La gran ciencia surge de la curiosidad y el trabajo duro. En este caso, todo comenzó con un congelador roto.

Atsuko Kobayashi (MS '91) y el profesor de Caltech Joseph Kirschvink (BS, MS '75), un equipo de investigadores formado por marido y mujer que divide su tiempo entre Japón y Estados Unidos, regresó a su casa y descubrió que su congelador había muerto en algún momento durante su ausencia.

Mientras compra uno nuevo, Kobayashi vio un anuncio de un tipo especial de congelador que usa campos magnéticos para mantener los alimentos más frescos al "sobreenfriarlos". Ella no lo compró pero quería saber por qué el sobreenfriamiento podría mejorar los alimentos congelados y cómo los campos magnéticos podrían provocar el sobreenfriamiento.

Cuando se enfría por debajo de 0 grados Celsius, Las moléculas de agua comienzan a formar cristales de hielo dondequiera que haya minerales u otros sólidos suspendidos en el agua, lo que se conoce como sitios de nucleación. Agua completamente pura, carecen de sitios de nucleación, se puede enfriar muy por debajo del punto de congelación habitual y, sin embargo, permanecer líquido, un proceso llamado sobreenfriamiento.

El sobreenfriamiento tiene ventajas comerciales. En efecto, sin conocer necesariamente los mecanismos detrás de por qué funcionan, Los pescadores japoneses han estado utilizando congeladores controlados magnéticamente para transportar pescado a largas distancias hasta el mercado. El tratamiento pretende reducir el daño celular en la carne de los peces, manteniendo intactos el sabor y la textura. El pescado a menudo se vende en el competitivo mercado de pescado a precios comparables a los de la variedad recién capturada.

"Cuando subenfría el agua antes de congelarla, el hielo resultante no se expande tanto en volumen como el hielo normal porque adquiere una estructura cristalina diferente. Si está congelando tejidos, que tienen agua en ellos, menos expansión significa menos daño a las células, "Dice Kobayashi. El proceso también ofrece ventajas científicas. Como microscopista electrónico, Kobayashi a menudo tiene que congelar tejidos biológicos antes de generar imágenes de ellos. Uno de sus principales objetivos ha sido encontrar formas de congelar el tejido biológico mientras se minimiza el daño causado por la formación de cristales de hielo.

"La pregunta era, ¿Por qué los campos magnéticos tendrían algún efecto sobre si el agua no purificada, como el agua en las celdas, ¿Se podría sobreenfriar? ", pregunta Kobayashi. quien es un científico investigador senior en el Earth-Life Science Institute en el Instituto de Tecnología de Tokio y visitante en geología y biología en Caltech.

Mientras investiga minerales capaces de nuclear hielo, ella se dio cuenta:la respuesta podría estar en magnetita, un compuesto natural de hierro y oxígeno que es magnético.

El equipo de investigación de Kobayashi y Kirschvink ha estudiado durante mucho tiempo la magnetita. Kobayashi fue el primero en tener éxito en extraer y obtener imágenes de nanocristales de magnetita biológica en el cerebro humano. y Kirschvink, el profesor Nico y Marilyn Van Wingen de geobiología en Caltech, ha pasado los últimos 30 años explorando qué papel podría desempeñar la magnetita biológica en la magnetorrecepción:la capacidad de las criaturas vivientes para detectar campos magnéticos

Su trabajo se basa en la investigación de Heinz Lowenstam, un paleoecólogo que se unió a Caltech en 1952. Aunque era bien sabido que los animales podían generar minerales duros en dientes y huesos, Lowenstam hizo el descubrimiento en 1962 de que los dientes de los quitones (un tipo de molusco marino) estaban cubiertos con magnetita. La magnetita es el mineral más duro que puede producir cualquier animal, y más tarde se descubrió como un precipitado biológico en criaturas como bacterias, abejas, aves, y mamíferos, incluidos los humanos.

Kobayashi ha demostrado que pequeñas cantidades de partículas de magnetita agregadas al agua tienen un efecto enorme en su temperatura de congelación. Un artículo anterior del equipo de investigación de Kobayashi / Kirschvink mostró que unas pocas partes por mil millones de magnetita agregadas al agua ultrapura (agua que carece de otros sitios de nucleación) evitaban el sobreenfriamiento casi por completo. Cavar más profundo, encontraron que el hielo cristaliza fácilmente en la superficie de las partículas de magnetita a temperaturas justo por debajo de los 0 grados Celsius.

Razonando que cualquier pequeña interrupción en la superficie de la magnetita debería interrumpir este proceso y evitar la congelación, Luego diseñaron una serie de experimentos usando campos magnéticos rotativos aproximadamente 20 veces más fuertes que el campo magnético de la tierra, lo suficientemente fuerte como para mover las moléculas de magnetita. Manteniendo las moléculas de magnetita en constante movimiento, impidieron que se formara hielo en su superficie y pudieron sobreenfriar el agua impregnada de magnetita casi tan bien como el agua ultrapura. Esto incluso funcionó en dos tipos representativos de tejido:apio (para verduras) y músculo de vaca (para carnes). Sacudiendo las moléculas de magnetita en las células de los tejidos vegetales y animales, pudieron sobreenfriarlos y finalmente congelarlos con menos daño a los tejidos.

"El hallazgo valida a los pescadores japoneses que han estado usando esta tecnología durante años y confirma a la magnetita como la causa subyacente de por qué se forma hielo dañino en los tejidos". ", dice Kobayashi. También sugiere una forma de ayudar a abordar el hambre en el mundo, ella dice. Estimaciones recientes del Consejo de Defensa de los Recursos Nacionales indican que el 40 por ciento del suministro de alimentos humanos se pierde entre la granja y la mesa del comedor. y que los daños causados ​​por las heladas y el congelador son responsables de una parte de esta pérdida. "Si ese daño pudiera mitigarse mediante la aplicación controlada de campos magnéticos, más comida podría llegar a las mesas de todo el mundo, reduciendo el combustible, fertilizante, y el agua necesaria para la agricultura moderna, "Dice Kobayashi." Comprender la razón por la que se forma hielo dañino en los tejidos cuando se congelan también podría conducir a técnicas mejoradas para el almacenamiento criogénico de huevos vivos, esperma, embriones, y quizás hasta animales pequeños ".

Para Kirschvink, este hallazgo es solo el comienzo. La magnetita puede ser una de las causas principales de la nucleación del hielo en la naturaleza, él dice. "Los científicos del clima han estado tratando de precisar la fuente de la nucleación del hielo durante décadas para que podamos mejorar los modelos de circulación atmosférica, siembra de nubes.

El estudio, titulado "Control magnético de la nucleación heterogénea del hielo con magnetita en nanofase:implicaciones biofísicas y agrícolas, "aparece en línea antes de su publicación en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias el 7 de mayo.