¡Los hexágonos están en todas partes!. Tanto si buscamos a nivel atómico, en células vivas, dispositivos artificiales o colonias de abejas, podremos encontrar un tipo característico de orden hexagonal. Lo llamamos empaquetamiento compacto y es de hecho el más efectivo para meter el mayor número de objetos en el mínimo espacio. Veamos algunos ejemplos.
Cada una de las celdas hexagonales en la figura de arriba, es un ejemplo de orden hexagonal.
Algunos son sistemas naturales, otros artificiales. Sigue leyendo y encontrarás numerosas sorpresas, así como similitudes y diferencias muy interesantes. Empezaremos con el superconocido panal de abejas (1) y seguiremos los números.
Algunos son sistemas naturales, otros artificiales. Sigue leyendo y encontrarás numerosas sorpresas, así como similitudes y diferencias muy interesantes. Empezaremos con el superconocido panal de abejas (1) y seguiremos los números.
1. ¿ Te has preguntado alguna vez por qué las abejas construyen sus panales con la característica forma hexagonal?.
Como sabes, cada celda acogerá una larva. El empaquetamiento hexagonal de celdas es la forma más efectiva de agrupar tantas celdas como sea posible en un espacio limitado, dejando el mínimo espacio vacío. Por cierto, ¿sabías que las abejas fabrican cada celda con forma cilíndrica, como un tubo?. El hecho de que las celdas se vuelvan hexagonales se debe a la compresión de cada una contra sus seis vecinas más cercanas. ¡Realmente es un mundo empaquetado el de las abejas!.
Algo similar ocurre cuando se amontonan burbujas de jabón. Una burbuja aislada es perfectamente esférica, pero el aspecto que tienen cuando se pegan unas a otras las hace tomar esa forma.
2. Los humanos también hemos llegado a darnos cuenta cómo amontonar de forma eficiente discos cilindros o esferas. Los círculos de la imagen son obleas de Silicio (discos muy finos) dispuestas en un panel fotovoltáico para aprovechar al máximo la energía solar. De nuevo nos aparece el empaquetamiento hexagonal compacto.
3. Podemos apilar discos en dos dimensiones pero también esferas en tres dimensiones. El montón de naranjas de la figura es un jugoso ejemplo. Cada capa de naranjas forma un empaquetamiento compacto como el de los discos de silicio de arriba. Al apilar una nueva capa ponemos naranjas en el hueco que forman tres naranjas de la capa inferior y de esta manera... acabamos teniendo un empaquetamiento compacto hexagonal también a lo largo de la dirección vertical. Prueba en casa. Si no tienes naranjas unas cuantas balas de cañón también pueden servir : ) ¿Podrías decir cuantas naranjas estarían en contacto con una naranja del interior del montón?
4. Hasta ahora hemos visto ejemplos de orden hexagonal en grupos de objetos macroscópicos. Pero el mundo microscópico también está lleno de ejemplos interesantes. La imagen que sigue es una microfotografía de un cable superconductor. El cable está formado por varias fibras que a su vez contienen filamentos más finos (los puntos pequeños). La escala indica 50 micras (1 micra es una milésima (1/1000) de milímetro), o sea que un cable de 0.5mm de grueso abarcaría prácticamente una pantalla completa(de 14 pulgadas). Las fibras hexagonales, con radios de aproximadamente 50 micras se empaquetan de forma muy similar a las celdas del panal de abejas. Al igual que en el caso del panal cada una de esas fibras era un largo hilo cilíndrico en un principio. Pero durante el proceso de fabricación del cable, en el que se le fuerza a pasar por una serie de "embudos" que reducen su diámetro y lo estiran, las fibras se comprimen unas contra otras dando lugar al famoso orden hexagonal. Pero además, si miramos con detalle dentro de cada fibra, veremos filamentos todavía más delgados, hechos de niobio que de forma ESPONTÁNEA también se han ordenado formando un empaquetamiento compacto hexagonal !. Esa geometría es la que permite empaquetar un número dado de filamentos en el mínimo espacio. Si cogemos un montón de pajitas de refrescos (como en la foto 4a), o lápices o palillos y los apretamos firmemente con la mano o con una goma elástica eso es precisamente lo que se forma: un empaquetamiento compacto hexagonal.
5. Todos los ejemplos anteriores eran de sistemas artificiales; hechos por el hombre (o por las abejas). Podría parecer que estas estructuras son un signo de inteligencia (se podría decir quizá que las abejas son también bastante "inteligentes", ya que son capaces incluso de orientarse y comunicarse instrucciones de navegación!). Pero pronto veremos ejemplos sorprendentes de empaquetamiento hexagonal en lugares insospechados que nos forzarán a rechazar esa atractiva y autoindulgente hipótesis. Esta imagen representa una sección de una parte sensible de la retina llamada la fóvea. La retina tiene una pequeña mancha de color amarillo, llamada mácula lútea; en su centro se encuentra la fóvea central, la zona del ojo con mayor agudeza visual. La capa sensorial de la fóvea se compone sólo de células con forma de conos, mientras que en torno a ella también se encuentran células con forma de bastones. La fóvea es una región de la retina muy pequeña (de menos de un milímetro cuadrado) y a la vez muy especializada. En ella la resolución de la imagen es máxima. Consiste de elementos celulares fotoreceptores muy finos (3 micras), los conos (de forma alargada pero que en esta imagen se ven como puntos negros). El mosaico de conos foveales es muy condensado (200.000 conos por milímetro cuadrado en una persona adulta) lo cual da lugar a una máxima resolución espacial, de contraste y de color. Y ¿cómo se encuentran estas células?. Pues efectivamente, la máxima resolución se deriva del hecho de que estas células cubren el espacio de forma óptima adoptando un empaquetamiento compacto hexagonal. En este caso nos encontramos nuestra ya conocida estructura hexagonal pero a nivel celular, formando tejidos complejos autoorganizados.
Para terminar esta sección, un bonito ejemplo de sistemas naturales y artificiales con características comunes: Los paneles usados en dispositivos artificiales de visión nocturna también se fabrican con un empaquetamiento compacto hexagonal de microdetectores.
6. Si la autoorganización de células te parece sorprendente no te pierdas el siguiente caso. Después de todo las células pueden quizá ordenarse siguiendo las instrucciones preestablecidas y codificadas en el ADN, ¿no?. No parece gran cosa ¿cierto?. Pero ¿y si te dijera que ciertas reacciones químicas, mantenidas lejos de su equilibrio termodinámico, pueden dar lugar a sistemas heterogéneos con empaquetamiento hexagonal?. En principio eso sería tan sorprendente como echar tinta en un vaso de agua y llegar a obtener un líquido moteado!. Y sin embargo, algo muy parecido es lo que sucede en el caso de la figura de la izquierda. La reacción entre los iones clorito y yoduro en presencia de ácido malónico (reacción CIMA, para abreviar) es reversible, es decir puede tener lugar en una dirección o en la contraria. Cuando esta reacción se deja evolucionar lejos del equilibrio, por ejemplo en un reactor alimentado en continuo, y gracias a procesos espontáneos de difusión molecular, dicha reacción da lugar a zonas ricas en yoduro (de color azul en la figura) y zonas pobres en yoduro (de color amarillo) que se ORDENAN ESPONTÁNEAMENTE formando nuestro familiar empaquetamiento compacto hexagonal. Y estas curiosas reacciones químicas nos guardan también otras sorpresas. Por ejemplo, aunque la estructura hexagonal es la más estable de las dos, pequeñas variaciones en la concentración inicial de reactivos en la misma reacción CIMA , en el mismo reactor puede dar lugar a estructuras radicalmente diferentes, como la estructura rayada de la derecha. Es un bonito ejemplo del "efecto mariposa" característico de sistemas caóticos, en este caso en reacciones químicas.
7. Y ahora nos introduciremos... en el mundo de los átomos. Pues sí, porque ahí también encontraremos empaquetamiento compacto hexagonal. De hecho es un ejemplo clásico. Si consideramos los átomos como simples esferas no nos sorprenderá que cuando se aglomeren (por ejemplo en muchos metales a temperatura ambiente o en ciertos gases a temperaturas muy bajas) lo hagan como se indica en la figura. No sólo los átomos neutros se empaquetan de esta forma. Los iones (átomos con carga eléctrica) también lo hacen, siempre y cuando sus cargas queden neutralizadas de forma efectiva por otros iones de carga opuesta y tamaño adecuado para situarse en algunos de los huecos intersticiales de la estructura (en las cavidades de forma triangular que quedan entre esferas). Y ¿cómo sabemos que los átomos se ordenan así?. Los átomos son tan pequeños que no se pueden ver con microscopios (aunque últimamente los Microscopios Electrónicos de Alta Resolución se están acercando bastante). Pero los científicos han desarrollado métodos para "ver" cómo se ordenan los átomos y las moléculas en un cristal iluminándolos con rayos-X y midiendo los rayos reflejados por el cristal en diferentes direcciones del espacio. Esta técnica, conocida como cristalografía de rayos-X, equivale a lo que podríamos llamar "visión de rayos-X" y nos permite averiguar que, efectivamente, en muchos elementos, los átomos se ordenan tal y como se indica en la figura, pero en las tres direcciones del espacio. Es decir, de forma similar al montón ordenado de naranjas del ejemplo de la sección 3.
8. Después de todos estos ejemplos podría parecer que el empaquetamiento hexagonal está en todas partes ( o casi ). Pero no es así; para que se produzca necesitamos compactar grupos de objetos homogéneos similares entre sí, bien sean átomos, células o naranjas. No encontraremos esta simetría en estrellas o galaxias, que se encuentran tan alejadas unas de otras. Pero ciertamente en nuestro densamente poblado mundo podremos encontrar esta forma recurrente en muchos lugares diferentes y en diversas escalas. Y como el nuestro es un mundo complejo, las cosas no siempre serán tan bien definidas como en los ejemplos que hemos visto anteriormente. Encontraremos excepciones, complicaciones y variabilidad, que son tan características de nuestra Naturaleza. He aquí algunos ejemplos:
Por ejemplo, los cristales de hielo en copos de nieve siempre son hexagonales y esta simetría se puede relacionar con la estructura atómica y molecular (Véase la historia acerca de Cristales de hielo en copos de nieve. Pero esta simetría es el resultado de la geometría impuesta por los enlaces químicos en la red de hielo. Son los átomos que forman el cristal y sus "preferencias" de enlace los que determinan el orden hexagonal en este caso. Algo parecido ocurre en el caso del grafito, una forma de carbono que se usa en forma de polvo en las minas de los lápices. El grafito tiene simetría hexagonal que se deriva de la forma característica en que cada átomo de carbono comparte electrones mediante enlaces químicos con tres vecinos cercanos
A veces podremos encontrar empaquetamientos compactos que no dan lugar a simetría hexagonal perfecta. Y ello se debe a que los sistemas reales a menudo no son tan ideales como las bolas en una mesa de billar. Para conseguir empaquetamiento hexagonal necesitamos objetos isotrópicos, todos del mismo tamaño. Si se da variabilidad de tamaños pasan cosas curiosas. Como por ejemplo en el baño de espuma de la figura. Ahí nos encontramos con burbujas de tamaño medio rodeadas por otras seis del mismo tamaño. Pero también podemos ver una burbuja más pequeña rodeada de cinco vecinas más grandes. Una burbuja de tamaño superior a sus vecinas se vería rodeada evidentemente por un número mayor de ellas. Otras cosas constituyen ejemplos de sistemas naturales y artificiales con estructuras complejas, similares a las de la espuma: la espuma de poliestireno expandido (styropor, el plástico blanco y ligerísimo que se usa para embalar). Este material se fabrica empapando bolas de poliestireno con un disolvente de bajo punto de ebullición (pentano por ej.) y calentándolas después rápidamente para provocar la evaporación repentina del disolvente y la expansión de las esferas de polímero unas contra otras, disminuyendo su densidad. Si todas las esferas expandidas fuesen del mismo tamaño entonces cabría esperar un empaquetamiento perfecto. Puesto que en realidad se da una cierta dispersión de tamaños nos encontramos con una situación muy similar a la de la espuma de jabón. Al fin y al cabo ambos sistemas son espumas ¿no?.
Finalmente podemos imaginar la estructura interna de un corcho. De nuevo un material ligero, poco denso, con estructura de espuma, pero en este caso natural. El corcho es tan ligero porque está lleno de aire. Su estructura está formada por largos canales vacíos que se extienden en la dirección perpendicular a la imagen. De nuevo vemos que estos canales están densamente empaquetados pero sus tamaños variables e irregularidades dan lugar a un orden muy imperfecto, como los altavoces de tu pc, también podríamos tomarlo.
¿Se te ocurre algún otro ejemplo de rejilla con estas características ?
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