Isaac. Enciclopedia biográfica de ciencia y tecnología. Alianza Ed. Madrid, 1987.

- BRU, Luis. Física. Librería Internacional de Romo, S. L. Madrid, 1969.

- BYNUM, W. F.; BROWNE, E. J.; PORTER, Roy. Diccionario de historia de la ciencia. Ed. Herder. Barcelona, 1986.

- OSTWALD, Guillermo. Elementos de Química. Gustavo Gili Ed. Barcelona, 1917.

- SANTAMARÍA ANTONIO, Jesús. El movimiento browniano: un paradigma de la materia blanda y de la biología. Rev. R. Acad. Cienc. Exact. Fís. Nat. (Esp). Vol. 106, Nº. 1-2, pp 39-54, 2013.

https://rac.es/ficheros/doc/01099.pdf.

- Jean Perrin; el Nobel al que no suele atribuirse el descubrimiento del modelo atómico planetario.

Tycho Brahe, un astrónomo sin telescopio

Los planetas se desplazan alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas, estando situado el Sol en uno de los focos. El radio vector que une el planeta y el Sol barre áreas iguales en tiempos iguales (ley de las áreas). Por tanto, cuando el planeta en su órbita alrededor del Sol se encuentra en el afelio (posición más alejada) su velocidad es menor que cuando está en el perihelio (más próximo al Sol). Esta ley de las áreas es equivalente a la constancia del momento angular del planeta (L = momento angular = m r v = constante). Para cualquier planeta, el cuadrado de su período orbital, o tiempo que tarda en completar una vuelta alrededor del Sol, es directamente proporcional al cubo de la distancia media al Sol. Señalemos que estas leyes también se aplican a otros astros que interaccionen gravitatoriamente, como el sistema Tierra – Luna. Estas son las célebres leyes de Kepler, enunciadas por el matemático y astrónomo alemán algunos años después de la muerte del más grande astrónomo observacional que había escrutado los cielos hasta entonces: Tycho Brahe (Knudstrup, en su época de Dinamarca, hoy de Suecia, 1546 – Praga, 1601), a veces llamado “el Leonardo de Dinamarca”, pues encarna perfectamente el espíritu del Renacimiento. 

Johannes Kepler (Weil, Alemania, 1571 – Ratisbona, 1630) enunció las dos primeras leyes en Astronomia Nova (“Nueva astronomía”), 1609, y la tercera diez años más tarde en Harmonices Mundi (“La armonía de los mundos”). No podría haberlo hecho sin contar con las numerosas y precisas observaciones realizadas por Brahe, cuyos datos constituían un auténtico tesoro astronómico. Las leyes de Kepler describieron el movimiento planetario pero también, a partir de ellas, Newton dedujo la ley de la gravitación universal. Como señala el historiador de la ciencia A.C. Crombie, Kepler tuvo asimismo el mérito de hacer las primeras sugerencias de una nueva cosmología física acorde con sus leyes sobre el movimiento de los planetas alrededor del Sol; mas este asunto, de extrema dificultad, sólo fue resuelto cuando Isaac Newton, aquel genio que había visto más lejos al estar “de pie sobre los hombros de gigantes”, unió las leyes de Kepler con la dinámica terrestre de Galileo “por medio de la ley puente de la gravitación universal”. Como se ha indicado, fueron las precisas observaciones celestes de Tycho Brahe (sin precedentes) las que posibilitaron la cadena de cruciales descubrimientos.

[TYCHO BRAHE, gran astrónomo del Renacimiento]

Tycho Brahe (Tyge Ottesen Brahe) nació en el seno de una familia de la nobleza danesa. El padre de Tycho era una figura relevante de la corte real danesa. El joven Tycho comenzó sus estudios en la Universidad de Copenhague en la primavera de 1559, donde, para satisfacer los deseos familiares, estudió derecho, junto con otras disciplinas. Pronto se sintió atraído por la astronomía. Parece ser que el hecho de que se confirmaran las predicciones del eclipse del 21 de agosto de 1560 le produjo una gran impresión. Esto le motivó de manera extraordinaria y comenzó a estudiar astronomía, la cual se convertiría en su gran pasión. Sin embargo, no tardó en advertir que los datos astronómicos disponibles no eran suficientemente precisos y había discrepancias que él, meticuloso y exigente, no podía tolerar: “hay tantas medidas y métodos como astrónomos hay, y todos ellos difieren”, se quejaba el joven Tycho. Y es que el 17 de agosto de 1563 observó que Júpiter y Saturno estaban tan próximos el uno al otro que casi no podía distinguirlos. Se apresuró a consultar las tablas planetarias y comprobó que las tablas alfonsíes (medievales, del siglo XIII, elaboradas por iniciativa del rey Alfonso X "El Sabio") tenían un error de nada menos que un mes en la previsión de dicha efeméride astronómica. Las tablas copernicanas se aproximaban más, aunque el error era también importante pues era de varios días. La inquieta mente de Tycho rápidamente se dio cuenta de que la única forma de avanzar en el conocimiento del cosmos era emprender una observación sistemática muy rigurosa, en búsqueda de la máxima precisión. Si era necesario construir nuevos instrumentos, no había tiempo que perder; debía hacer todo lo que estuviera en sus manos y agudizar el ingenio.

Todas las observaciones que realizó Tycho Brahe fueron hechas sin telescopio, cuya invención es algunos años posterior a la muerte del astrónomo danés. En 1608, un óptico, Lippershey, había construido en Holanda un tubo con lentes que acercaba la imagen de los objetos lejanos. Galileo se hizo de uno de estos anteojos y lo perfeccionó notablemente. Para ello, el propio Galileo nos cuenta que tuvo que realizar un profundo estudio de la refracción. En 1609 comenzó a utilizar su telescopio refractor y no tardó en apuntar hacia el cielo. La Luna le deparó interesantes sorpresas al construir un telescopio que aumentaba los objetos casi un millar de veces, aparentando estar más de treinta veces más cerca. Galileo publicó sus valiosos hallazgos en Sidereus Nuncius (“El mensajero sideral”) en 1610, su primera obra científica (escrita en un estilo claro y conciso, algo muy novedoso para la época). Tycho por su parte, mucho antes de que el sabio de Pisa perfeccionase los anteojos para construir sus telescopios refractores, se dedicó a mejorar y agrandar los instrumentos existentes, además de usar su talento renacentista para construir otros completamente nuevos.

Una anécdota importante de la vida de Tycho Brahe, que nos muestra su carácter fogoso, es el duelo que mantuvo con un tal Parsbjerg, noble danés, en 1566, tras una fiesta con abundante bebida. Ambos jóvenes discutieron acaloradamente y se retaron a un duelo en la oscuridad de la noche. La espada de su oponente le rebanó la nariz. A raíz del suceso, parece ser que Tycho comenzó a interesarse por la medicina y la alquimia (además de ser el mejor astrónomo de su tiempo, llegó a convertirse en un practicante de la iatroquímica o química médica y en su observatorio tenía una dependencia como laboratorio, con hornos, alambiques y todo el instrumental necesario para elaborar sus preparados químicos). Debido al grave incidente, Tycho tuvo que usar una prótesis nasal metálica (se ha escrito frecuentemente que hecha de una mezcla de oro y plata, aunque hay indicios de que fuera de latón, una aleación de cobre y zinc, más ligera y confortable) fijada con una sustancia adhesiva. Es posible incluso que usara diferentes prótesis, según las ocasiones, de distintas aleaciones. Algunos estudiosos han señalado que la prótesis nasal debió producirle a Tycho úlceras y, tal vez, alguna infección.

En 1572, en la noche del 11 de noviembre, cuando Tycho daba un paseo antes de cenar, quedó impactado al dirigir la mirada hacia la constelación de Casiopea y ver una nueva estrella brillar en el cielo con gran intensidad. ¿Era posible? La doctrina aristotélica afirmaba que las estrellas formaban parte de un cielo inmutable. “Caí en tal perplejidad, por lo increíble del suceso, que empecé a dudar de mis propios ojos”, narró Tycho. Hoy sabemos que lo que dejó estupefacto al inquieto danés fue una supernova (una estrella en violenta explosión que se hace visible en el espacio nítidamente). Esta supernova que apareció en la constelación de Casiopea llegó a superar el brillo de Venus, siendo visible incluso en pleno día. De la nada parecía surgir una nueva estrella; bien sabía Tycho que podría ser tomado por loco si contaba alegremente su descubrimiento. Debía asegurarse y comprobar si aquel intenso y sorprendente punto luminoso se encontraba más allá de la Luna. Tycho Brahe observó que en varios meses la “nueva estrella” no había cambiado su posición “ni un solo minuto” del lugar en que la vio por primera vez. Puesto que permanecía fija en el mismo punto del cielo y no mostró ningún cambio en la perspectiva al ser triangulada por observadores muy distantes, podía concluirse que dicha “nueva estrella” estaba más allá de la Luna, en el cielo “eterno e inmutable” de Aristóteles (que, por tanto,  no podía ser como pensaba el gran sabio de la antigüedad); incluso más allá de cualquier órbita planetaria. Tycho, después de las cuidadosas observaciones, no tuvo dudas: la “nueva estrella” que había irrumpido en el cielo (sin permiso de los seguidores de Aristóteles) se debía encontrar en “la octava esfera, entre las otras estrellas fijas”. Una segunda supernova apareció pocos años después, en 1604, siendo observada por Kepler. Dos “proyectiles” en poco tiempo contra la teoría de Aristóteles. También Brahe demostró que el brillante cometa de 1577 se encontraba más allá de la Luna. Sin duda, el cielo era cambiante y no como pensaba Aristóteles.

De esta manera, “por la puerta grande”, Tycho Brahe se hizo un sitio entre los astrónomos ilustres. El rey Federico II de Dinamarca, mecenas de filósofos y artistas, quedó impresionado con los descubrimientos de Tycho y le concedió la isla de Hven, en el estrecho de Oresund, que separa la costa danesa de la sueca (en aquella época ambas orillas pertenecían a la corona danesa), financiando la construcción de dos observatorios: Uraniborg (en honor de Urania, musa de la Astronomía y de la Geometría, que es representada con un compás y una esfera), que también contaba con un laboratorio de alquimia (iatroquímica), y Stjerneborg (este observatorio fue construido cuando la fama de Tycho era tan grande que acudían a trabajar con él numerosos ayudantes, siendo subterráneo la mayor parte del edificio con la finalidad de proteger los instrumentos). Uraniborg fue construido por un arquitecto alemán y, tanto el edificio principal como los jardines, parecen más un suntuoso palacio que un observatorio astronómico. Parece ser que hizo época en la arquitectura escandinava. Koestler describe el palacio-observatorio como un “cruce entre el Palazzo Vecchio y el Kremlin”. Las torres del magnífico observatorio tenían techo móvil y en ellas situó Tycho sus instrumentos. En las galerías había relojes, cuadrantes, globos y figuras alegóricas. En el sótano se encontraba la prensa para imprimir, el horno de alquimista e incluso una prisión particular por si algún vasallo se rebelaba (Brahe era un auténtico señor feudal en Hven). Asimismo tenía su propia farmacia. El edificio estaba lleno de aparatos y autómatas, y un sistema de comunicaciones permitía hacer sonar una campanilla en la habitación de cualquiera de sus ayudantes. Los banquetes con invitados distinguidos eran frecuentes y en ellos, como no podía ser de otra manera, se bebía abundantemente. Tycho tenía un enano como bufón, Jepp, que se sentaba a sus pies bajo la mesa y al que consideraba como alguien con ciertos poderes de clarividencia. Al parecer, el extravagante astrónomo danés había tenido con anterioridad un alce domesticado, que cierto fatal día subió las escaleras que llevaban a una estancia en la que bebió el pobre animal gran cantidad de cerveza, dándose un batacazo al bajar y muriendo como consecuencia de la caída. Según cuenta Koestler, la vida en Uraniborg se asemejaba más a una corte del Renacimiento que a una comunidad intelectual. Y sin embargo allí se hicieron numerosísimas observaciones astronómicas, sin telescopio, de una precisión sin precedentes y que, más tarde, cambiarían la visión del mundo: trabajo riguroso y titánico; diversión y placer, por otro lado, a raudales.

[Observatorio astronómico de Uraniborg]

Tycho buscó por toda Europa los mejores instrumentos astronómicos para su observatorio y, además, como mente privilegiada y audaz del Renacimiento (y aquí nos recuerda a Leonardo), diseñó él mismo cuadrantes, para medir con gran precisión la altura o ángulo de los astros respecto al horizonte y seguir el movimiento de los planetas o "astros errantes" (en particular de Marte), y esferas armilares, incorporando en su palacio-observatorio de Uraniborg un ingenioso sistema de comunicaciones, como se ha dicho, y una fábrica de papel para surtir a su imprenta. Contaba en el observatorio con una pieza fundamental para su trabajo: un globo celeste de bronce (de un metro y medio de diámetro); en él se fueron grabando las estrellas fijas, una a una, durante veinticinco años, hasta un total de un millar. Del millar de estrellas fijas, las posiciones de 777 estaban determinadas con gran exactitud, colocándose las 223 restantes de forma apresurada poco antes de verse obligado a abandonar su observatorio en la isla danesa de Hven. De esta manera alcanzaba la cifra redonda del millar. Los datos obtenidos por Tycho Brahe en la meticulosa observación de estrellas y planetas tenían una exactitud de más del doble que los disponibles hasta entonces.

Tycho Brahe no fue nunca un defensor de la teoría heliocéntrica de Copérnico. El que fuera eminente (y polémico) astrónomo, Fred Hoyle, pensaba que Tycho Brahe se oponía a la teoría copernicana sin prejuicios religiosos. Según Hoyle, su oposición al heliocentrismo provenía más bien de la propia psicología de los grandes observadores (“el mundo tiene para ellos, tal como lo ven, una realidad emocional más inmediata que para una persona corriente, y muchísimo más que para el teórico”): el observador tiende a dudar de la realidad de situaciones en las que no puede él mismo establecer contacto físico (por ejemplo, cuando la luz penetra en el ojo). Así, un observador no tiene conciencia directa e inmediata del movimiento de la Tierra, mientras que lo que sus sentidos le dicen es que los demás astros son los que se mueven y eso le llevaría a considerar a la Tierra inmóvil. Cualquiera con conocimientos elementales de Astronomía diría hoy: “las apariencias engañan …” Brahe se atrevió a proponer un modelo cosmológico: un modelo de compromiso entre los modelos copernicano y tolemaico. En dicho modelo (el modelo tychónico) todos los planetas conocidos entonces (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno) giran en torno al Sol, girando éste (al igual que la Luna) alrededor de la Tierra. Es decir, el sistema de Tycho es geocéntrico. Este fue su gran fracaso teórico pues, como indica Timothy Ferris, el modelo propuesto por Brahe “creaba tantos problemas como los que resolvía”. Sería necesario esperar a que un hombre de sólida formación en matemáticas y de prodigiosa intuición, el alemán Johannes Kepler, defensor de la teoría de Copérnico, resolviera satisfactoriamente el complejo rompecabezas que constituían los numerosos datos acumulados por Tycho Brahe. Y esto sucedería después de la muerte del astrónomo danés, quien guardaba con excesivo celo su tesoro. 

[Modelo cosmológico de compromiso, aunque geocéntrico, de Tycho Brahe]

Ambos astrónomos, Brahe y Kepler, se habían encontrado en Praga, pues tras la muerte de Federico II, su protector, Brahe perdió su pensión y los derechos que el rey le había concedido respecto a la isla de Hven. Esto le obligó a abandonar tierras danesas, instalándose definitivamente en el castillo de Benatky, próximo a Praga, al servicio del emperador Rodolfo II (en cuya corte no faltaban los astrólogos y alquimistas). Allí, en 1600, se produjo uno de los más importantes, y misteriosos, encuentros de la historia de la ciencia. Johannes Kepler, un joven matemático de oscura personalidad (ebrio de idealismo y de misticismo), llegó a Praga para trabajar con Tycho Brahe, el célebre astrónomo. Fue un encuentro de dos científicos complementarios pero de antagónicas personalidades; una colaboración breve y difícil pero que fructificó espléndidamente. El secreto de las órbitas planetarias alrededor del Sol fue desvelado por Kepler pocos años después del fallecimiento de Tycho Brahe. 

Carl Sagan nos cuenta en el capítulo III de su memorable obra Cosmos ("La armonía de los mundos") que Kepler se imaginó que con Tycho Brahe, en Praga, encontraría refugio y podría confirmar su modelo cosmológico (su Misterio Cósmico: seis esferas para los seis planetas y los cinco sólidos platónicos entre ellas), aspirando a convertirse en su colega pero, para su desgracia y sufrimiento personal, estas expectativas nunca se cumplieron. Llegó a decir de Tycho que, siendo extraordinariamente rico, no sabía hacer uso de su riqueza, "uno cualquiera de sus instrumentos vale más que toda mi fortuna y la de mi familia reunidas", se quejaba amargamente el matemático alemán. Tycho Brahe apenas le proporcionaba información de sus observaciones: "Tycho no me dio oportunidad de compartir sus experiencias. Se limitaba a mencionarme, durante una comida y entre otros temas de conversación, como si fuera de paso, hoy la cifra del apogeo de un planeta, mañana los nodos de otro... ". Esto, sin duda, debió de resultar desesperante a Kepler. Denuncia Sagan que Tycho Brahe no estaba dispuesto a regalar toda la ingente labor astronómica de su vida a un joven rival en potencia. "El nacimiento de la ciencia moderna -hija de la teoría y de la observación- se balanceaba al borde de este precipicio de desconfianza mutua", apunta certeramente Sagan. Tycho Brahe murió en 1601, en Praga, por complicaciones de una enfermedad renal (durante algún tiempo se ha especulado que pudo haber muerto debido a una intoxicación por mercurio, muy empleado en las prácticas alquímicas, o incluso envenenado, pero esto ha sido descartado). Parece ser que en su lecho de muerte legó, por fin, sus valiosísimas observaciones a su frustrado colaborador, Johannes Kepler, quien, gracias a su talento matemático, sacaría el máximo provecho de ellas: las leyes de los movimientos planetarios alrededor del Sol. "Que no crean que he vivido en vano...", repetía Brahe una y otra vez, delirando, en su última noche en este mundo bajo las estrellas.

Respecto al telescopio (instrumento fundamental para la observación astronómica, que no tuvo la oportunidad de utilizar Tycho Brahe) no está del todo clara la autoría de su invención. Según nos cuenta Arthur Koestler en su biografía de Kepler (Biblioteca Salvat de Grandes Biografías, Barcelona, 1985), el 2 de octubre de 1608, el fabricante de lentes holandés (de Middleburg) Lippershey solicitó al gobierno de su país una licencia por treinta años para manufacturar telescopios con lentes simples y dobles. Parece ser que durante el siguiente mes vendió varios de sus catalejos, pero no le fue concedida la licencia en exclusiva debido a que en el intervalo otros dos hombres habían presentado el mismo invento.

No obstante, recientes investigaciones llevadas a cabo por Nick Pelling, atribuyen la autoría del invento a un español, el catalán Juan Roget en 1590. El catalejo de nuestro compatriota habría sido copiado por Zacharias Janssen, quien intentó patentarlo el 17 de octubre. Éste y Jacob Metius, que intentó patentarlo el día 14, serían los dos hombres a los que se refería Koestler. El informático Nick Pelling defiende su tesis apoyándose en las pesquisas de José María Simón de Guilleuma (1886 - 1965), quien no llegaría a concluir su investigación.

En 1609 varios telescopios holandeses llegaron a Italia y fueron copiados. Galileo, que había tenido noticias del invento, decidió construir un instrumento similar, para lo cual se vio obligado a estudiar profusamente la teoría de la refracción. Lo cierto es que, dadas su habilidad y capacidad intelectual, Galileo perfeccionó notablemente el catalejo, convirtiéndolo en un verdadero telescopio refractor capaz de escrutar los cielos como nunca se había hecho antes. 

Cuenta Koestler que Galileo, tras sucesivas mejoras de su telescopio, comenzó a apuntarlo hacia la Luna y las estrellas (que anteriormente no le habían atraído demasiado). Según palabras del propio sabio pisano, logró construir un instrumento tan superior que los objetos vistos a través de él aparecían aumentados casi un millar de veces, y parecían estar más de treinta veces más cerca que vistos simplemente con los ojos (como hizo Brahe). Afirmaba esto Galileo en Sidereus Nuncius ("El mensajero sideral"), publicado en Venecia en marzo de 1610. Fue esta la primera obra científica de Galileo, en la que no sólo describía su telescopio y los descubrimientos efectuados con él, sino que el libro, como indica Koestler, estaba escrito en un estilo nuevo, claro y conciso que ningún erudito había empleado antes (se vislumbra ya aquí al gran Galileo, el que sería considerado padre de la nueva ciencia, basada en el método experimental). Con su telescopio observó la Luna (con sus "mares" de polvo, cráteres y cadenas montañosas), el Sol (con sus zonas oscuras o manchas) y los planetas. De gran trascendencia es el descubrimiento de cuatro lunas de Júpiter el 7 de enero de 1610, satélites que giraban alrededor del más gigante de los planetas exteriores. Pruebas evidentes a favor de la teoría heliocéntrica de Copérnico (aunque a la sazón no tan evidentes para muchos).

¡Ay, Tycho Brahe, si hubieras vivido un poco más para poder usar el telescopio en tus observaciones astronómicas!

BIBLIOGRAFÍA:

- CROMBIE, Alistair C. Historia de la ciencia: de San Agustín a Galileo. Alianza Editorial (Alianza Universidad); 1996.

- FERRIS, Timothy. La aventura del universo. De Aristóteles a la teoría de los cuantos; una historia sin fin. Editorial Crítica; 2009.

- HOYLE, Fred. Astronomía. Ediciones Destino; 1967.

- KOESTLER, Arthur. Kepler. Salvat. Biblioteca Salvat De Grandes Biografias, 46; 1988.

- SAGAN, Carl. Cosmos. Editorial Planeta; 1982.

La cafetera mágica

Es de lo más agradable y enriquecedor darse un paseo por alguna de esas librerías de viejo y ferias de libro antiguo, o subir la célebre y barojiana Cuesta de Moyano en Madrid, con sus quioscos repletos de variopintos volúmenes en los que uno rebusca con la ilusión de encontrar una perla libresca. En la Feria del Libro Antiguo y de Ocasión de Sevilla adquirí un otoño cierto ejemplar de la revista de divulgación Alrededor del Mundo, dirigida por Manuel Alhama. Se trataba del número 266, de 7 de julio de 1904. Algunos de los sugerentes artículos que incluía eran: "Sucedidos curiosos de perros", "Ida y vuelta a América en una semana" (sobre los grandes trasatlánticos de vapor con turbinas), "Cómo se hace el cristal", "¿Ha sido y volverá a ser cometa la Tierra?", "La Piedra Filosofal y la Química", "Una hormiga que vale millones" (sobre cierta clase de hormiga roja que vive en Guatemala y que parece ser que extermina al gorgojo del algodón), "Cómo es el polen de las flores" y "Secretos de grandes inventos (cómo se pierden; cómo se roban)", entre otras curiosas noticias y comentarios.

Entre las curiosidades de las que se hacía eco este número de Alrededor del Mundo, a comienzos del crucial siglo XX, traemos aquí "La cafetera mágica (huevos hervidos en hielo)", que espero interese al amable lector. He aquí la noticia:

"LA CAFETERA MÁGICA.

Huevos hervidos en hielo

Pocos espectáculos tienen tanta importancia científica como el que está presentando en estos días al público neoyorkino, con el título de La Cafetera Mágica, el notable prestidigitador José Yarrik.

En el escenario no hay más que algunas elegantes mesillas, sobre las cuales se ve una porción de variadísimos objetos, y una gran cafetera, cuyo contenido hierve a pesar de hallarse, no sobre un fogón ni una estufa, sino encima de un bloque de hielo. Con estos accesorios, el prestidigitador hace una porción de cosas que no pueden menos de asombrar al público.

Empieza por echar parte del contenido de la cafetera en un sombrero, y en presencia de todo el mundo lava algunos pañuelos, que pide prestados a los espectadores, y que devuelve inmediatamente sin el menor rastro de humedad. Luego mete unas uvas en la cafetera, y las saca duras como cantos; echa un chorro del hirviente líquido sobre un trozo de hielo, y éste comienza a arder con brillante llama y, por fin, coloca un huevo sobre el hielo, echa encima el agua de la cafetera, y lo presenta pasado por agua al admirado público.

El secreto de tan maravillosos experimentos no consiste en otra cosa sino en que el agua de la cafetera no es tal agua, sino aire líquido, cuyas misteriosas propiedades hacen posibles todas aquellas aparentes maravillas".

El aire líquido se obtiene al someterse el aire, mezcla gaseosa, a altas presiones y muy bajas temperaturas. Si se quiere conservar a temperatura ambiente debe mantenerse en un vaso Dewar (un recipiente de vidrio o de metal, con cierre hermético, que aísla térmicamente su contenido del exterior gracias a sus paredes dobles metalizadas separadas por espacio vacío; invento del escocés James Dewar de finales del siglo XIX). El aire líquido hierve a unos -194 ºC, a la presión atmosférica normal (al ser una mezcla, el aire hierve en un rango de temperaturas, que podemos establecer entre –196 ºC, punto de ebullición del nitrógeno, y los –183 ºC, temperatura de ebullición del oxígeno). Puede observarse cómo se desprende del nitrógeno (o del aire) líquido una niebla cuando hierve. Esta niebla es en realidad vapor de agua del ambiente, que condensa en pequeñas gotitas cuando el nitrógeno (que es un gas incoloro) enfría el aire circundante. Por otro lado, cuando se echa nitrógeno líquido sobre un huevo, este parece cocerse. Aunque aparente ser un huevo duro ordinario no es así, pues no se ha producido una desnaturalización irreversible de las proteínas (albúminas) de la clara, sino que el huevo recupera su estado líquido cuando se calienta.

La licuefacción del aire fue un importante reto culminado por científicos polacos. Efectivamente, en la Universidad de Cracovia coincidieron en 1883 Zygmunt Wroblewski y Karol Olszewski, enfrascados en la tarea de licuar gases. Wroblewski venía de París y conocía bien los trabajos de Louis Cailletet (1832 – 1913), quien en 1877 había logrado obtener oxígeno líquido comprimiendo el gas hasta unas 300 atm de presión y enfriándolo con dióxido de azufre líquido (la temperatura de ebullición normal de este gas es de -10 ºC). Cailletet expandió bruscamente el gas y observó las gotitas de oxígeno licuado (había aplicado el “efecto Joule – Thomson”, descubierto por los grandes físicos británicos James Joule y William Thomson, Lord Kelvin, a mediados del siglo XIX, mediante el cual, aplicando sucesivos ciclos de expansión – compresión, se pueden  enfriar los gases cuanto sea necesario). Hay que decir que el físico suizo Raoul Pictet (1846 – 1929) también había logrado licuar el oxígeno por las mismas fechas, de forma independiente a Cailletet, utilizando un aparato similar al de Carl von Linde en el que empleaba como líquido refrigerante dióxido de azufre y dióxido de carbono de forma combinada, en vez de amoníaco. Por su parte, los polacos Wroblewski y Olszewski emplearon un método estático consistente en una botella de oxígeno a elevada presión conectada a un tubo de ensayo inmerso en etileno (eteno) licuado a baja presión (consiguiendo así rebajar su temperatura de ebullición hasta -130 ºC) como refrigerante. Así, en aquel año de 1883, consiguieron estos científicos de la Universidad de Cracovia obtener primero oxígeno líquido y posteriormente aire líquido. Finalmente, empleando el método físico de destilación, separaron el oxígeno del nitrógeno de la mezcla (el aire). Es esta una época en la que eclosiona la ciencia y tecnología de las bajas temperaturas, la criogenia.

[Zygmunt Wroblewski, 1845 - 1888, físico polaco]

[Karol Olszewski, 1846 - 1915, pionero de la criogenia]

Este interés por alcanzar temperaturas muy bajas y licuar los gases continuó en los siguientes años. Lo que no se imaginaba el mago Yarrik en los albores del siglo XX era que un centenar de años después el nitrógeno líquido sería profusamente utilizado en crioterapia dermatológica o, más sorprendente aún, formaría parte de una auténtica revolución gastronómica.