It is not difficult to guess what motivated the choice of this topic; it is the first edition of the Carnival in 2012, year in which, according to a worldwide spread rumor, the End of the World will happen.
The rumor is based on a particular interpretation of the mayan calendar. It is related to the completion of a cycle in the mayan calendar during 2012. This completion has aroused in some people the question of whether the end of this cycle is related to an apocalyptic End of the World. However, as the Anthropology and History National Institute of Mexico emphasizes in its webpage, the mayan calendar does not make reference to an apocalypsis, it simply refers to the completion of a cycle and to the beginning of a new one, just as it happens with the usual gregorian calendar, in which December 31st marks the end of a cycle and January 1st marks the start of a new one. Currently, as the maya people did at the time, the transitions from one cycle to other one is accompanied by rituals, wishes, purposes, etc...none of them related to the extinction of mankind.
Thus, the mayan calendar is very far from making an explicit prediction of the End of the World for this 2012. However, the causes that started the end of the Ancient Mayan World are still an enigma. It is not clearly understood how the maya civilization declined, even if its legacies reveal a civilization with profound knowledges in mathematics, astronomy and even nanotechnology.
Much of the legacy of the ancient Maya civilization has been preserved in good conditions for about 1500 years. Among its legacy, some paintings have a peculiar blue color, this color is known as Maya Blue. The color of these paintings has remained strong over time, even though they have always been directly exposed to a jungle environment that does not help its preservation. The reason of the paintings conservation lies in the type of material that maya people used to give blue color to their paintings. That material is an organic-inorganic hybrid nanocomposite. It means that it is a nanometer-sized material whose composition is homogeneously formed by both organic and inorganic matter. The Maya Blue organic matter is indigo, an organic bluish dye, which is extracted from the Indigofera suffruticosa plant. Indigo molecules provide a "bluish" color to the Maya Blue, but it would not lasted through the years if it was not properly immersed in an inorganic medium to protect it from the external environment [P. Gómez-Romero, C. Sanchez. NEW J. CHEM. 29, 57 (2005) DOI: 10.1039/B416075B].
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| Painting in Bonampak maya city |
Paligorskite, a kind of clay, is the inorganic matter of the Maya Blue. In the Maya Blue, the paligorskite supports and protects indigo molecules, but it also supports metal and metal oxides nanoparticles (made mainly of Fe, Mn and Cr), which, in combination with the indigo, give place to the very unique blue color of the Maya Blue [M. José-Yacamán, L. Rendón, J. Arenas, M. C. Serra Puche. SCIENCE 273, 223 (1996) DOI: 10.1126/science.273.5272.223].
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| Molecular self-assembly IBM simulation |
The materials presenting nanoscale organization make evident physical phenomena which under different conditions would be difficult to observe, because there are different dominant physical processes for different scales of organization in the materials. Thus, at the nanoscale, the quantum phenomena, the surface phenomena and the electromagnetic phenomena govern the physics of the system. In the Maya Blue case, the system consists of a material with homogeneously distributed organic and inorganic matter, which is extremely stable and which has a very unique color.
To obtain a material such as Maya Blue is needed a bottom-up strategy of fabrication, i.e., a fabrication that uses the nanoscale self-assembly of the molecular constituents of a material. In general, during the synthesis of any material, its constituent molecules acquire the most energetically favorable geometric configuration, and under certain well defined preparation conditions (atmosphere, temperature and pressure, among others), nanostructures are formed in the material, arranged in a geometric distribution of nanometric dimensions too, in such a way to reduce the energy of the system. The use of molecular self-assembly to synthesize nanomaterials is an active area of research and it is a method commonly used for the manufacture of nanomaterials.
Interestingly, the first nanomaterials made by molecular self-assembly led to the conception of a scenario for an apocalyptic End of the World. This End-of-the-World conception is not directly related to the maya people, although it is related to any nanotechnologically advanced civilization. It is now widely accepted that such apocalypse is highly unlikely, but at the time it was the subject of intense debate. This apocalyptic vision is based on the exponential growth of assemblers and on the gray goo ideas conceived by the scientist Eric Drexler in his book Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (Anchor Books, 1986).
The exponential growth of assemblers idea suggests that a material formed by self-assembled molecules will be a material that self-assembles itself to form another material, which in turn will self-assemble itself to form another material, repeating the self-assembly process again and again. Eric Drexler described something like: a first self-assembled material will self-assemble one copy of itself in one thousand seconds, then both self-assembled materials will self-assemble copies of themselves in another thousand seconds, and in turn the four resulting self-assembled materials will self-assemble another four materials, and the eight resulting materials will self-assemble another eight materials and so on, thus after ten hours of self-assembly there would be more than 68 billion self-assembled materials, and in less than one day they would weight one ton, and in less than two days they would exceed the weight of the earth, and in four hours they would exceed the total mass of the sun and the planets, of course, if the existing chemical elements had not been exhausted.
On the other hand, the gray goo idea suggests the self-assembly of very efficient molecular nanomachines, the nanomachines would be so efficient that they would supplant or even destroy the life on the planet. For example, the nanoscale self-assembly of extremely efficient solar cells would supplant plants, filling the biosphere with inedible foliage; or perhaps the self-assembly of nanoscale omnivorous bacteria would wipe out the rest of the real bacteria, as the nanobacteria would be strong and small then they would spread quickly and the world would end within days.
On the other hand, the gray goo idea suggests the self-assembly of very efficient molecular nanomachines, the nanomachines would be so efficient that they would supplant or even destroy the life on the planet. For example, the nanoscale self-assembly of extremely efficient solar cells would supplant plants, filling the biosphere with inedible foliage; or perhaps the self-assembly of nanoscale omnivorous bacteria would wipe out the rest of the real bacteria, as the nanobacteria would be strong and small then they would spread quickly and the world would end within days.
Eric Drexler himself published later that those ideas are very far from what the real self-assembly used for nanoscience and nanotechnology is [C. Phoenix, E. Drexler. NANOTECHNOLOGY 15, 869 (2004) DOI: 10.1088/0957-4484/15/8/001]. In order to avoid any confusion I would add: self-assembly is not synonym of self-replication.
¡Happy End-of-the-World Carnival!
Contribution to the XXVII edition of the Physics Carnival, organized by El Tao de la Física and dedicated to the End of the World.
En esta ocasión el Fin del Mundo es el tema del Carnaval de la Física. No es difícil imaginar qué motivó la elección de este tema, se trata de la primera edición del Carnaval en el año 2012, año en el que, según un rumor mundialmente difundido, ocurrirá el Fin del Mundo.
El rumor se basa en una interpretación particular del calendario maya. Está relacionado con la culminación de un ciclo en el calendario maya durante el 2012. Esta culminación ha despertado en algunas personas la inquietud de si el final de dicho ciclo está relacionado con un final apocalíptico del mundo. Sin embargo, como lo aclara en su página web el Instituto Nacional de Antropología e Historia de México, el calendario maya no hace referenca a un final apocalíptico, simplemente se refiere a la culminación de un ciclo y al comienzo de otro nuevo, tal y como ocurre con el calendario gregoriano usual, en el que el 31 de diciembre marca el fin de un período y el 01 de enero el inicio de uno nuevo.Actualmente, así como los antiguos mayas hicieran en su momento, la transición de un período a otro viene acompañada de rituales, deseos, propósitos, etc. que no guardan relación alguna con la extinción de la humanidad tal y como la conocemos.
Así es que el calendario maya dista mucho de hacer una predicción explícita del Fin del Mundo para este 2012. Sin embargo, lo que sigue siendo un enigma son las causas que dieron origen al Fin del Mundo maya. No se entiende con claridad como ocurrió el declive de una civilización que dejó legados que evidencian una civilización con profundos conocimientos en matemáticas, astronomía y hasta en nanotecnología.
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| Pintura en la ciudad maya de Bonampak |
Buena parte de la evidencia que los antiguos mayas dejaron acerca de su civilización se ha conservado en buen estado durante alrededor de 1500 años. Entre su legado destacan algunas pinturas que poseen un color azul muy particular, conocido como Azul Maya. El color de estas pinturas se ha conservado intenso a través del tiempo, aun cuando siempre han estado expuestas directamente a un ambiente selvático que no ayuda a su preservación. La causa de su conservación radica en el tipo de material que los mayas emplearon para dar color azul a sus pinturas. Dicho material es un nanocomposito híbrido orgánico-inorgánico. Es decir, se trata de un material de dimensiones nanométricas cuya composición comparte homogéneamente tanto materia orgánica como materia inorgánica. La materia orgánica del Azul Maya es el índigo, un colorante orgánico, de color añil, que se extrae de la planta Indigofera suffruticosa. El índigo proporciona un color "azulado" al Azul Maya, pero no hubiera perdurado a través de los años si no estuviera adecuadamente inmerso en un medio inorgánico que lo protegiera del ambiente externo [P. Gómez-Romero, C. Sanchez. NEW J. CHEM. 29, 57 (2005) DOI: 10.1039/B416075B].
La materia inorgánica que compone al Azul Maya es la paligorskita, un tipo de arcilla que sirve al índigo de soporte y de protección. En el Azul Maya, la paligorskita no sólo contiene moléculas de índigo sino que también contiene nanopartículas metálicas y nanopartículas de óxidos metálicos (principalmente de Fe, Mn y Cr), las cuales, en combinación con el índigo, hacen del Azul Maya un color azul único [M. José-Yacamán, L. Rendón, J. Arenas, M. C. Serra Puche. SCIENCE 273, 223 (1996) DOI: 10.1126/science.273.5272.223].
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| Simulación de IBM para el autoensamblaje de moléculas |
La obtención de un material como el Azul Maya requiere de una fabricación tipo bottom-up, es decir, una fabricación que aprovecha el autoensamblaje nanométrico de los elementos moleculares que constituyen al material. En general, durante la elaboración de un material cualquiera, sus moléculas constituyentes adquieren la configuración geométrica que les resulta energéticamente más favorable, y bajo ciertas condiciones específicas de preparación (atmósfera, temperatura y presión, entre otras condiciones), en el material se forman estructuras nanométricas que adquieren una distribución geométrica, de dimensiones también nanométricas, que disminuyen la energía del sistema. El uso del autoensamblaje de moléculas para sintetizar nanomateriales es un área activa de investigación y es un método utilizado comúnmente para la fabricación de nanomateriales.
Curiosamente, los primeros nanomateriales fabricados mediante el autoensamblaje molecular dieron lugar a la concepción de un escenario para un Fin del Mundo apocalíptico. No se trata de una concepción del Fin del Mundo directamente relacionada con los mayas, aunque sí está relacionada con cualquier civilización nanotecnológicamente avanzada. En la actualidad es comúnmente aceptado que se trata de un apocalipsis muy poco probable, pero en su momento fue objeto de intensos debates. Esta concepción apocalíptica se basa en el crecimiento exponencial de ensambladores y en la plaga gris, ideas que el científico Eric Drexler planteó en su libro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology (Anchor Books, 1986).
La idea de un crecimiento exponencial de ensambladores sugiere que las moléculas que se autoensamblan para formar un material darán lugar a un material que se autoensamblará para formar otro material, que a su vez autoensamblará otro material, repitiéndose sucesivamente el proceso de autoensamblaje. Eric Drexler llegó a plantearlo en los siguientes términos: un primer material autoensamblado autoensamblará una copia suya en mil segundos, entonces los dos materiales autoensamblados autoensamblarán otra copia suya en otros mil segundos, y a su vez los cuatro materiales autoensamblados resultantes autoensamblarán a otros cuatro, para que los ocho resultantes autoensamblen a otros ocho y así sucesivamente, así que tras diez horas de autoensamblajes habría más de 68000 millones de materiales autoensamblados, y en menos de un día pesarían una tonelada, y en menos de dos días sobrepasarían el peso de la tierra, y en cuatro horas más excederian la masa conjunta del sol y de todos los planetas, si es que para entonces los elementos químicos existentes no se hubieran acabado.
A su vez, la idea de la plaga gris sugiere el autoensamblaje de nanomáquinas moleculares tan eficientes que suplantarían o destruirían la vida del planeta. Por ejemplo, el autoensamblaje nanométrico de celdas solares más eficientes que las plantas acabaría con las plantas, llenando la biósfera de follaje no comestible; o quizás el autoensamblaje nanométrico de bacterias omnívoras acabarían con el resto de las bacterias reales, que al ser fuertes y pequeñas, se diseminarían rápidamente y acabarían con el planeta en cuestión de días.
El mismo Eric Drexler publicó posteriormente que el par de ideas que propuso dista mucho de lo que en realidad es el autoensamblaje empleado para la nanociencia y la nanotecnología [C. Phoenix, E. Drexler. NANOTECHNOLOGY 15, 869 (2004) DOI: 10.1088/0957-4484/15/8/001]. Para evitar cualquier confusión yo añadiría: autoensamblar no es sinónimo de autoreplicar.
¡Feliz Carnaval del Fin del Mundo!
Aportación a la XXVII edición del Carnaval de la Física, dedicada al Fin del Mundo y organizada por El Tao de la Física.
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