¿Qué tienen en común una bacteria y los ferrofluidos?

Antes de comenzar a leer me gustaría que tratarais de dar respuesta a la pregunta que titula este post: ¿qué tienen en común una bacteria y los ferrofluidos? De acuerdo, no he especificado de qué bacteria estoy hablando y es un dominio realmente extenso como para que la adivinéis sin más, pero aún así intentad buscar una relación. Por si eso llamado ferrofluido os ha dejado fuera de juego comenzaremos explicando fácilmente de qué se trata. Afortunadamente, la mejor forma para entenderlo es mediante una imagen, como la que acompaña a estas líneas y que os invito a pinchar para ver ampliada, y el siguiente vídeo donde lo vemos en acción.

Este solo es uno de los muchísimos vídeos sobre arte hecho con magnetismo. Si os gusta esta forma de arte tenéis algunos vídeos interesantes en puratura, y muchos otros más por la red.

Ferrofluidos, magnetita y propiedades magnéticas

Volviendo a nuestros ferrofluidos, su funcionamiento es bastante sencillo. Se trata de un líquido, por ejemplo agua, al que se le añaden nanopartículas magnéticas, normalmente magnetita (Fe₃O₄). De esta forma el líquido adquiere un carácter magnético y puede ser dirigido mediante imanes o cualquier cosa que genere un campo magnético. Se suelen añadir también surfactantes, cuya función es impedir que las nanopartículas se acumulen y formen aglomeraciones que limiten su movimiento.

Como ya sabéis, no todos los materiales responden igual ante la presencia de un campo magnético. Existen algunos que se sienten fuertemente atraídos si se les acerca un imán, como por ejemplo el hierro; otros que solo son atraídos débilmente, como el aluminio; y otros en cambio que se siente ligeramente repelidos, como el oro. Físicamente, estos tres fenómenos reciben un nombre, y son respectivamente el ferromagnetismo, el paramagnetismo y el diamagnetismo.

La diferencia básica entre estos tres tipos radica en cómo tienen orientados los momentos magnéticos los átomos del material, en lo que se denomina dominios magnéticos. Estos dominios son estructuras móviles que pueden cambiar su orientación, crearse o incluso desaparecer cuando el material se somete a un campo magnético. De una forma gráfica se puede entender como una serie de flechitas o vectores (una por átomo) que están orientadas en una dirección al azar. Cuando se juntan un grupo de varias estas flechitas apuntando en una misma dirección dan lugar a un dominio magnético, que es lo que aparece representado en la imagen que acompaña a estas líneas. Los materiales no magnéticos están compuestos de diferentes dominios, cada uno apuntando en una dirección. Esto hace que la suma total sea 0, ya que se van anulando las contribuciones entre sí. El caso contrario se da en los imanes, donde todos sus dominios están orientados en una misma dirección lo que hace que sean fuertemente magnéticos.

La magnetita se encuentra dentro del grupo de materiales ferromagnéticos, pues se siente fuertemente atraída ante la presencia de un imán. Esto nos ha posibilitado, entre otras muchas cosas, la creación de brújulas, cuya aguja está compuesta por dicho material. Además ha conseguido despertar en los seres humanos el interés y la fascinación por el magnetismo ya desde la Antigua Grecia, pues recordad que la magnetita recibe su nombre de la antigua ciudad griega de Magnesia, donde sus propiedades fueron descubiertas por primera vez. Ahora bien, a diferencia de la magnetita descrita en el párrafo anterior, la que se encuentra en los ferrofluidos no es ferromagnética, sino que está en un estado especial conocido como superparamagnético.

A medida que descendemos en el mundo de lo más pequeño, lo cuántico, las propiedades físicas de los materiales varían, y mucho. El magnetismo no es una excepción. Al tener magnetita en un tamaño pequeño, esferas del orden de 10 nanómetros de diámetro, las interacciones magnéticas dentro del material que causan el ferromagnetismo pierden gran parte de su poder y por tanto la magnetita pasa a convertirse en superparamagnética. Además, las esferas tan pequeñas que no hay espacio material para tener más de un dominio, por lo que todos los momentos magnéticos apuntan en la misma dirección. Por tanto siguen sintiéndose atraídas por campos magnéticos, pero de una forma menos intensa que en su tamaño normal.

Dynabeads®. Nanopartículas de magnetita como las que hay en los ferrofluidos vistas en un microscopio electrónico de barrido.

En resumen, la magnetita presente en el ferrofluido actúa como elemento magnético que ayuda a que el líquido adquiera formas sorprendentes por el mero hecho de estar ante la presencia de imán. Y evidentemente las formas tienen que ver con el magnetismo, pues el ferrofluido tratará de seguir las líneas de campo magnético creadas por el imán. Una clara prueba del arte que se puede hacer gracias a la ciencia.

¿Bacterias magnéticas?

Llegados a este punto es lógico que ya hayáis visto la relación entre los ferrofluidos y esa bacteria de la que aún no os he desvelado nada. El nexo de unión es el magnetismo.

El descubrimiento de este tipo de “bacterias magnéticas” ocurrió en 1975 cuando el estudiante Richard Blakemore descubrió por casualidad como las bacterias que estaba observando en el microscopio se movían atendiendo al campo magnético terrestre. Fue una de estas curiosas serendipias de la ciencia que tanto gustan al amigo Iker Jiménez y a El Gran Wyoming.

En el artículo publicado en Science ese mismo año Blackmore utilizó por primera vez el término bacteria magnetotáctica, es decir, bacteria que se mueve dirigida por un campo magnético. Existen gran cantidad de bacterias que poseen este comportamiento, aunque quizá la más estudiada sea la Magnetospirillum magnetotacticum. Se trata de una bacteria alargada que se mueve mediante flagelos y que posee en su interior una cosa muy curiosa. A ver si adivináis lo que es viendo en la imagen inferior.

Bacteria Magnetospirillum magnetotacticum (cepa MV-4) vista en un microscopio electrónico de transmisión

Esa especie de cordón oscuro formado por estructuras más o menos cuadradas que atraviesa la bacteria longitudinalmente es lo que hace que esta bacteria sea capaz de detectar campos magnéticos, y recibe el nombre de magnetosomas. Son pequeñas vesículas, de entre 35 y 120 nanómetros, que se encuentran en el interior de la bacteria y cuyo cometido es almacenar unas partículas magnéticas. ¿Os imagináis cuáles? Magnetita.

Primeros pasos de la síntesis de la magnetita dentro de un magnetosoma, visto en un microscopio electrónico de transmisión. Las flechas blancas nos indican la membrana del magnetosoma.

En los magnetosomas las bacterias magnetotácticas biosintetizan nanopartículas de magnetita (Fe₃O₄) de la forma más perfecta que conocemos hasta la fecha, mucho mejores que las que podemos fabricar en un laboratorio. Lo hacen controlando todo el proceso mediante diferentes proteínas y procesos bioquímicos sobre los que no puedo entrar porque se alejan demasiado de mi campo de conocimientos. Aún así, y siendo fieles a la realidad, sí que os puedo decir que la magnetita no es el único elemento que pueden fabrican estas bacterias, sino que algunas pueden crear greigita donde los oxígenos son sustituidos por azufre (Fe₃S₄).

Al igual que un ferrofluido se mueve en un campo magnético gracias a la magnetita que contiene, las bacterias magnetotácticas se orientan aprovechando el campo magnético terrestre con la magnetita presente en sus magnetosomas. Es posible que os haya llamado la atención que los magnetosomas están juntos y parecen formar una cadena. La razón de hacer esto es muy sencilla si tenéis presente lo que vimos más arriba sobre los dominios magnéticos. La magnetita de las nanopartículas formaba un único dominio magnético, ¿lo recordáis? Pues bien, en este caso ocurre lo mismo, luego la bacteria puede crear toda su magnetita apuntando en la misma dirección y sumar sus contribuciones para convertirse en una brújula suficientemente potente como para orientarse y moverse aprovechando el débil campo magnético terrestre.

La bacteria magnetotáctica actúa como si fuera un imán para orientarse

Existen otras especies que utilizan el magnetismo para ayudarse en su orientación, como algunas aves, algas o peces, pero sin duda las bacterias magnetotácticas están muchos pasos por delante: seguir las líneas creadas por el campo magnético terrestre es su principal y casi única forma de orientación. Un punto más para las maravillas de la naturaleza y la evolución.

Bibliografía

• Artículo Magnetosome formation in prokaryotes en Nature Reviews. DOI: 10.1038/nrmicro842. Disponible libremente en PDF.
• Imagen de los Dynabeads® obtenida en la web del fabricante.