Bartomeu Monserrat, profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de la Universidad de Cambridge, llamó la atención de la prensa antes incluso de entrar en Física, al terminar la selectividad en su Mallorca natal con una media de 9,88. Quince años después, recibe de manos de la Real Sociedad Española de Física (RSEF) y la Fundación BBVA el Premio al Joven Investigador en Física Teórica 2022 por contribuir a crear nuevos materiales más eficientes contra la crisis energética, climática y sanitaria desde la mecánica cuántica. Lo hace en una semana marcada por un histórico avance en la generación de energía por fusión nuclear.
Aunque la fusión nuclear no es su línea de investigación, sí lo son los materiales que nos permitirán aprovechar esa energía.
Trabajamos muchos aspectos del problema energético. La fusión nuclear se refiere a una parte, que es la generación de la energía, pero hay que resolver a continuación qué hacer con ella, cómo transportarla, cómo almacenarla… Los materiales son fundamentales para todo ello, de los chips de los ordenadores que pierden energía al calentarse a las baterías de los coches eléctricos que aún tienen rango limitado.
¿La ventaja de los nuevos materiales es su capacidad para activar diferentes propiedades en función de su diseño y tratamiento?
Efectivamente. Un ejemplo: las placas solares actuales se basan generalmente en el silicio, un material conocido que llevamos 50 años optimizando. Pero tienen un límite fundamental de eficiencia del 30%, pierden como mínimo un 70% de la energía del sol que reciben. Nosotros probamos materiales orgánicos que usan un efecto cuántico, la fisión de singletes, que duplica la eficiencia de la placa. Una placa de silicio genera un electrón por cada fotón de energía solar, pero con este mecanismo se generan dos.
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¿A qué nos referimos cuando hablamos de mecanismos y efectos cuánticos, explicado de la forma más sencilla posible?
La mecánica clásica es la que marca las reglas cuando chutas un balón, conduces un coche o lanzas un satélite. Pero cuando vamos a los componentes microscópicos de la materia -electrones, iones, átomos, moléculas-, las reglas del juego cambian. Vistas desde nuestro mundo, son reglas muy poco intuitivas, pasan cosas muy extrañas. Por ejemplo, el tunneling, electrones que cruzan paredes y se usan en los microscopios atómicos. O el spin, que es lo que ocurre después de que la fisión de singletes haya separado el fotón en un electrón y un agujero: hay un cambio de configuración por el que acaban convertidos en dos electrones, algo imposible en la mecánica clásica.
¿Su trabajo entonces es el de realizar los algoritmos que permiten anticipar los resultados de estas operaciones tan impredecibles?
Sí. Conocemos las reglas de la mecánica cuántica desde hace casi 100 años, con los trabajos de Einstein, Heisenberg o Dirac en la década de 1920, pero es increíblemente difícil resolver sus ecuaciones. Lo hemos conseguido para el átomo de hidrógeno, que tiene solo un protón y un electrón, pero no para el helio, con dos electrones. Los ordenadores dan respuestas numéricas aproximadas, pero con moléculas complejas como el agua -H2O- o el dióxido de carbono -CO2-, o materiales como el diamante con millones de átomos y electrones, se vuelve imposible. Nuestros algoritmos resuelven aspectos de estas ecuaciones. Los ordenadores más potentes del mundo tardarían años en resolverlas, pero con nuestros avances lo hemos reducido a días, y podemos ensayar cómo colocar los átomos en los materiales para mejorar su eficiencia.
¿Cómo son estos materiales topológicos que ensaya su laboratorio?
Retomando el ejemplo del chip, la mitad de la energía que recibe se pierde y se transforma en calor, porque los electrones se mueven contra el medio y gastan energía en vencer esa resistencia. Los materiales topológicos tienen una propiedad muy exótica: los electrones se mueven sin resistencia, y no malgastan energía. Un chip así construido sería 100% eficiente. Hacerlo en laboratorio es caro, lento y a menudo es prueba y ensayo. La ventaja de hacerlo con las ecuaciones de la mecánica cuántica es que es mucho más rápido, puedes probar muchos materiales a la vez, sale más barato, e identifica los más prometedores para pasárselos a nuestros colegas experimentales. Lo llamamos «el laboratorio virtual».
¿Tendremos a nuestra disposición estas tecnologías a tiempo como para que nos ayuden a paliar la crisis energética y climática?
Es una pregunta muy, muy relevante. Históricamente, el plazo entre la identificación de un nuevo material y su uso práctico han sido de entre 20 y 30 años. Con métodos computacionales como el laboratorio virtual, lo estamos mejorando. En 2010 se descubrió una nueva familia de materiales, las perovskitas híbridas. En 10-12 años, ya hay empresas que las usan para crear placas solares más eficientes que las de silicio. Por otro lado, se enfatiza mucho la investigación aplicada, entendiendo que si hay fondos públicos, tiene que haber un beneficio social inmediato. Pero la ciencia necesita tiempo y espacio. Esto se empieza a reconocer, con la Blue Sky Research de Reino Unido o las becas del Consejo Europeo de Investigación (ERC): investigaciones fundacionales y básicas, valiosas aunque puedan no tener aplicaciones prácticas.
Bartomeu Monserrat, profesor de Cambridge y Premio Investigador Joven en Física Teórica.
Fundación BBVA
¿Puede ayudarnos la mecánica cuántica a cumplir los objetivos del Acuerdo de París de limitar el calentamiento global a 1,5 grados?
Los materiales son esenciales para la humanidad. Basta pensar en cómo nombramos las épocas: la edad de piedra, de bronce o de hierro, implica cambios tecnológicos radicales. Los últimos 50 años han podido ser la edad del silicio, fundamental de los chips a las placas solares. Ahora llegan los nuevos materiales, creados átomo a átomo, que nos permiten crear tecnologías de cualquier tipo, incluidas las que nos permitirán luchar contra el cambio climático y contrarrestar lo que ya hemos hecho. Por ejemplo, capturando el CO2 que ya está en la atmósfera, con materiales muy porosos capaces de absorberlo.
¿Necesitamos un equilibrio entre la ciencia básica y la aplicada?
Sí, ambas son igual de importantes. Por ejemplo la Teoría de la Relatividad de Einstein habla de conceptos abstractos como la curvatura del espacio-tiempo, pero los GPS requieren entenderla para ser precisos. Del mismo modo, la mecánica cuántica se usa en infinidad de campos, no solo en la energía, sino también en la medicina. Los superconductores generan grandes campos magnéticos en las máquinas de resonancia de los hospitales. Nosotros hemos desarrollado el material más sensible para evitar los rayos X, para minimizar la exposición de los pacientes durante las radiografías. Mucha gente que investiga en física de partículas el CERN acaba trabajando en hospitales, porque entender el cáncer implica procesar una enorme cantidad de datos.
Usted cuenta que, como estudiante, le gustaban las matemáticas y la astronomía, por lo que la física fue su elección natural.
Así es, desde pequeño me han gustado las matemáticas. Desde mi punto de vista son preciosas, y son el lenguaje de la ciencia. También la astronomía, mirar al cielo y tratar de entender magnitudes que escapan a nuestra concepción. La unión de ambas cosas es la física. Y he visto lo mismo en muchos estudiantes. La mecánica cuántica es importante para la astrofísica: estamos estudiando por ejemplo las propiedades de la materia en el centro de Júpiter, con presiones y temperaturas tan altas que es casi imposible experimentar. La única solución es modelarlo. El helio es el paradigma del gas noble, no interactúa con nada en la Tierra. Pero hemos descubierto que, sujeto a las presiones del centro de un planeta gigante, sus características cambian y forma elementos químicos en las rocas que no se encuentran en nuestro mundo.
¿Le ha ofrecido Reino Unido más oportunidades que España para investigar?
En España hay muchísimo talento, un montón de grupos punteros que lideran a nivel internacional en su campo. Lo que necesita un joven investigador para hacer ciencia es estabilidad, y fondos para el personal y el equipamiento. Reino Unido tiene iniciativas en ese sentido. Yo pude crear mi equipo desde 2018 y desde entonces no me he vuelto a preocupar, sabiendo que podemos trabajar a diez años vista. Esto es lo que le falta a España, mis colegas siempre destacan la incertidumbre. No se puede hacer ciencia con plazos de dos años, no entiende de deadlines. Luego, si me preguntas por el bréxit, ha sido absolutamente negativo para la ciencia. En Cambridge se votó un 90% en contra. La investigación no entiende de fronteras, y estas limitaciones arbitrarias no ayudan.