BERNARDO YÁÑEZ SOTO
Catedrático e investigador del Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP).

Producto de un esfuerzo interdisciplinario y multi-institucional, en 2017 se creó el Laboratorio Nacional de Ingeniería de la Materia Fuera de Equilibrio (LANIMFE), ahora camino a convertirse en un laboratorio de renombre internacional. El objetivo de este laboratorio es entender, controlar y mejorar los procesos de transformación de la materia que se encuentran fuera de equilibrio termodinámico.

Uno de los conceptos más básicos de la física es el de los estados de agregación de la materia. Desde la educación básica sabemos que existen tres: sólido, líquido y gaseoso. También tenemos noción de que éstos dependen de cantidades como la temperatura o la presión. Determinar el estado de la materia como función de dichas condiciones es una ventaja tecnológica que nos permite desde forjar metales hasta preparar y conservar alimentos.

La rama de la física que estudia los estados de agregación es llamada termodinámica. A pesar de todo lo que sabemos, la termodinámica esconde una de las fronteras actuales de la física. Las leyes de la termodinámica pueden describir los materiales que se encuentran en equilibrio; estos estados se distinguen por no sufrir cambios con el tiempo, es decir, son estacionarios. Sin embargo, la gran mayoría de los materiales con los que convivimos cambian con el tiempo (envejecen). Es común que a estos materiales que envejecen se les considere fuera de equilibrio termodinámico.

Pensemos en una solución de azúcar que podemos calentar lentamente para evaporarla. Microscópicamente, las moléculas de azúcar tienden a arreglarse en cristales, lo cual es el estado de equilibrio termodinámico (o de menor energía) del azúcar. El resultado de este proceso es azúcar cristalizada, como la que usamos para el café. Pero, si evaporáramos la solución rápidamente, las moléculas no tendrían el tiempo necesario para arreglarse y se quedarían desordenadas en un “estado de arresto”, como lo llaman los físicos. El azúcar, en este caso, termina en convirtiéndose en caramelo, que es un estado fuera de equilibrio. En la vida diaria nos encontramos con infinidad de materiales fuera de equilibrio termodinámico (vidrios, geles, espumas, plásticos, alimentos, emulsiones, etcétera). 

Desafortunadamente, y a pesar de lo común de los materiales fuera de equilibrio, la termodinámica no cuenta con los principios fundamentales para entenderlos. Por lo tanto, la humanidad está completamente imposibilitada para comprender los materiales que envejecen. La termodinámica de sistemas fuera de equilibrio es, entonces, una de las fronteras actuales de la ciencia. Superar dicha frontera requiere la formulación de principios fundamentales que expliquen el comportamiento de materiales en y fuera de equilibrio. Por supuesto, una frontera científica también implica una frontera tecnológica y este caso no es la excepción. Entonces, entender la materia fuera de equilibrio significa obtener el liderazgo científico mundial y una oportunidad para la soberanía tecnológica del país.

Recientemente, investigadores liderados por el doctor Magdaleno Medina Noyola, de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), crearon una teoría matemática única en el mundo, que puede modelar estos estados fuera de equilibrio: la Teoría Autoconsistente de la Ecuación Generalizada de Langevin para sistemas fuera de equilibrio (NE-SCGLE por sus siglas en inglés), y que ha permitido modelar matemáticamente el comportamiento  de dichos materiales como los sólidos amorfos, entre otros.

Ante la necesidad de impulsar las repercusiones innovadoras de dicha teoría, se exploraron las opciones que permitirían construir la infraestructura necesaria y llevar a cabo la capacitación de los recursos humanos indispensables para investigar la materia fuera de equilibrio. Así surgió LANIMFE, posibilitando además la oferta de servicios relacionados con la materia fuera de equilibrio a institutos y sectores industriales o gubernamentales por medio de la vinculación científica interinstitucional.

Las tres grandes iniciativas bajo las cuales se investiga en LANIMFE son:

1
Ingeniería del estado final, que investiga el diseño de procesos que estructuren el estado fuera de equilibrio deseado para trabajos, usos o sectores específicos. Esto se hace por medio de dos proyectos: uno que desarrolla software de modelación predictiva y otro que modela los procesos de envejecimiento de dicha materia, estudiando su comportamiento a través del tiempo.

2
Estudio de problemas fundamentales de la materia fuera de equilibrio, que busca continuar el estudio de las propiedades termodinámicas de la materia en este estado; el transporte de la llamada materia activa, aquella que se mueve por sí sola (por ejemplo las bacterias); así como la investigación de las ecuaciones de transporte que incorporan la noción de tiempo (el caso del envejecimiento) dentro de los modelos matemáticos que describen los procesos de transición a estados fuera de equilibrio.

3
Ingeniería de la materia biológica, un caso especial de la materia fuera de equilibrio. La vida consiste en una serie de reacciones, transporte de material, consumo de energía, que son parte del campo de estudio de LANIMFE. Estas investigaciones abarcan, entre otras, la conservación de materiales biológicos (vacunas, tejidos, células o alimentos), o tratamientos de mucosas húmedas, para mantenimiento de órganos y prevención de infecciones.

La sede de LANIMFE se encuentra en el Instituto de Física de la UASLP, pero cuenta con otras cuatro instituciones asociadas: el Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (Cidesi-Querétaro), la Universidad de Guanajuato (UG), la Universidad de Sonora (Unison) y la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP). El grupo de trabajo de LANIMFE es altamente interdisciplinario, con investigadores en física estadística, biología celular, ingeniería química e ingeniería en computación, entre otros.