el hombre y los materiales - … · que indudablemente despertaron la curiosidad del hombre...
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E L H O M B R E Y L O S
M A T E R I A L E S
Autor: GUILLERMO AGUILAR SAHAGÚN
INTRODUCCIÓN
I. DE LA EDAD DE LA PIEDRA AL ACERO
II. DEL ACERO A LOS PRIMEROS POLÍMEROS
III. POLÍMEROS Y SEMICONDUCTORES
IV. LOS MATERIALES HOY
V. LOS MATERIALES EN EL ESPACIO
I N T R O D U C C I Ó N
Desde la misma aparición del hombre sobre la Tierra se dio la
eterna lucha de éste por obtener una mejor manera de vivir.
Explotar los recursos naturales y transformarlos a su mejor
conveniencia fue uno de sus primeros retos y continúa siendo una
de sus principales preocupaciones.
Productos evidentes del ingenio del hombre son los que ahora
conocemos bajo el nombre de "materiales", a tal punto que
prácticamente nos resulta imposible imaginar actividad humana
alguna en la que los materiales no sean determinantes: muchas
veces, éstos nos resultan tan familiares que ni siquiera cobramos
conciencia de su intervención en nuestra vida cotidiana.
Los grandes avances de la humanidad han sido posibles gracias a un
material o a un conjunto de ellos. Para ejemplificar, citemos
algunos de los avances más espectaculares de los años recientes: los
transistores, el rayo láser o la fibra óptica.
En este libro hablaré, a grandes rasgos, de la lucha que la
humanidad ha sostenido para disfrutar de los beneficios de la
explotación y adecuación de los recursos naturales.
Mi mayor satisfacción sería que quien terminara de leer este libro
tuviera la sensación de haber participado en una gran hazaña que
aún no ha concluido. Si no lo consigo, esperaría al menos que los
lectores se hubieran divertido.
I . D E L A E D A D D E L A
P I E D R A A L A C E R O
CUANDO uno se propone escribir sobre algún tema, lo más frecuente
es recurrir a los conocimientos previos que sobre los temas
relacionados tenga el lector. Pero no es usual que el tema mismo a
tratar se considere como bagaje cultural del lector. Otra cosa que se
acostumbra es definir de manera inicial los términos que habrán de
utilizarse. En este libro romperé con esas tradiciones. Quiero decir
con esto que no daré una definición de lo que se entiende por
materiales, y recurriré a la noción intuitiva que todos tenemos de lo
que es un material.
Puedo tomarme esta licencia con el convencimiento de que, de una
u otra manera, cuando se habla de materiales todo mundo tiene una
idea de a qué nos referimos. Probablemente esto se ha derivado del
importantísimo papel que los materiales han desempeñado en el
desarrollo de la civilización. Hagamos pues una somera revisión.
LOS MATERIALES CERÁMICOS
a) El pedernal
Si nos remontamos hasta la aparición del homo sapiens,
encontramos justamente la era llamada del Paleolítico Superior,
donde podemos observar una destreza considerable en el manejo
del pedernal, la madera y algunas fibras vegetales, indudablemente
los primeros MATERIALES utilizados por el hombre.
Figura 1.
Precisamente en esta época se empiezan a utilizar astas y marfiles,
aprovechando que sus propiedades hacían posible el desarrollo de
nuevos utensilios para la caza, tales como puntas de lanza, cabezas
de arpones, lanzas y quizás arcos de varias piezas.
Gracias a la existencia de estos artefactos y por supuesto de los
materiales que los hicieron posibles, se mejoraron los niveles
económicos y culturales, pero por otra parte, surgió la necesidad de
elaborar herramientas especiales para trabajar estos nuevos
materiales. La figura 1 muestra una herramienta primitiva de piedra
(¡de hace 1 750 000 años!).
Así, como satisfactor a una demanda de la humanidad, surgió un
material que vendría a revolucionar la vida del hombre primitivo: el
pedernal.
Este mineral de color amarillento con vetas grisáceas y blancas
tiene la propiedad de ser duro y a la vez quebradizo, es decir, difícil
de rayar y fácil de fracturar con un impacto. Para aprovechar estas
propiedades se desarrolló un alto grado de pericia, por medio de la
cual los bordes de largas y estrechas hojas de pedernal eran
golpeados, y las herramientas, cuidadosamente conformadas de esta
manera, se empleaban para cortar, tallar, taladrar, pulir y raspar.
Al realizar esta tarea, el hombre primitivo observó que cuando se
golpeaba el pedernal con ciertas piedras y de cierta manera surgían
chispas, hecho que habría de marcar otro gran paso en la historia de
la humanidad.
Por este tiempo también hicieron su aparición las herramientas y
artefactos compuestos de varias piezas de materiales diferentes, en
los que se aprovechaban las propiedades de cada uno de ellos para
la función más adecuada a realizar. Las primeras lanzas en las que
el mango, la punta y la sujeción eran de materiales distintos son un
ejemplo.
Las necesidades humanas no son sólo las de supervivencia.
También lo son las expresiones artísticas y de ornato, y los
materiales no han permanecido ajenos a ello.
Figura 2.
Una muestra de la combinación de materiales diferentes y de gran
contenido estético es la que se presenta en la figura 2, que es un
cuchillo cuya hoja es de pedernal y su mango de marfil. Los
relieves representan a los egipcios del delta del Nilo remontando el
curso del río con sus naves; se estima que es anterior al periodo
dinástico, es decir, antes del siglo XXX a.C. ¿Cómo se habrán hecho
los relieves en el marfil?
Simultáneamente, se empezaron a utilizar principios mecánicos
elementales como la rotación y el apalancamiento. Estos adelantos,
que ahora nos parecen tan triviales, tuvieron un papel decisivo para
el desarrollo futuro de la humanidad, ya que le permitieron adaptar
de manera útil su modo de vida a los grandes cambios que
representaban el clima, el medio ambiente y la vida silvestre.
Los materiales fueron particularmente favorables al hombre en la
búsqueda del alimento que le permitiría sobrevivir. Vivía de la
pesca, de la recolección de plantas y frutos y sobre todo de la caza,
de la cual obtenía no sólo carne y grasa sino también huesos y astas
para herramientas y combustible, es decir, también conseguía
materiales. Además, adquiría pieles y tendones para fabricar sus
vestidos y tiendas. Con objeto de llevar a cabo la caza de las
diferentes especies existentes tenía que desarrollar nuevos equipos,
ya que no era lo mismo cazar un mamut que un bisonte, un caballo
salvaje, un reno o un ciervo, de manera que tuvo que desarrollar
nuevos métodos y equipos especiales para la caza según la especie.
Los hábitos de las distintas presas animales determinaban el modo
de vida del hombre y aun su situación. Con frecuencia los poblados
eran campamentos provisionales situados cerca de los lugares
frecuentados por las distintas presas según la estación, lo que
obligaba a que los cazadores fueran de aquí para allá dentro de un
territorio determinado. En la actualidad subsiste muy poco de sus
frágiles tiendas y abrigos, aunque se han localizado algunos grupos
de chozas subterráneas. Particularmente en algunas regiones calizas
de Europa, donde existen cuevas naturales, se observa que éstas
fueron empleadas como bases permanentes o refugios en el
invierno.
De esta misma época se tienen muestras de manifestaciones
artísticas en las que se puede observar que la práctica del
enterramiento ceremonial de los familiares da cuenta de una
creencia en otra vida después de la muerte. La indicación más
significativa del desarrollo de ideas mágicas y religiosas, se
presenta en el arte del Paleolítico Superior europeo, que se
desarrolla tomando formas diversas: alto y bajorrelieves en tallas y
grabados sobre herramientas, armas, cantos rodados, esculturas en
hueso, astas, marfil y piedras, así como moldeados en arcilla, y lo
más notable de todo, tallas y pinturas en los muros y techos de
profundas cuevas del centro y sur de Francia y del norte de España.
También existen evidencias de que el arco y la flecha fueron las
principales armas de caza, y es característico del Mesolítico el uso
de puntas de pedernal pequeñas y finas incrustaciones en mangos
de madera o hueso. Las comunidades nórdicas europeas se
distinguen por el amplio uso que hicieron de la madera como
materia prima y por haber introducido el hacha de carpintero.
b)La alfarería (cerámica)
Pasemos ahora a ver cuáles fueron los avances en el Neolítico. Las
herramientas de los campesinos de la Europa neolítica se limitaban
a hoces, hachas y azadones que eran de pedernal u otra piedra
afilada y pulimentada, arte en el cual, como ya lo mencionamos, se
alcanzó gran destreza, muy especialmente en el norte de Europa. En
el Neolítico surgió en Europa la cerámica. Cada grupo local llegó a
tener su propio estilo de vasijas. Casi no había armamento porque
las productivas comunidades agrícolas de aquel periodo vivían
aisladas y eran prácticamente autárquicas; el comercio se limitaba
principalmente al pedernal u otras piedras de alta calidad y
ocasionalmente a artículos de lujo. Los proveedores de pedernal y
de otras piedras muy probablemente eran especialistas de la
comunidad u hombres organizados por su cuenta, que obtenían
alimento mediante el trueque de sus productos.
Después del tallado de la piedra, la siguiente destreza (tecnología,
diríamos ahora) para manejar materiales inorgánicos fue
probablemente la selección y molienda de colores minerales para
pigmentos, que fueron utilizados con carácter decorativo o
ceremonial, como se muestra en la pintura rupestre reproducida en
la figura 3. Es muy notorio en esta época que la gran mayoría de las
pinturas sean representaciones de los animales que el hombre
cazaba y de los cuales dependía para su alimento y vestido. Antes
del Neolítico, en muy pocas ocasiones el hombre primitivo retrató a
sus semejantes.
Figura 3.
Por lo que toca a lo que podríamos llamar la artesanía doméstica,
hay que destacar los tejidos de lino, a veces de muy buena calidad;
los trabajos en madera, entre los que destaca la manufactura de
tazas y cuencos para uso doméstico, así como la construcción de
cabañas y embarcaciones y la cestería y los trabajos con cortezas
vegetales y cuero.
LOS METALES
En la búsqueda de piedras útiles para la fabricación de sus primeras
herramientas, seguramente el hombre topó con algunos terrones de
cobre y de oro maleables, ya que la naturaleza suele proveerlos de
esta manera.
Los objetos metálicos más antiguos conformados artificialmente de
los que se tiene noticia son unas cuentas de cobre encontradas en el
norte de Irak; se calcula como fecha probable de su manufactura
entre el octavo y noveno milenio a.C. Al parecer, estas piezas son
de cobre natural y fueron conformadas mediante martillo y yunque.
También se tiene información de que en la región de los Grandes
Lagos en Estados Unidos los nativos utilizaron cobre natural
alrededor del segundo milenio a.C. Por otra parte, existen
evidencias de que el hombre manipuló compuestos metálicos con
mucha anterioridad a las fechas mencionadas. La figura 4 muestra
un antiquísimo jarrón de cerámica decorado con óxidos metálicos.
Esta pieza actualmente se encuentra en el Museo de Louvre, París,
y data del cuarto milenio a.C.
Figura 4.
En la actualidad podemos explicar con bastante claridad cómo
ocurrió esto. En la naturaleza, la mayoría de los metales aparecen
abundantemente sólo en forma de compuestos minerales, tales
como óxidos, carbonatos, sulfatos, etc., es decir, es muy escaso el
metal puro, el que aquí llamaremos natural.
En general, estos compuestos no poseen la maleabilidad del metal
natural: son de distinta densidad y de colores más llamativos, por lo
que indudablemente despertaron la curiosidad del hombre
primitivo. En el caso particular del jarrón de Susa que se muestra en
la fig. 4 es altamente probable que haya sido elaborado con dos
tipos distintos de "cerámica", un barro normal para el cuerpo del
jarrón y algunos trozos de piedras diferentes para decorarlo, que
resultaron ser óxidos metálicos que al ser sometidos al recocido de
todo el jarrón probablemente fueron fundidos o estuvieron muy
cerca de serlo. Este procedimiento estaría de acuerdo con la
hipótesis de algunos arqueólogos que afirman que el proceso de
fundición fue descubierto hacia el año 5 000 a.C. en alguna
alfarería. Esta hipótesis es muy plausible y tiene como fundamento
lo siguiente:
Para separar el metal del mineral se requiere de temperaturas muy
elevadas que no son fáciles de obtener directamente al fuego,
mientras que el cocido del barro en las alfarerías se efectúa en
hornos que tienen el fuego confinado, donde se alcanzan
temperaturas un poco mayores que resultan ser lo suficientemente
elevadas para trabajar los óxidos, aunque no lo son para fundir el
cobre.
De hecho, aún en la actualidad no es clara la manera en que el
hombre empezó a servirse de los metales. Una apreciable cantidad
de datos colectados por los arqueólogos y que se muestran
resumidos en el cuadro 1 parecen sugerir que el hombre empezó por
"golpear y martillar" el oro y el cobre nativos o el hierro de los
meteoritos, pero no comprendió la utilidad y carácter de estos
nuevos materiales hasta que aprendió a fundir y moldear algunos de
ellos. Indudablemente que el paso crucial fue el descubrimiento de
la fundición, lo cual hizo del cobre el primer metal industrial y
propició el veloz descubrimiento del plomo, la plata, el estaño y
probablemente el hierro.
El cuadro 2 presenta la evolución temporal de las tres principales
artes pirolíticas, a saber: alfarería, metalurgia y vidriería, y los
lugares donde es más probable que se hayan desarrollado.
Resulta fácil comprender la dificultad para precisar estos hechos
cronológicamente. Sin embargo, si se pretende establecer algún
orden en el desarrollo que condujo al hombre a dominar lo que hoy
conocemos como metalurgia, se pueden distinguir cuatro etapas:
Cuadro 1. Sitios y fechas aproximadas en las que se han
encontrado metales antiguos. Una muestra de los metales
con mayor antigüedad.
Sitio Fecha
aproximada a.c. Objetos
Sialk I-III ( Irán ) 4500-4000 Objetos de cobre,
botones de plata
Arpachyah ( Irak
)
Finales del quinto
milenio
Piezas de plomo,
objetos de cobre
Chagar-Bazar (
Irak )
Finales del quinto
milenio Cuentas de cobre
Mersin (
Anatolia )
Finales del quinto
milenio Objetos de cobre
Beycesultan (
Anatolia )
Finales del quinto
milenio
Anillos de plata,
objetos de cobre
Chagar-Bazar ca. 3000 Cúmulos de hierro
terrestre
Tell Asmar ( Irán
) ca. 2700
Espada u hojas de daga
de hierro terrestre
1) Martilleo forjado en frío: se puede considerar una técnica propia
de la Edad de la Piedra, que aplicada al cobre natural posibilitó la
obtención de piezas tales como cuentas, punzones, agujas o arillos
de dimensiones pequeñas.
Cuadro 2. Evolución de las primeras industrias mineras
que utilizaron fuego.
Alfarería Metales Esmaltes, pinturas y
vidrios
Anterior a 6000 a.c.
Ocre usado en
prácticas funerarias;
cuevas pintadas
empleando óxidos
triturados.
Hallazgos de
colorete y sombra
para los ojos que
muestran polvo de
hematita, galena y
malaquita.
La alfaraería de
Çatal Hüyük
muestra fases de
la evolución
de la alferería.
6000-5500 a.c.
Tubos de cobre
Çatal Hüyük.
Alfarería original
de Jarmo,
mercaderías rojas
de Sialk
usando óxido de
fierro.
5000-4500 a.c.
Primer metal
acumulado en
Anatolia e Irán que
indica el uso de
cobre templado
martillado.
Hornos cerrados
en Sialk III.
Utensilios Halaf
polícromos que
conservan formas
metálicas.
4000 a.c.
Objetos de Cast
Halaf y Sialk
indican fusión de
cobre, fusión de
plomo y plata. Gran
cantidadde metal
encontrado en Irán.
En Badarian,
Egipto, se muestran
las primeras
evidencias de cobre.
Vidrios de Badaria
en Egipto contienen
mineral aglomerado
y álcalis en
depósitos cerrados a
temperaturas no
mayores a 850°C.
Los utensilios de
Ubaid muestran la
utilización de altas
temperaturas,
primeros indicios
del proceso de
reducción.
3500 a.c.
Piezas de cobre
fundidas dispersas
en la meseta Near
Eastern contienen
muchas impurezas,
particularmente
arsénico, plomo,
níquel y estaño.
Objetos de hierro de
meteoritos
encontrados en
Gerzeh. Nueva
metalurgia
gradualmente
diseminada por
Egipto, junto con
otras influencias de
Mesopotamia.
Escorias empiezan a
sugerir la naturaleza
de los vidrios.
El azul egipcio entra
a la moda.
Torno de alfarero
aparece para el
uso en Amouq y
en otra parte.
3000 a.c.
La edad de los
metales inicia una
gran y floreciente
expansión en
Mesopotamia con la
aparición inicial del
bronce. A partir de
ahí se mantiene la
fuerza industrial.
Piezas fundidas de
bronce-plomo de
Uruk dan curso para
los bronces-estaño
puros de Ur.
Desarrollos
similares en Siria,
Azerbaijan y otros
lados. La plata es
medio de
intercambio, aparece
el oro en estatuas y
joyería. Bronce y
plomo dominan en
piezas fundidas.
Herramientas de
metal para cortado,
excavación y
moldeo son
comunes en la fase
Jemdet Nasr.
Cuentas de vidrio
aparecen en Egipto,
pronto aparecerán
también en
Mesopotamia.
2500 a.c.
Piezas de vidrio,
utilizando colores
matálicos, empiezan
a florecer en Egipto.
2000 a.c.
El comercio en
metales está
diseminado en el
Oriente Medio.
2) Recocido: la aplicación moderada de calor que permite el
reblandecimiento del metal a fin de facilitar su conformación
mediante el martilleo. Indudablemente esta técnica fue el
antecedente directo de la fundición.
3) Fundición: fue posible cuando el hombre aprendió a confinar el
calor para que alcanzara temperaturas cada vez mayores, hasta
lograr que el metal fuera "líquido", condición que le impuso o le
sugirió la necesidad de darle forma una vez que se enfriara, lo que
desembocó en la cuarta y última etapa.
4) Moldeo: para darle una forma específica al metal ya fundido es
preciso depositarlo en algún recipiente adecuado que lo aloje
mientras se lleva a cabo el enfriamiento con la consecuente
solidificación del metal. Entretanto, cabe la posibilidad de utilizar el
martilleo para obtener la forma deseada.
¿Cómo se fueron alcanzando cada una de estas etapas? ¿En qué
materiales fue más rápido su desarrollo? Son preguntas cuyas
respuestas distan mucho de ser categóricas, y lo más que se puede
hacer al respecto es continuar investigando y plantear ciertas
hipótesis lógicas como la siguiente: una de las propiedades
fundamentales para distinguir y denominar los distintos metales es
sin lugar a dudas la temperatura a la cual ocurren las distintas
transformaciones que los caracterizan, ya sea que se trate de separar
el metal nativo del mineral, de la transformación de sus óxidos u
otros compuestos o de alcanzar su punto de fusión. Si se considera,
como ya lo hemos indicado en este libro, que el paso crucial es el
descubrimiento de la fundición, resulta lógico suponer que la Edad
del Cobre precedió a la Edad del Hierro por algo así como 4 000 o 5
000 años, ya que el cobre funde a 1 083 °C mientras que el hierro lo
hace a 1 537°C.
El hombre que enfrentó primero el problema de la fundición no se
encontró con materiales aislados que funden a temperaturas bien
definidas. Por el contrario, tuvo frente a sí a todos los materiales, y
sin saberlo fue testigo de hechos como estos: a 100°C, en algunos
materiales aparecen capas de óxido; las piritas y el óxido de plata
empiezan a descomponerse a 330°C mientras que el estaño y el
plomo puros ya se fundieron. 500°C es la temperatura a la que
recristalizan y se reblandecen el cobre y el bronce. Cuando se
alcanzan 600°C, los barros de alfarería se endurecen, algunos de
ellos presentan un acabado vítreo y algunos vidrios ya se pueden
moldear a esta temperatura.
Fue así, de manera empírica, como el hombre fue descubriendo
materiales y estableciendo la manera de producir cambios en ellos.
La importancia de muchos de estos materiales y procesos debió
pasar inadvertida hasta que algún hecho repetido de manera casual
o premeditadamente les dio la relevancia que ahora tienen.
Tal vez el caso más sobresaliente corresponde al zinc, que fue
utilizado largo tiempo y sin saberlo en una aleación (el latón),
mucho antes de que se le descubriera como metal.
Digno también de atención resulta el estaño, cuyos orígenes son
sumamente nebulosos. Sin embargo, su importancia en el desarrollo
de la humanidad llega al punto de marcar en una aleación con el
cobre toda una era en la historia: la Edad del Bronce.
Cabe señalar en este punto que por aleación se entiende la
composición metálica obtenida por la fusión y mezcla íntima de dos
o más metales. También se consideran aleaciones a las soluciones
de metaloides en metal, como el caso del carbono en el hierro para
dar origen al acero.
LA EDAD DEL BRONCE
Abarcó todo el segundo milenio y parte del primero a.C. La
importancia del cobre y del bronce (aleación de cobre y estaño),
radica sobre todo en la reorganización básica de la estructura social
y económica que su adopción trajo consigo. Dada la escasez de los
yacimientos de cobre y más aún de los de estaño y oro, se inició un
gran comercio de estos metales con anterioridad a la existencia de
la industria del bronce, de modo que las rutas comerciales se
hicieron no sólo para transportar minerales y productos acabados
sino también para un muy intenso intercambio de ideas de otro tipo.
En el Neolítico, las comunidades campesinas aisladas continuaron
su género de vida; en la Edad del Bronce se establecieron contactos
con comunidades vecinas o alejadas. Los grupos aislados
dependieron cada vez más del exterior para equiparse, y de
organizaciones sociales poderosas para su seguridad. Nuevas zonas
adquirieron importancia, ya fuera porque poseían los minerales
básicos, o bien por su excelente situación en las rutas de comercio.
Consecuentemente, sus pobladores se enriquecieron, y debido al
monopolio del suministro y distribución de los metales se hicieron
políticamente fuertes. La conservación de su poder fue debido en
gran parte a las armas metálicas que poseían. Al mismo tiempo, la
sociedad se fue dividiendo en clases, destacándose la casta guerrera,
en cuyas manos estaba la autoridad política.
Simultáneamente, las civilizaciones del Cercano Oriente habían
desarrollado el arte de trabajar los metales, de modo que éste fue
introducido en Europa donde las culturas minoica y micénica de
Creta y Grecia dieron gran impulso al desarrollo de la industria.
Ésta se basó en el cobre, el oro y el estaño procedentes de Irlanda,
norte y suroeste de Britania, Bretaña, noroeste de España, Bohemia,
Hungría, este de los Alpes y norte de Italia. Por otra parte, se
comerciaba con el preciado ámbar, por rutas que, desde Jutlandia,
ascendían por los ríos Elba y Saale hasta la Europa central, el paso
Brennero y bajaban por el río Po hasta el Adriático. Así se
constituyó el eje de una complicada red comercial que iba de
Irlanda al Mediterráneo y de España a Escandinavia.
De esta manera surgió la primera comunidad de artesanos del
bronce, altamente desarrollada y, podría decirse, de carácter
internacional. En esta comunidad, el secreto de manejar el bronce
pasaba de generación en generación. Al mismo tiempo, se
desarrollaron métodos de minería, aleación y fundido,
conocimientos que se extendieron muy rápidamente.
En el inicio de la Edad del Bronce los materiales se emplearon, más
que en los utensilios de valor económico directo, en la fabricación
de puntas de lanza, dagas y espadas cortas, hachas que
probablemente eran a la vez armas y objetos de culto y
herramientas, así como en la confección de ornamentos personales.
Por lo que toca a la construcción, el monumento más impresionante
de esta época es el extraordinario santuario de Stonehenge,
consagrado al Sol. La habilidad mostrada en su construcción
confirma que hubo contactos entre los ricos jefes guerreros de
Wessex (Inglaterra) y la Grecia micénica. La idea de templos
abiertos procede, sin embargo, de las tradiciones autóctonas de
finales del Neolítico, mientras que los relieves de hachas en las
piedras Stonehenge son un eslabón con Escandinavia, donde se
encuentran representaciones similares y el ritual de las hachas
asociado con otras formas de simbolismo solar. La creencia de que
el Sol recorría el cielo en una lancha o en un carro tirado por
caballos se haya reflejada en los grabados de las rocas y en los
modelos rituales, aunque no hay indicación de que los objetos de
estos cultos fueran considerados dioses con cualidades o formas
humanas. El oro y el ámbar, que desempeñaron un papel tan
importante en el comercio de la Edad del Bronce, quizá debieron su
popularidad a las propiedades religiosas o mágicas que los hombres
les atribuían. Aquí cabe recordar que el ámbar frotado con piel de
gato fue el origen de lo que ahora conocemos como electricidad.
La caída de la Grecia micénica y la adopción del hierro en
substitución del bronce en el Mediterráneo oriental, hacia el año
1000 a.C., originó la decadencia de las viejas rutas comerciales y el
colapso de los mercados. Su producción se limitó ahora a atender el
consumo local, y por primera vez hubo metal en abundancia para la
fabricación de utensilios domésticos, herramientas para artesanías y
utensilios para la agricultura (Figura 5).
Figura 5.
Al mismo tiempo, se adoptó un sistema más avanzado de
agricultura sedentaria, basado en el arado y en el cultivo intensivo
de tierras acotadas. Con esto se sentaron las bases de la agricultura
para los siglos posteriores. Con los nuevos materiales, los vehículos
de rueda fueron mejorados y se utilizó el caballo para los viajes y
los transportes. Asimismo, apareció la espada larga cortante, que
vino a revolucionar el arte de la guerra. Las marcadas divisiones
sociales de la Edad del Bronce casi desaparecieron y la mayor
riqueza estuvo mejor distribuida entre todos. También se introdujo
un nuevo rito funerario en forma de cremación con cementerios y
urnas, en los cuales solía haber hasta 300 o 400 sepulturas, sin duda
pertenecientes a aldeas enteras. De ahí que a estas culturas se les
llamó culturas de las urnas. Fueron ellas las que dominaron el
último periodo de la Edad del Bronce en Europa, que va desde el
año 1000 hasta el 600 a.C.
Esta fue una época de emigraciones masivas causadas
fundamentalmente por dos factores: la expansión territorial de los
pueblos de las urnas y un ansia creciente de nuevas tierras.
La gran mayoría de estos desplazamientos fueron debidos, sin duda,
al grupo de las urnas, que se situaba al norte de los Alpes y alcanzó
gran preminencia durante el siglo VII a.C., gracias a que
introdujeron la manufactura del hierro así como a la llegada de una
poderosa aristocracia de príncipes guerreros procedentes del este. El
hierro, a diferencia de los metales anteriores, repercutió
inmediatamente en la economía rural. En comparación con las
minas de cobre y de estaño, los yacimientos de hierro eran
sumamente abundantes y fáciles de explotar. Por otra parte, el
proceso de forja del hierro no requería la técnica especializada de la
fundición del bronce, así que cada comunidad pudo tener sus
herrerías locales, cuyos productos eran tan baratos que estaban
prácticamente al alcance de todas las clases sociales tanto para uso
industrial como doméstico. La agricultura se benefició grandemente
con el nuevo metal, ya que era de gran utilidad para rejas de arados,
hoces, guadañas y podadoras que se utilizaban para la siega de
cereales y forrajes para el ganado. Igualmente se hizo posible la
fabricación de gran variedad de herramientas nuevas para
carpintería y carretería.
La cultura de Hallstatt de la Edad del Hierro surgió de la fusión de
los pueblos de las urnas transalpinos con la casta guerrera
inmigrante. A esta cultura debemos la aparición de la historia
escrita, pues se trata de los celtas citados por Herodoto y los
escritores griegos y romanos posteriores. Gracias a estos autores
estamos al tanto de los aspectos materiales y económicos de la vida
de aquel pueblo, conocemos su lenguaje, sus instituciones sociales
y sus ideas religiosas. Los celtas constituyeron la primera verdadera
nación de la prehistoria europea; se componían de gran variedad de
tribus unidas por un lenguaje, una estructura social y una tradición
comunes.
Los grupos de Hallstatt empezaron a ejercer un dominio en una
zona muy extensa de Europa durante los siglos VII y VI a.C., y
finalmente ocuparon buena parte de Alemania, los Países Bajos y la
Britania Meridional, dirigiéndose por el sur de Francia hasta
España. Su economía se basó principalmente en la agricultura
sedentaria. En las tumbas de los jefes guerreros Hallstatt, se dejaba
junto al muerto un carro de cuatro ruedas muy engalanado y toda
clase de armas, vasijas de cerámica, alimentos e incluso artículos
exóticos que demuestran el alcance de sus tratos comerciales.
LOS POLÍMEROS
Proteínas, celulosa y almidón son materiales que han estado con el
hombre desde siempre, así como en árboles, arbustos y plantas de
todo tipo han estado las resinas y la lignina. A pesar de ello el
hombre no cobró conciencia de su importancia y tal vez ni siquiera
de su existencia, sino hasta hace menos de un siglo. Por esta razón,
estos compuestos no fueron protagonistas centrales de esa época de
empirismo de los materiales.
Todo parece indicar que estos materiales fueron descubiertos por el
hombre cuando éste ya habitaba América. A nuestro continente le
correspondió ser el escenario de la aparición de los polímeros.
Se tiene información de que durante su segundo viaje a América,
Cristóbal Colón quedó maravillado al ver que los nativos jugaban
con una bola negra cuya elasticidad era realmente notoria. Los
nativos se referían a este material con un vocablo parecido a "koo-
choo", que se transformó en "caucho", nombre que hasta la fecha se
usa en varios países de habla hispana a excepción de México, donde
lo denominamos hule, de la voz nahua ulli, de donde proviene
también el nombre que se ha dado a la cultura olmeca, voz que
significa "habitante del país del hule".
En México, además de la planta Castilla elastica Cerv. —la usada
por los antiguos mexicanos—, existe un arbusto que produce hule
de muy buena calidad: el guayule.
Este material, cuyas características más notables son la
impermeabilidad y la elasticidad, es producido por más de 1 000
plantas distintas. Las principales de ellas son la Hevea brasiliensis,
que abunda en el valle del Amazonas (Brasil); el guayule que ya
mencionamos; el llamado árbol de la goma en la India, que es una
especie de higuera, y otros árboles y enredaderas del África. A
partir de 1875 existieron plantíos de Hevea en Ceilán, Málaga,
Sumatra, Java e Indochina.
El hule se obtiene del látex que segregan estas plantas al hervir su
corteza. Este látex contiene diminutas partículas que van creciendo
bajo la acción del calor. Éste es propiamente el hule.
Este capítulo distaría aún más de ser completo si se omitiera uno de
los materiales más antiguos y más bellos que vino a satisfacer una
de las demandas más perentorias de la humanidad y que aún en
nuestros días goza de especial aprecio. El material que ha requerido
tanto preámbulo para su presentación es la seda. Cuenta la leyenda,
ignoro si se conoce la historia, que en el siglo XXVI a.C. la princesa
Liu-Tsu, que al casarse con el emperador Huang-Ti tomó el nombre
de Si-Ling-Chi, ideó tejer las hebras que hilaban en sus capullos los
gusanos de seda.
Por mucho tiempo esta "tecnología" permaneció en poder exclusivo
de China, de donde pasó a India, Persia y Japón. Posteriormente se
conoció en Roma y llegó a Grecia con anterioridad a Alejandro
Magno. El cultivo del gusano de seda llegó a España en el siglo
VIII, a Sicilia y a Nápoles en el siglo XII y a Francia en el siglo
XVII. Se han hecho muchas tentativas para criar gusanos de seda en
otras zonas de Europa y América, pero sin mayor éxito.
En esta revisión somera que hemos hecho del concepto de material
y su evolución a través del tiempo queda, entre otras cosas,
plenamente justificado el no haber dado una definición precisa de lo
que es un material, ya que, como hemos visto, todos tenemos una
idea intuitiva de lo que esto es.
I I . D E L A C E R O A L O S
P R I M E R O S P O L Í M E R O S
EN El capítulo anterior hemos descrito someramente cómo el
hombre fue satisfaciendo sus necesidades mediante el manejo de
nuevos materiales, que, en la inmensa mayoría de los casos, le eran
proporcionados directamente por la naturaleza. Como ya lo hemos
mencionado, esto no quiere decir que los metales en sí se
encuentren en estado natural, pues salvo el mercurio, el oro y en
ciertos casos el cobre y la plata, la mayoría de los metales se
encuentran en estado combinado en forma de minerales. Los más
importantes, en razón del papel que han desempeñado en la
obtención de cobre, plomo, cinc, estaño y hierro se muestran en el
cuadro 3.
En términos generales, se puede decir que de estos minerales es
posible extraer los diferentes metales mediante el proceso llamado
de reducción por carbón, y justamente gracias a ello fue que hacia
el tercer milenio a.C., todos estos metales ya eran conocidos para el
hombre.
Cuadro 3.
Cobre ( Cu ) Plomo ( Pb )
Cuprita Cu2O Cerusita PbCO3
Malaquita CuCO3Cu (OH)2 Galena PbS
Calcocita Cu2S Anglesita PbSO4
Calcopirita Cu FeS2
Cinc ( Zn ) Hierro ( Fe )
Esfalerita ZnS Hematita Fe2O3
Calamina Zn4(OH)2Si2O7·H2O Magnetita Fe3O4
Cincita ZnO Limonita Fe2O3H2O
Willemita Zn2SiO4 Siderita FeCO3
Estaño ( Sn )
Casiterita SnO2
El proceso de reducción por carbón consiste, grosso modo, en lo
siguiente: cuando un mineral que contiene oxígeno (hematita,
cuprita o casiterita) es calentado en presencia de carbón, éste
captura parte del oxígeno que se libera y ambos se combinan,
produciéndose algún compuesto de oxígeno y carbono y dejando al
metal libre de oxígeno, es decir, puro. En el caso de la hematita, por
ejemplo, la reacción química que se lleva a efecto es la siguiente:
He aquí pues, una posible explicación de la manera casual en la que
el hombre llegó a la Edad del Hierro. Ya hemos visto cómo el
hombre aplicó el fuego para tratar los distintos materiales de que
iba disponiendo, dando origen a lo que hemos denominado "artes
pirolíticas". Cabe suponer que este fuego lo producía por la
combustión de madera o incluso carbón de piedra, y muy
probablemente en configuraciones tales que favorecían la mezcla de
mineral con la fuente de calentamiento. El resultado empírico fue
que el mineral resultaba beneficiado o reducido (términos actuales
para describir este proceso).
Experiencias similares debieron dar por resultado el descubrimiento
del cinc, estaño, plomo y plata. Resulta oportuno en este punto
hacer la observación de que, salvo el hierro, ninguno de los metales
que inicialmente conoció el hombre son de los que más abundan en
la naturaleza. Más de la mitad de la corteza terrestre está constituida
por sólo siete elementos, a saber: silicio (Si), 27.6%; aluminio (Al),
8.1%; hierro (Fe), 5.1%; calcio (Ca), 3.6%; sodio (Na), 2.8%;
potasio (K), 2.6% y magnesio (Mg), 2.1%.
¿Cuál sería, entonces, la razón por la cual, siendo tan abundante el
aluminio, no fue de los primeros en descubrirse? La respuesta la
encontramos en los párrafos anteriores, pues resulta que no es
posible reducir el aluminio por carbón y consecuentemente, el
hombre no pudo realizar un descubrimiento casual de este proceso
tan valioso.
Estos hechos dan pie para concluir que en el desarrollo de la
humanidad ha resultado definitivo no sólo el que la naturaleza
proporcione de manera más o menos directa un determinado
material, sino también que el hombre realice el descubrimiento de
los procesos para transformar los materiales.
¿HIERRO O ACERO?
En relación con la Edad del Hierro, son muchos los metalurgistas
de la época actual que se han planteado y tratado de explicar una
serie de dudas que surgen justamente ahora que disponemos de
mayor información sobre lo que es el hierro y sus compuestos. Una
de estas preguntas, tal vez de las más profundas, es la siguiente:
actualmente sabemos que, en buena medida, las propiedades
mecánicas del hierro puro son inferiores a las que presentan el
cobre y el bronce. Así pues, ¿cómo es que el hierro pudo llegar a
sustituir a esos materiales?; y, por consecuencia, ¿cómo es posible
que se haya considerado que el paso de la Edad del Bronce a la
Edad del Hierro fue un avance sustancial en la historia de la
humanidad?
En primer lugar, cabe mencionar que la secuencia histórica Edad
del Bronce a la Edad de Hierro no es universalmente aceptada y
existen bastantes estudios que presentan hechos bien
fundamentados que se oponen a ella. T. A. Wertime lo resume de
esta manera: "... las 'edades' según los metales son clasificaciones
útiles para una visión general de la historia, pero no dicen nada
acerca de los verdaderos orígenes de la metalurgia."
En segundo lugar, y considerando como válida la sustitución del
bronce por el hierro, es posible explicarla de la manera siguiente: el
hierro aparece inicialmente como producto de reducción de sus
minerales, proceso que requiere de una temperatura menor que la
del punto de fusión. El resultado de esto es una esponja metálica
que, al ser martillada, se libera de sus escorias y permite formar una
masa compacta y dúctil. Prueba de ello serían las muestras que se
han encontrado y a las que se les ha asignado, de acuerdo a técnicas
actuales, un origen que data del tercer milenio a.C. Pero además, y
como lo mencionamos al iniciar este capítulo, el proceso de
reducción por carbón consiste precisamente en el calentamiento en
presencia de este elemento, y sabemos que si al hierro se le da un
tratamiento consistente en elevar su temperatura y en presencia de
carbón, lo que se obtiene es justamente el acero. Es decir, es
altamente probable que lo que el hombre del siglo XV a.C. conoció y
manipuló haya sido lo que hoy conocemos como acero al carbón y
no el hierro. La figura 6 muestra una espada corta del año 800 a.C.,
o aún más antigua. La hoja es de acero al carbón endurecida por
tratamiento térmico y el mango está formado por varias piezas de
hierro. Algunas de ellas son piezas forjadas.
No sería remoto que en este proceso de consecución del acero se
hubiera tenido el convencimiento de que el simple calentamiento de
los minerales seguido del enfriamiento consecuente diera por
resultado un nuevo material, quebradizo a veces, más duro y menos
maleable que el cobre, menos útil que el bronce pero más
abundante y fácil de obtener.
Figura 6.
Pronto debió haberse observado que si el calentamiento se
prolongaba, se mejoraba la condición de fragilidad y se aumentaba
notoriamente su dureza. Esto no podía ser otra cosa que el
"resultado obvio" de la purificación del material, es decir, se
pensaba que el acero era una forma más pura del hierro.
LOS ACERO DE DAMASCO
Estas ideas prevalecieron hasta finales del siglo XVIII, cuando el
metalurgista sueco Swen Rinman, en 1774, logró establecer ya de
una manera científica que la diferencia entre hierro dulce, acero y
hierro colado radica fundamentalmente en la cantidad de carbón
que entra como aleante con el metal. Este descubrimiento empezó a
dar luz sobre lo que por muchos años constituyó un gran misterio,
conocido como el misterio de los aceros de Damasco, sobre los
cuales existían consejas de todo tipo, como veremos en seguida.
Los aceros de Damasco son famosos por su resistencia, dureza y
por la belleza de sus marcas. Las descripciones más antiguas sobre
ellos datan del año 540 de nuestra era, pero seguramente se
utilizaron desde la época de Alejandro Magno, es decir alrededor
del año 330 a.C. Durante las Cruzadas, los europeos encontraron en
Damasco espadas y dagas con propiedades excepcionales y por ello
fue que se difundió este nombre a pesar de que el acero de que
estaban hechas provenía de la India, donde se conocía con el
nombre de wootz. Se cree que las mejores hojas de acero fueron
forjadas en Persia con el wootz proveniente de la India, material
que también se usó para hacer armaduras. Entonces, bien pudieron
llamarse aceros de la India o de Persia.
Las propiedades excepcionales de este material se traducían en
superioridad guerrera, pues influía de manera decisiva tanto en la
protección como en la acción de ataque. Estos motivos fueron
suficientes para alentar a los europeos a indagar sobre la fabricación
de esos aceros, y fue en esa búsqueda que se encontraron con una
serie de leyendas o consejas tan inverosímiles como las siguientes:
"el acero debía ser templado", es decir enfriado bruscamente, "con
los orines de un niño pelirrojo", o bien "con los orines de una cabra
de tres años que hubiera sido alimentada por tres días sólo con
helechos". Otros procedimientos igualmente fantásticos eran más
detallados, como el siguiente: "el acero debe calentarse hasta que
cese de brillar, justo como la salida del sol en el desierto; después
de esto debe enfriarse hasta que llegue al color púrpura de rey y, en
esta condición, insértese en el cuerpo de un esclavo lo más
musculoso posible, así la fuerza del esclavo será transferida a la
hoja de acero, lo que se traducirá en la resistencia del metal".
Por muchos años y con estos procedimientos o tal vez otros
similares, muchos herreros, forjadores y aun científicos de
renombre intentaron reproducir las propiedades de los aceros de
Damasco. En 1819 el científico inglés Michael Faraday publicó un
artículo, en el que proponía como solución al problema la adición al
acero de pequeñas cantidades de sílica y alúmina. La propuesta no
tuvo éxito pero consiguió inquietar a Jean Robert Breant, a la sazón
inspector de ensayos de la casa de moneda de París, para que éste
iniciara una serie de experimentos consistentes en añadir distintos y
variados elementos al acero. Para 1821, Breant había llegado al
meollo del asunto y pudo establecer que era el alto contenido de
carbón el responsable de la resistencia y dureza poco comunes de
los aceros de Damasco.
Breant logró producir espadas con propiedades muy similares a las
de Damasco, pero nunca explicó en detalle los procedimientos y
cabe también suponer que no fue capaz de discernir sobre la
importancia de los distintos factores que intervenían en el proceso.
De hecho, las bases sólidas para la comprensión científica de los
aceros de Damasco se dieron hasta el presente siglo, al conocerse
las transformaciones de fase que presenta el acero como función de
la temperatura y el contenido de carbón.
Ante un misterio como éste, que duró más de 2 000 años, no queda
otra cosa más que aplicar el viejo proverbio ruso que dice:
"Frecuentemente lo mejor de lo nuevo resulta ser lo largamente
olvidado del pasado".
EL MISTERIO SE DESPEJA
En un intento por esclarecer en este libro el misterio de los
multicitados aceros de Damasco a la luz de los conocimientos
actuales, reproduciremos aquí la interpretación hecha por Sherby y
Wadsworth de la patética receta que menciona el sacrificio del
esclavo musculoso.
Caliéntese la hoja de acero a alta temperatura, pongámosla a 1
000°C ("sol naciente en el desierto"), después déjese enfriar al aire
hasta una temperatura aproximada de 800°C ("púrpura de rey").
Finalmente témplese a temperatura del cuerpo humano, 37°C en un
medio salobre ("entrañas de un esclavo fuerte"). De seguirse este
procedimiento, muy probablemente se obtendrá un acero con la
dureza requerida pero quebradizo, problema que se supera si en vez
de calentársele hasta 1 000°C se hace sólo hasta unos 727°C,
siempre que el contenido de carbón sea entre 1.5 y 2%. Con estas
condiciones y procedimientos se habrán reproducido las
propiedades de las misteriosas espadas de Damasco.
Desde el punto de vista formal, resulta esencial para reproducir las
propiedades de resistencia y dureza de los aceros de Damasco lo
siguiente:
Fundición. Lo importante es contar con un metal para el forjado
con el contenido de carbón adecuado (1.5 a 2.0%). La figura 7
muestra esquemáticamente la manera de obtenerlo.
Figura 7.
Figura 8.
El mineral de hierro mezclado con carbón se calienta hasta una
temperatura de alrededor de 1 200°C, con objeto de extraer el
oxígeno del mineral (reducción por carbón). Se obtiene entonces un
hierro esponjado que mediante martilleo es liberado de impurezas.
El resultado es pedacería de hierro dulce (hierro con bajo contenido
de carbón), al cual se le agrega carbón para someter nuevamente la
mezcla a una temperatura de 1 200°C en atmósfera inerte para
evitar la oxidación. A esta temperatura, el hierro dulce permanece
sólido y sus cristales presentan una estructura cúbica centrada en las
caras (Figura 8), la cual consiste en una disposición de átomos de
hierro en las esquinas de un cubo y en las caras de éste. Esta
disposición de átomos deja huecos entre ellos, los que son llenados
por átomos de carbón, dando origen a una aleación denominada
"austenita". Una vez que se ha fundido el material se le deja enfriar
muy lentamente, en un proceso que puede llegar a tardar varios
días. Durante el enfriamiento, al pasar por los 1 000°C
aproximadamente, el carbón que no ha intervenido en la formación
de la austenita se combina con el hierro, formando carburo de
hierro (Fe3C), también llamado "cementita". Este compuesto es
resistente pero quebradizo, de tal modo que si en tal estadio se
hiciera una espada, ésta resultaría muy resistente pero quebradiza a
temperatura ambiente. Simultáneamente, en este mismo proceso de
enfriamiento lento, la austenita se transforma en "perlita", que
consiste en la alternación de capas de ferrita suaves (pobres en
carbón) y capas de cementita. La estructura de la ferrita es una
estructura cúbica centrada en el cuerpo, y consiste en la disposición
de un átomo de hierro en cada una de las esquinas de un cubo y un
átomo en el centro del mismo cubo (Figura 9). El proceso seguido
garantiza una distribución homogénea de 1.5 a 2.0% de carbón en el
acero. Ahora se pasa a la forja.
Forjado. Probablemente éste sea el paso crucial en el proceso que
lleva a una "verdadera" espada de Damasco. He aquí el
procedimiento. El material obtenido de acuerdo al paso anterior se
somete a calentamiento hasta una temperatura entre 650°C y 850°C,
entre rojo sangre y rojo cereza dirían los antiguos forjadores,
causando su reblandecimiento al punto de poder ser conformado
mediante martillo y yunque. Atendiendo al punto de vista
microscópico, lo que está ocurriendo en esta etapa es el
rompimiento de la red construida por la cementita, transformándola
en simples cúmulos de este compuesto, de modo tal que aporta su
característica de resistencia alta pero se disminuye su característica
quebradiza al restringirse a cúmulos aislados.
Templado. Para terminar con la reproducción de una espada de
Damasco, sólo nos resta revisar el proceso de templado.
Después del forjado, la hoja de la espada se encuentra ya
conformada pero la estructura del material es de ferrita, lo cual
quiere decir que es muy resistente pero no lo suficientemente dura.
La dureza requerida se le dará mediante este procedimiento: se
calienta la hoja hasta una temperatura ligeramente superior a 727°C
y se le enfría bruscamente hasta llegar a la temperatura ambiente,
para lo cual resulta ideal sumergirla simplemente en agua.
Figura 9.
Figura 10.
Lo que ha ocurrido al elevar la temperatura a 727°C es que se ha
alcanzado la temperatura a la cual la ferrita centrada en el cuerpo
empieza a transformarse en "austenita" centrada en las caras (Figura
8), y al enfriarla bruscamente (templarla) se detiene la
transformación hacia "perlita", quedando los cristales de hierro con
estructura centrada en el cuerpo en forma tetragonal (Figura 10) en
vez de cúbica.
Esta nueva estructura, llamada martensítica, contiene la resistencia
de la ferrita (centrada en el cuerpo) y aloja a los átomos de carbón
como la austenita. En consecuencia, dará origen a un material
resistente y duro para satisfacer las necesidades humanas que exijan
estas características. El misterio de las espadas de Damasco se ha
despejado.
En un párrafo anterior, al seguir la receta del esclavo sacrificado,
comentamos que de seguirse el procedimiento propuesto se
obtendrá una espada resistente pero quebradiza, y esto tenía
relación con la temperatura de templado (sol naciente en el
desierto). Pues bien, lo que ocurre si se trabaja por encima de
850°C es que se propicia nuevamente una disolución de la
cementita en la austenita, provocando que el material en conjunto
sea muy quebradizo.
El conocer o no los más íntimos secretos de las espadas de
Damasco no impidió o limitó siquiera que la humanidad diera uso
al acero. Esta aleación, hija de la casualidad o del empirismo (lo
mismo da), ha resultado ser uno de los materiales más utilizados
por el hombre. El dominio de la tecnología para producirlo en
forma controlada pronto se tradujo en cambios sociales profundos,
pues sus características físicas permitieron la fabricación de
maquinarias más complicadas, estructuras más resistentes, procesos
en los que intervenían condiciones más difíciles de obtener,
etcétera.
Lo que propiamente se puede llamar tecnología del acero tuvo sus
inicios en los albores del siglo XIX, y alcanzó su consolidación
alrededor de 1861, con la invención de hornos que permitieron su
producción masiva y la sucesión vertiginosa y abundante de nuevas
aleaciones a base de este material.
La primera de ellas fue la obtenida a nivel experimental por
Faraday, al fundir una mezcla de acero y níquel y una mezcla de
acero y cromo, lo que ocurrió alrededor de 1819. Posteriormente se
obtuvo el acero al tungsteno en 1858, y diez años más tarde, el
acero al manganeso, que ha resultado ser una aleación con
propiedades idóneas para la fabricación de herramienta. Ya en
1877, se obtiene el acero al cromo.
Cada una de estas aleaciones posee características que permiten su
utilización de manera específica, y podríamos escribir muchísimo
acerca del desarrollo que ha tenido este material, al punto de que
aún en la actualidad, a más de un siglo de su surgimiento, se
continúa trabajando intensamente en las aleaciones del acero.
Existen programas de investigación tendientes a resolver el
problema de la creación de aceros especiales, ya sea que se busque
obtener mayor resistencia mecánica de éstos, mayor dureza o
flexibilidad, o se busquen aleaciones que resistan temperaturas cada
vez más elevadas con objeto de obtener materiales que vengan a
resolver problemas en aeronáutica, en perforación de pozos
petroleros o extracción de petróleo, o que se trate de producir
materiales más resistentes a la corrosión por salinidad o acidez,
etcétera.
El cuadro 4 muestra los elementos principales que se utilizan para
realizar aleaciones con acero, y los efectos que se obtienen.
Para dar una idea de la rápida evolución e influencia que el acero y
sus aleaciones tuvieron hacia finales del siglo pasado, cabe
mencionar que entre 1870 y el fin de ese siglo, la producción
mundial de acero aumentó de 500 000 a 28 000 000 de toneladas y,
por otra parte, generó el surgimiento de un sinnúmero de
tecnologías.
Cuadro 4.
Elementos Funciones principales
Aluminio
º Desoxida
eficazmente
º Restringe el
crecimiento del
grano1
Cromo
º Aumente la
resistencia a la
corrosión y a la
oxidación
º Aumenta la
templabilidad
º Añade
resistencia a
altas
temperaturas
º Resiste la
abrasión y el
desgaste
Cobalto
º Contibuye a
conservar la
dureza a alta
temperatura
Manganeso
º Contrarresta
la fragilidad
debida al
azufre
º Aumenta la
templabilidad
Molibdeno
º Eleva la
temperatura
del inicio del
crecimiento del
grano
º Favorece el
endurecimiento
desde la
superficie
hacia el
interior del
material
º Contrarresta
la tendencia a
la fragilidad
º Aumenta las
resistencias a
alta
temperatura, a
la fluencia y la
dureza a alta
temperatura
º Mejora la
resistencia a la
corrosión en
aceros
inoxidables
º Forma
partículas
resistentes a la
abrasión
Níquel
º Hace
resistentes los
aceros no
templados o
recocidos
Fósforo
º Aumenta la
resistencia del
acero al bajo
carbón
º Aumenta la
resistencia a la
corrosión
º Mejora la
maquinabilidad
en los aceros
de cortado
libre
Silicio
º Desoxidador
de propósito
general
º Elemento de
aleación para
láminas
eléctricas y
magnéticas
º Mejora la
resistencia a la
corrosión
º Hace
resistentes los
aceros de baja
aleación
Titanio
º Reduce la
dureza y
templabilidad
en aceros al
cromo
Tungsteno
º Forma
partículas
duras y
resistentes a la
abrasión en
acero para
herramientas
º Promueve la
dureza y la
resistencia a
altas
temperaturas
Vanadio
º Eleva la
temperatura de
inicio de
crecimiento del
grano
º Aumenta la
templabilidad
º Produce
endurecimiento
1 Se entiende por "grano" la región de un sólido que tiene la
misma orientación cristalográfica. De esta manera, el sólido
estaría formado por muchos granos que difieren en orientación
cristalográfica, y cuando todos los granos que constituyen un
sólido tienen la misma orientación cristalográfica, se tiene un
monocristal.
Como muestra, vale la pena mencionar la construcción del Crystal
Palace en el año de 1854, y la construcción de la Torre Eiffel en
1889 (Figura 11), que trajo consigo el diseño y construcción de
ascensores eléctricos y, por supuesto, el diseño y construcción de
una nueva maquinaria que permitiría dar nuevas formas y encontrar
aplicaciones novedosas a este material.
LA QUÍMICA
En la época en que el acero empezó a producirse masivamente,
surge también el desarrollo vertiginoso de la química orgánica, que
condujo al hombre a la explotación de uno de los recursos más
importantes de nuestro tiempo: el petróleo.
A continuación revisaremos de manera muy breve la evolución de
la química, que ha hecho posible que estemos a finales del siglo XX
viviendo la "edad del plástico". Los orígenes más remotos de la
química los encontramos en la explotación de las salinas y la
fabricación de colorantes, perfumes y sustancias medicinales a
partir de la extracción de sustancias activas de las plantas.
Figura 11.
Figura 12.
Posteriormente se tiene la época alquimista, cuyo objetivo más
conocido era encontrar la piedra filosofal, sustancia mágica que
permitiría transmutar los metales, curar todas las enfermedades y
rejuvenecer al individuo. Con esos fines, se hicieron algunas
contribuciones importantes al conocimiento, como por ejemplo, el
"aceite de vitriolo", el cual se obtenía de "vitriolo verde" —
compuestos, que en el lenguaje actual, son ácido sulfúrico y sulfato
ferroso, respectivamente (Figura 12).
Pero no se puede hablar de química propiamente dicha sino a partir
de los experimentos de Joseph Black y Joseph Priestley, entre 1754-
1774, consistentes en la obtención de bióxido de carbono y de
oxígeno, respectivamente. (Este último, mediante calentamiento del
óxido rojo de mercurio.) Desde entonces, la evolución de la
química hasta nuestros días ha sido vertiginosa. En ella se pueden
distinguir tres etapas: la química mineral, que se inicia con la
fabricación del ácido sulfúrico concentrado y el carbonato sódico;
la química orgánica, que tiene como objeto de estudio el carbono,
por lo que también se le denomina "carboquímica", y cuyo
desarrollo histórico se ubica en el siglo XIX; y ya en pleno siglo XX,
la petroquímica, que consiste en el estudio sistemático del gas
natural y el petróleo.
Como se mencionó antes, de la primera etapa se tiene la obtención
del ácido sulfúrico a nivel industrial, que se realiza mediante la
quema de azufre y nitrato de potasio en un recipiente suspendido en
un gran globo de vidrio parcialmente lleno de agua. Este
procedimiento se ha venido modificando hasta llegar a un proceso
continuo de fabricación. El carbonato sódico necesario para la
fabricación de jabones inicialmente se obtenía de las cenizas de
algas marinas y posteriormente fue sujeto a un procedimiento a
escala industrial, consistente en convertir la sal común en sulfato
sódico mediante el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado.
Dicho procedimiento, desarrollado por Leblanc, no entró en
operación hasta los albores del siglo XIX (1807).
Paralelamente, se desarrolló la industria del vidrio, dando origen a
la fabricación de vidrios para lentes, microscopios, etc., de modo
que el vidrio pasó de ser un objeto de lujo a un objeto de uso
común. La necesidad de nuevas composiciones de vidrios para
funciones diversas obligó a que los silicatos se estudiaran de
manera más sistemática.
En 1868 se inició la fabricación industrial de cloro a través del
proceso ideado por el inglés Henry Beacon. En este proceso, el
cloro se obtiene del ácido clorhídrico gaseoso.
La segunda etapa de la carboquímica nació a principios del siglo
XIX, con el surgimiento de la industria del gas para alumbrado,
cuyos subproductos más importantes fueron colorantes artificiales,
fármacos y perfumes, que vinieron a sustituir a los extraídos de la
naturaleza.
La combustión incompleta de la hulla produce coque y alquitrán.
Este último compuesto tiene una gran diversidad de derivados, que
se emplean en aplicaciones igualmente variadas: el ácido fénico, de
gran utilidad para desinfectar heridas e instrumental médico; la
aspirina, la sacarina, sulfamidas y otras drogas de uso en medicina.
La industria de los materiales plásticos y de fibras sintéticas utiliza
derivados del alquitrán para producir baquelita, nylon, rayón, etc. El
trinitrotolueno (TNT) es otro derivado del alquitrán.
La tercera etapa se mezcla con el final de la segunda, mediante la
sustitución progresiva de la carboquímica por la petroquímica,
proceso en el cual el petróleo surge como combustible alrededor de
1859, y hay que esperar hasta el siglo XX para que a partir de su
destilación se empiecen a obtener destilados como el propano, del
cual a su vez se obtiene la acetona. A partir de 1920,
aproximadamente, el petróleo sustituye al carbón como combustible
y como materia prima en la industria química orgánica.
Si la destilación fraccionada de la hulla proporcionó al hombre
tantos y tan útiles compuestos, los procesos desarrollados en la
petroquímica y las soluciones a las demandas humanas obtenidas de
ellas son literalmente pasmosas, sobre todo cuando un análisis a las
entrañas de estos compuestos nos muestra que estamos frente a
moléculas gigantes o macromoléculas, y lo impactante, lo pasmoso
y a la vez lo obvio es que justamente con ellas, con las moléculas
grandes, es con las que la humanidad ha vivido y se ha desarrollado
desde siempre. Los organismos vivientes trabajan con
macromoléculas, la naturaleza misma se desarrolla mediante
macromoléculas, de modo tal que parece que desde siempre nos ha
estado diciendo, nos ha estado sugiriendo, que intentemos ese
camino, del que nos ocuparemos en el capítulo siguiente.
I I I . P O L Í M E R O S Y
S E M I C O N D U C T O R E S
COMO se mencionó en el capítulo anterior, el siglo XX parece traer
consigo la optimación de los productos de las industrias del carbón
y del petróleo. En este desarrollo, como en muchos otros o la
totalidad, para ser más precisos, es la propia naturaleza quien
sugiere los pasos iniciales y es el ingenio del hombre el que permite
y da lugar a desarrollos que son realmente impresionantes. En la
naturaleza existe de manera abundante el elemento carbono, que es
la base de lo que denominamos materia orgánica. Este elemento
tiene la capacidad de combinarse con él mismo y con otros
elementos en series continuas, de modo que se crean moléculas
muy grandes. De hecho, la vida misma no hubiera sido posible sin
esta capacidad del carbono, puesto que toda la materia viviente está
formada por moléculas gigantes. De hecho, cuando comemos, lo
que hace nuestro organismo es absorber moléculas gigantes de
proteínas, disolverlas y transformarlas en otras moléculas también
gigantes para alimentarnos. Tratando de imitar a la naturaleza, el
hombre ha aprendido a crear moléculas gigantes en el laboratorio y,
de manera industrial, sustituir a las materias orgánicas que se
utilizan en la vida cotidiana. A estas cadenas de moléculas creadas
en el laboratorio se les denomina polímeros sintéticos, que han
hecho posible que sustituyamos en la actualidad materiales tales
como la seda, la lana, la piel, la goma, la madera y distintas fibras
vegetales; materiales que inicialmente, de una u otra manera, han
sido provistos por la propia naturaleza.
Desde cierto punto de vista, hemos sustituido o acelerado el trabajo
del gusano de seda, el proceso de trasquila del borrego y el trabajo
de los telares.
¿INORGÁNICO VS. ORGÁNICO?
Para poder comprender cómo el hombre ha llegado a reproducir
algunas de las propiedades y características de la materia viviente,
resulta indispensable el revisar aunque sea de una manera muy
rápida el desarrollo de la química, esbozado en los párrafos
anteriores.
A principios del siglo XIX, la humanidad contaba con los
conocimientos siguientes: en 1754, en Edimburgo, Joseph Black
había logrado extraer bióxido de carbono (gas) de la piedra caliza,
quedando como residuo cal, la que al quedar expuesta al aire
reabsorbía el mismo gas, volviendo a transformarse en piedra
caliza. Aquí había, por una parte, un indicio de que el aire contenía
bióxido de carbono y, por otra, la evidencia de un proceso
reversible. El propio Black logró descomponer la molécula de
carbonato de calcio (CaCo3) en dos moléculas más pequeñas, —cal
(CaO) y bióxido de carbono (C02)—, para volverlas a unir y
obtener de nuevo CaCO3.
Alrededor de veinte años más tarde Joseph Priestley obtuvo "un aire
extraño" en presencia del cual las velas ardían vivamente y las
brasas de leños o carbón desprendían llamas. Este aire extraño era
el oxígeno.
Poco tiempo después Henry Cavendish descubrió el "aire
inflamable", gas que se desprendía al atacar metales con ácido y
que al combinarse con el "aire extraño" producía, en presencia de
una chispa, una explosión y unas gotas de agua en las paredes del
recipiente que había alojado a los gases. Este "aire inflamable" es lo
que hoy conocemos por hidrógeno, y lo que ocurrió durante la
explosión fue la síntesis de la molécula de agua (H20). Sin
embargo, no se tenía aún conciencia de la existencia del hidrógeno
y el oxígeno como elementos, y menos aún se sabía la manera en
que se combinaban éstos para formar un compuesto: el agua.
Hubo de revisarse entonces lo que la humanidad había desarrollado
y hablar nuevamente de los átomos de Demócrito y de las teorías de
Robert Boyle, que sostenía que la materia podía estar compuesta de
muchos "corpúsculos" en movimiento, y volver a considerar las
ideas de Newton acerca de que la materia podía estar compuesta por
"partículas sólidas, macizas, duras, impenetrables y móviles". Así,
en los albores del siglo XIX, John Dalton y Joseph Proust, cada uno
por su cuenta, lograron demostrar que algunos elementos químicos,
al combinarse con otro cualquiera, lo hacen de tal manera que las
cantidades de ambos intervienen siempre en proporción a sus pesos
y serán siempre múltiplos enteros uno del otro, lo cual, sugirió
Dalton, es explicable sólo si se supone que los elementos están
formados por átomos.
Amadeo Avogadro establece claramente la diferencia entre átomo y
molécula, siendo ésta la unión de varios átomos.
En esta época, se descubrieron muchos elementos hasta entonces
desconocidos, realizándose todo tipo de reacciones químicas, pero
siempre con materiales minerales, con lo no vivo: agua, sales,
metales y gases, sustancias compuestas por moléculas pequeñas,
formadas por pocos átomos. La mayoría de estas moléculas se
podían descomponer en sus elementos, preparar compuestos con
ellos y casi siempre hacerlas intervenir en procesos reversibles.
Mientras tanto, los materiales del mundo vivo, la madera, los
azúcares, las grasas, aceites, etc., seguían en el misterio y apenas se
sabía que lo que tenían en común era ser combustibles, carbonizar y
tomar parte en procesos químicos irreversibles. Antoine Lavoisier
se dio a la tarea de investigar estos productos de manera sistemática
y en esa labor quemó sus objetos de experimentador dentro de una
campana, encontrando que invariablemente se producía bióxido de
carbono y agua, de lo que dedujo que deberían contener carbono e
hidrógeno; pronto se descubrió que entre los residuos había oxígeno
y nitrógeno. Más y más experimentos con sustancias orgánicas
llevaron a la conclusión de que todas ellas, a pesar de sus notorias
diferencias y sin importar su complejidad, estaban compuestas en lo
fundamental sólo por un conjunto de cuatro elementos: carbono
(C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno (N), los cuales ya
habían sido aislados de los compuestos del mundo no vivo.
Puestas las cosas así, el camino a seguir estaba trazado; había que
combinar, con los procedimientos adecuados, los cuatro elementos
CHON para producir lo que la naturaleza ponía en nuestras manos:
seda, madera, azúcares, etc. Mucho se intentó y poco o nada se
obtuvo, incluso hasta llegó a pensarse en la existencia de algo extra,
un elemento misterioso que recibió el nombre de "fuerza vital" y
que poseían sólo los compuestos de los mundos animal y vegetal y
del que la naturaleza había privado al mundo mineral. Esta
tendencia llegó a cobrar tal importancia que hasta el propio Jacob
Berzelius, a quien se debe la distinción entre la química orgánica y
la inorgánica, la notación atómica por símbolos y el descubrimiento
del selenio, llegó a compartir tal idea y a pensar que entre la
química de la materia viviente (la orgánica) y la inorgánica existía
un abismo infranqueable. Este fue tal vez el origen de un reto más
para el intelecto humano: ¿sería posible franquear tal abismo?
DE LO INORGÁNICO A LO ORGÁNICO
Como suele suceder, fue un discípulo de Jacob Berzelius quien dio
el primer paso para salvar el abismo que alguna vez mencionara su
maestro. En 1828, Friedrich Wohler, trabajando con una solución
de cianato de plata y cloruro de amonio, ambos compuestos
inorgánicos, obtuvo cianato de amonio, el cual después de
calentado, produjo cristales transparentes e incoloros que resultaron
idénticos en su composición química a la urea, principal compuesto
orgánico de desecho en la orina. De inmediato escribió a Berzelius:
"Debo decir que puedo hacer urea sin la intervención de un riñón
animal, sea de hombre o de perro." ¡Se había sintetizado el primer
compuesto orgánico fuera de un organismo vivo! ¡La química y la
biología se habían unido!
El abismo empezaba a ser salvado; la teoría de la fuerza vital se
tambaleaba y los logros de los investigadores se sucedían uno a otro
con mayor frecuencia. Adolph Kolbe sintetiza el ácido acético, que
antes sólo se encontraba en el vinagre o en destilados de madera y,
de pronto, como resultado del trabajo tenaz que caracteriza a los
investigadores científicos, surgen los primeros compuestos
artificiales. Marcellin Berthelot "fabrica" sustancias grasas
parecidas a las grasas naturales, ninguna de las cuales se hallaba en
la naturaleza.
Nuevamente se estaba frente a resultados espectaculares sin que se
supiera bien a bien qué estaba sucediendo, es decir, sin tener una
teoría que explicara lo obtenido. La respuesta la encontraron Joseph
Gay-Lussac y Berzelius en lo que éste llamo "isómeros" ('partes
iguales'), concepto que puede resumirse en lo siguiente: un grupo
idéntico de átomos de los mismos elementos puede formar
compuestos químicos muy diversos, dependiendo de la manera en
que se encuentren colocados en la molécula. Consecuentemente,
mientras mayor sea el número de átomos en un compuesto, mayor
es el número de sus isómeros. De esta manera fue posible entender
que el cianato de amonio y la urea, isómeros en fórmula CH4N2O,
eran 10 mismo, de modo que lo observado por Wohler fue que el
calor aplicado al cianato sirvió para reacomodar los átomos para
producir urea.
Gay-Lussac hizo otra observación importante: en algunos
compuestos (cianuro de hidrógeno (HCN), por ejemplo) hay
conjuntos de átomos (la pareja carbono-hidrógeno en este caso) que
ante determinadas reacciones químicas pasan de un compuesto a
otro sin separarse, es decir, se comportan como si fueran un solo
átomo. A estos conjuntos de dos o más átomos que permanecen
fielmente unidos a través de las reacciones químicas les llamó
"radicales" (raíz, en latín).
A Jean Baptiste Dumas le tocó encontrar la riquísima veta de los
compuestos del carbono que aún continuamos explotando. Hizo
reaccionar cloro con varias sustancias orgánicas y descubrió en el
átomo de cloro la capacidad de sustituir átomo por átomo al
hidrógeno. Intentó hacer lo mismo con los parientes directos del
cloro, es decir con bromo y yodo y obtuvo resultados similares, de
lo que concluyó que en los compuestos orgánicos los elementos
pueden ser sustituidos por otros, produciéndose familias de
compuestos de carbono que, a pesar de su parentesco, son muy
diferentes entre sí.
Ilustremos estas ideas con un ejemplo muy simple. Uno de los
hidrocarburos (compuesto de hidrógeno y carbono) más sencillos es
el metano, conocido por la mayoría de las personas por ser el
componente principal del combustible para calefacción en el hogar.
Contiene un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno. Si se
hace uso de la ley de sustitución de Dumas y se sustituye uno de los
hidrógenos por un cloro, el metano (CH4) cambia a clorometano
(CH3CI), que es útil como refrigerante y es totalmente inútil como
combustible.
Si en vez de tres de los hidrógenos del metano se ponen tres cloros,
se obtiene el triclorometano, que no es otra cosa que el cloroformo
anestésico. Finalmente, si en vez de los cuatro átomos de hidrógeno
del metano se colocan cuatro cloros, lo que resulta es un compuesto
cuyas propiedades lo hacen útil para extinguir incendios, para quitar
manchas y como poderosísimo solvente, cuyo nombre científico es
tetracloruro de carbono (CCl4).
Este ejemplo pone en claro la trascendencia de la química del
carbono en favor de la satisfacción de las demandas de la
humanidad, pero la permanente inquietud y el quehacer científico
ha ido más allá y no le ha satisfecho al hombre el que algo
funcione, que le sea útil; quiere, necesita, exige conocer cómo
ocurren las cosas, por qué suceden, para con estas respuestas
continuar sirviendo a la humanidad, satisfaciendo sus demandas.
Las preguntas centrales por contestar en la segunda mitad del siglo
XIX eran: ¿Cómo se eslabonan los átomos de las moléculas
orgánicas y qué reglas siguen? ¿Cómo se reflejarán estas reglas en
las propiedades? ¿Por qué es posible ir sustituyendo hidrógeno por
cloro y obtener compuestos con propiedades tan diversas? ¿Se
podrá continuar haciendo sustituciones?
Las primeras respuestas fueron proporcionadas por el entonces
joven químico francés Friedrich August Kekulé, en un artículo
publicado en la revista alemana Anales de Química en 1858. El
artículo tiene como título: "Sobre la constitución y metamorfosis de
los compuestos químicos y sobre la naturaleza química del
carbono." Kekulé tomó como punto de partida las ideas expuestas
en 1852 por Edward Frankland, en las que éste señalaba que cada
especie de átomo sólo puede combinarse con un determinado
número de otros átomos, según su "aptitud" (valencia) para
combinarse.
Con esto, todo cobra sentido: un átomo de hidrógeno que tiene
valencia uno, sólo puede combinarse con otro átomo más; el
carbono con valencia cuatro puede combinarse con otros cuatro
átomos, etc. Así, podemos imaginarnos al átomo de carbono como
una esferita con cuatro brazos que le servirán para enlazarse
(combinarse) con los otros átomos para formar compuestos.
Veamos cómo funciona este modelo y demos comienzo por la
molécula más simple de la que habíamos hablado párrafos atrás: el
metano.
Como ya se mencionó, la molécula de metano está formada por un
átomo de carbón y cuatro átomos de hidrógeno (CH4), y se
encuentra representada en la figura 13, donde se aprecia que cada
uno de los cuatro brazos del carbono se entrelaza con el brazo
disponible del hidrógeno, no dejando posibilidad alguna de otra
combinación. Los átomos de carbono pueden combinarse con
cualquier otro átomo, pero tienen una cierta "predilección" por
hacerlo con sus semejantes, con otros carbonos, de modo tal que
cuando las condiciones les son propicias se unen a otros átomos de
carbono haciendo cadenas larguísimas de este elemento.
Figura 13. Metano.
Pensemos ahora en dos átomos de carbono. Estos utilizarán uno de
sus brazos para unirse entre sí, quedándole a cada uno tres brazos
libres para otras uniones (Figura 14).
Figura 14. Unión de dos átomos de carbono.
Si estos brazos los ocupan para unirse con hidrógenos, se tendrá un
esquema similar al de la figura 15, que en forma condensada se
puede escribir como C2H6, fórmula que representa al etano, un gas
que se encuentra en la naturaleza.
Figura 15. Etano.
Si agregamos ahora otro carbono, quedan 8 enlaces (brazos) libres,
ya que el carbono del centro tendrá ocupados dos de sus brazos en
ligarse con los carbonos vecinos. Al ocuparse los brazos restantes
con hidrógenos, lo que resulta es el gas propano (C3H8),
representado en la figura 16, que tal vez sea el más conocido de los
hidrocarburos, pues forma parte de la mezcla gaseosa que
generalmente se usa en las cocinas.
Figura 16. Propano.
De esta manera, se puede continuar con este proceso para formar
innumerables hidrocarburos, pero el carbono es más versátil y no
sólo se combina con él mismo y con el hidrógeno, sino que lo hace
con muchos otros elementos y de maneras diversas. Un átomo de
carbono, incluso, puede unirse con otro átomo de carbono
utilizando dos o hasta tres de sus brazos, dando como resultado
compuestos distintos. En la figura 17 se muestra el esquema de un
enlace doble entre carbonos. Al saturarse cada brazo libre del
carbono con hidrógeno, se obtiene el etileno, compuesto que
proporciona la naturaleza en el petróleo y el gas natural.
Figura 17. Etileno.
Figura 18. Acetileno.
En la figura 17 se muestra el esquema de un enlace doble entre
carbonos. Al saturarse cada brazo libre del carbono con hidrógeno,
se obtiene el etileno, compuesto que proporciona la naturaleza en el
petróleo y el gas natural.
Cuando dos átomos de carbono ocupan tres de sus brazos para
unirse entre sí y saturan el brazo que les queda libre con hidrógeno
(Figura 18), se tiene un compuesto altamente explosivo que recibe
el nombre de acetileno.
Antes de pasar a discutir algunos ejemplos de combinaciones con
otros átomos distintos del hidrógeno, hagamos la siguiente
pregunta: ¿Las uniones en los hidrocarburos, necesariamente harán
cadenas lineales? La respuesta es NO y, de hecho, al establecerse
cadenas no lineales las propiedades de los compuestos resultan
harto distintas, a tal punto que se pueden distinguir claramente dos
grupos o familias: la familia de las grasas, que comprende
compuestos como ceras, jabones, glicerina, lubricantes, detergentes
y alcoholes, denominados alifáticos, cuya unidad básica es el
metano. La otra es la familia de los aromáticos, que son compuestos
extremadamente volátiles, reactivos, muy olorosos y cuyo elemento
básico es el benceno, molécula en forma de anillo con seis átomos
de carbono que se ligan entre sí por enlaces simples y dobles en
forma alternada, saturando sus brazos libres con hidrógenos (Figura
19), y cuya expresión condensada es C6H6
Es innegable que el mundo de las moléculas compuestas por
átomos de carbón e hidrógeno (hidrocarburos) es amplio y de gran
utilidad para la humanidad, pero en la naturaleza están presentes
otros muchos elementos, de tal forma que cuando éstos se
combinan con los hidrocarburos, el espectro de posibilidades de
nuevos compuestos para emplearse en las más diversas aplicaciones
es realmente enorme.
Para nosotros, habitantes del planeta Tierra en el final del siglo XX,
este mundo de los plásticos nos resulta harto familiar, al punto que
ni siquiera somos conscientes de la enorme cantidad de objetos y
productos que tienen su origen en el petróleo, y nos resulta
sorprendente cuando nos enteramos de que el acetato de rayón, el
acrilán, el dacrón o el orlón usados en la fabricación de prendas de
vestir; el acetato de etilo o el alcohol etílico utilizados como
disolventes de lacas y la aspirina o las sulfas que alguna vez
habremos tomado para reestablecer nuestra salud son todos ellos
derivados del etileno (C2H4), el cual es un gas incoloro e inodoro.
Sin duda alguna todos y cada uno de nosotros hemos tenido entre
nuestras manos recipientes de plástico para muy diversos usos y
habremos observado que unos son mas rígidos que otros,
característica que se aprovecha para su aplicación, pues mientras
que los recipientes rígidos se utilizan generalmente para envasar
líquidos muy ligeros, los que no lo son se destinan para sustancias
un tanto "pastosas" como la salsa de tomate, la mostaza, el champú,
etc., en los cuales el deformar la botella contribuye a que el
contenido salga más fácilmente.
Figura 19. Benceno.
Pues bien, ambos recipientes están hechos de lo mismo: polietileno.
Su composición química es la misma y, sin embargo, su
comportamiento es distinto. Surge de inmediato la pregunta: ¿Qué
es entonces lo que hace la diferencia en el comportamiento de este
material?
En repetidas ocasiones hemos insistido en la importancia que en un
material tiene la estructura, y este es un ejemplo claro. Lo que hace
la diferencia en el comportamiento mecánico (y térmico también)
entre ambos tipos de polietileno, es la manera en que se juntan sus
cadenas moleculares, cada una de las cuales se forma por la unión
de miles de monómeros de etileno. De aquí proviene su nombre:
polietileno (poli: muchos).
Los polímeros son moléculas formadas mediante la repetición
sucesiva de un mismo grupo de átomos. A este grupo de átomos se
le denomina monómero.
El polietileno rígido tiene sus moléculas no ramificadas (Figura
20(a)), mientras que el polietileno que se presenta más flexible tiene
sus moléculas en cadenas ramificadas (Figura 20(b)), lo cual impide
que las moléculas gigantes se alineen en filas compactas, dando
como resultado un plástico que, además de ser más flexible, es
menos denso y más maleable al calor.
Con el ejemplo anterior, se pone en evidencia que en el
comportamiento y características de un plástico en su presentación
final no sólo es importante la composición química de los
materiales que intervienen, sino también la forma de la cadena y el
alineamiento de la misma.
En un polímero, los monómeros que lo constituyen se unen entre sí
como los eslabones de una cadena y, como en ésta, existen
posibilidades de ramificarse, cerrarse, enlazarse, alinearse, etc.
Dependiendo de la manera como estén hechos los eslabones, la
cadena puede ser flexible o rígida (Figura 21). Estas posibilidades
de estructura de la cadena polimérica y las combinaciones que se
obtengan es lo que dará las propiedades del polímero en su forma
final.
Figura 20.
Figura 21.
Figura 22.
Figura 23.
Esto da lugar a una verdadera ingeniería de moléculas y abre la
posibilidad de diseñar y construir materiales (en este caso
poliméricos) a la medida, al gusto del consumidor, adecuados a la
demanda de la humanidad.
Ejemplifiquemos con el polietileno que, como mencionamos
párrafos atrás, es una molécula de las más pequeñas y simples en el
inmenso mundo de los hidrocarburos. Si con ella hacemos una
cadena no ramificada como la que se muestra en la figura 20(a),
obtendremos polietileno de baja densidad y flexible, cuyo punto de
fusión se encuentra alrededor de los 134°C, ideal para ser utilizado
en la fabricación de las bolsas que nos suministran en cualquier
tienda de autoservicio.
Si a esta cadena le ponemos ramificaciones como las mostradas en
la figura 20(b), pero sin permitir que éstas lleguen a unir una parte
de la cadena principal con otra, entonces lo que se obtiene es un
polietileno con punto de fusión ligeramente menor y, finalmente,
cuando las ramificaciones llegan a unir dos regiones de la cadena,
entonces se obtiene una elevación del punto de fusión hasta de
200°C aproximadamente. Pero aún hay otra posibilidad: si las
moléculas de polietileno se alinean como lo muestra la figura 21(a),
entonces lo que se obtiene es polietileno de alta densidad, con punto
de fusión alto y mayor rigidez mecánica.
Resulta evidente que el espectro de aplicaciones es amplísimo y
más aún si exploramos la posibilidad de incorporar otras moléculas
y combinarlas entre sí. Tal es el caso de la mezcla poliestireno-
polietileno que origina una cadena desalineada como la mostrada en
la figura 21(b) y que por sus características resulta ideal para la
fabricación de juguetes, implementos caseros y tantos objetos de
uso común hoy en día.
Para finalizar este capítulo y con el propósito de mostrar la gran
variedad de aplicaciones de los hidrocarburos, en la figura 22 se
muestra un diagrama de los principales compuestos obtenidos de la
refinación del petróleo.
La figura 23 muestra esquemáticamente algunos productos
derivados del benceno. Obsérvese, por ejemplo, que la aspirina
forma parte de ellos, al igual que la resina de fibra de vidrio.
DE LA MANO CON LOS POLÍMEROS
Decíamos que en este siglo ha sido impresionante la manera en que
se desarrollaron los polímeros, cuyos primeros productos tuvieron
su origen en el siglo pasado. En forma prácticamente paralela se
desarrollaron los semiconductores, que en la actualidad son
dispositivos de uso totalmente generalizado. Podríamos decir que
no existe un solo lugar en el mundo urbano o aun rural donde no
estén presentes.
La primera observación importante sobre semiconductores se debe
a Michael Faraday, quien observó, en 1833, que a diferencia de los
metales, en general buenos conductores de la electricidad y cuya
resistencia aumenta al aumentar la temperatura, el sulfato de plata
presentaba un decremento en resistencia al aumentar la temperatura.
Pocos años más tarde, en 1839, Becquerel observó que al iluminar
la superficie de ciertos materiales aparecía un voltaje, lo que vino a
complementarse con la observación de W. Smith en 1873 sobre la
reducción de resistencia en el selenio al ser iluminado, fenómeno
conocido como fotoconductividad. Un año más tarde se da a
conocer el hecho de que en ciertos materiales la relación lineal entre
el voltaje y la corriente, conocida como ley de Ohm, no se cumple,
sino que ésta depende tanto de la magnitud como del signo del
voltaje aplicado. Es decir, se está frente al fenómeno de
rectificación. F. Braun lo observa en contactos entre metales y
varios sulfatos o sulfuros como la galena y las piritas y A. Schuster
lo encuentra en contactos entre conductores de cobre opacos y
brillantes.
La conductividad eléctrica, en general, se ha logrado explicar en
términos de la movilidad de los electrones en el material. Así, por
ejemplo, en un cristal metálico, los electrones de valencia (los más
externos de cada átomo) no están atados a un sitio particular en la
red cristalina sino que son libres de moverse a través del cristal.
Esto da cuenta del porqué los metales son buenos conductores
eléctricos. Por otra parte, en los cristales covalentes como el
diamante, por ejemplo, los electrones de valencia están ocupados en
establecer las ligaduras que determinan la estructura del cristal y
por tanto no están libres para moverse; consecuentemente, no hay
cargas disponibles para la conducción y los materiales así formados
son aislantes. Algo similar ocurre con los cristales iónicos como el
cloruro de sodio (NaCl), por ejemplo, en el que no hay cargas libres
de moverse y el NaCl sólido es un aislante. Sin embargo, cuando se
funde la sal, los iones dejan de estar atados a los sitios del cristal y
pueden moverse; entonces, el NaCl fundido es un buen conductor.
Otro hecho importante es la dependencia que observa la
conductividad de todos los materiales con la temperatura. Para los
aislantes aumenta con la temperatura, mientras que para los buenos
conductores disminuye cuando la temperatura aumenta.
LOS SEMICONDUCTORES
Como lo implica el nombre, la resistividad eléctrica de un
semiconductor es intermedia entre la de un buen conductor y la de
un buen aislante, pero como lo mencionamos, este es sólo uno de
los aspectos interesantes de estos materiales.
Ejemplificaremos estos materiales con los casos más simples: el
germanio y el silicio. Ambos elementos tienen cuatro electrones en
su capa electrónica más externa y cristalizan en estructura de
diamante (Figura 24). Como puede observarse, cada átomo está en
el centro de un tetraedro regular ligado por covalencia con cuatro
vecinos cercanos en las esquinas, de modo tal que sus cuatro
electrones externos están ocupados y por tanto los materiales
deberán ser aislantes.
Figura 24.
Sin embargo, las ligaduras de estos átomos se rompen muy
fácilmente, de modo que con una pequeñísima cantidad de energía
es posible liberar electrones para que deambulen por la red
cristalina. Al arrancar de la ligadura covalente uno de estos
electrones, se genera un agujero de electrón que lucirá como una
carga positiva, agujero que de inmediato será ocupado por otro
electrón de un átomo vecino, generando de nuevo otro agujero y así
sucesivamente, de modo tal que los agujeros viajarán por la red
cristalina dando origen a una corriente de agujeros. Obsérvese que
esta corriente se ha generado por medio de la adición de energía al
sistema y no ha habido adición de cargas, de modo que el número
de electrones es igual al número de agujeros y, no obstante, hay
corriente eléctrica. Por ello, a esta conductividad se le denomina
conductividad intrínseca.
Un símil útil para entender la conducción en un semiconductor es el
siguiente: imaginemos un cristal sin ligaduras rotas, como un
estacionamiento de automóviles completamente lleno. En sus pisos
inferiores ningún auto (electrón) se puede mover pues no tiene a
donde ir. De pronto, un automóvil del primer piso ocupado decide
subir a alguno de los pisos superiores donde sí hay espacio, y puede
moverse libremente. Entonces, se ha creado un hueco que pasará a
ocupar otro automóvil, el que a su vez dejará un hueco. Si
observamos los huecos, nos parecerá que son éstos los que se están
moviendo. Si agregamos a nuestra analogía la condición de que los
automóviles sólo pueden ocupar algunos niveles específicos en el
estacionamiento debido a que, por ejemplo, ciertos pisos están
reservados para el dueño del edificio y por tanto son niveles
prohibidos, habremos añadido el concepto de cuantización del
sistema, creando un modelo de bandas de energía que consta de
grupos de niveles energéticos separados por "bandas prohibidas".
Esto fue, grosso modo, lo que propuso A. H. Wilson en 1931 como
modelo para un sólido semiconductor intrínseco, que vino a ser la
culminación de todo un conjunto de investigaciones anteriores.
En 1888, H. Hertz demuestra la existencia de las ondas de radio,
descubrimiento que genera la demanda de detectores adecuados
que, después de 16 años de búsqueda, son hallados en los
semiconductores de contacto puntual, tales como galena, carburo de
silicio, telurio, silicio, etc. Se encontró que los detectores de silicio
eran los más estables, y los de galena los más sensibles.
Los tubos al vacío (bulbos), que también se desarrollaron en la
misma época, tuvieron un progreso vertiginoso, relegando a los
semiconductores hasta 1920, cuando surgieron los rectificadores de
óxido de cobre y la fotocelda, que encontraron aplicaciones
industriales inmediatas en cargadores de baterías, exposímetros
para fotografías, moduladores y elementos no lineales en circuitos
electrónicos. Sin embargo, no se tenía un conocimiento claro de su
funcionamiento, lo que hubo de esperar hasta el advenimiento de la
mecánica cuántica y las aplicaciones de ésta al estudio de los
sólidos. Con esta poderosísima herramienta fue posible explicar
que, por ejemplo, la rectificación y el fotovoltaje son fenómenos de
superficie que ocurren en la interfase de dos semiconductores o
entre un semiconductor y los contactos metálicos; mientras que el
mecanismo de conductividad eléctrica da origen al coeficiente de
resistividad de temperatura negativa y al cambio de resistencia bajo
iluminación (fotoconductividad), que son propiedades que derivan
del cuerpo como un todo y no sólo de la superficie.
Los experimentos de C. J. Davisson y L. H. Gerner y los de G. D.
Thomson, que condujeron a demostrar la naturaleza ondulatoria de
los electrones, los conceptos de niveles de energía con un electrón
por nivel, espín electrónico, principio de exclusión de Pauli y
estadística de Fermi-Dirac, fueron de gran ayuda para que A.
Sommerfield y colaboradores lograran esclarecer la conducción
eléctrica en los metales. El concepto de electrón como onda de
Bloch en un cristal fue definitivo para entender el comportamiento
de los electrones en todo tipo de sólidos.
LAS IMPUREZAS OTRA VEZ PRESENTES
En páginas anteriores vimos cómo una pequeña cantidad de carbón
adicionada al hierro dio origen al acero, que resultó ser más versátil
que el hierro mismo. Algo similar ha ocurrido con los
semiconductores intrínsecos: una pequeña cantidad de un elemento
ajeno aumenta la conductividad eléctrica en relación con la
conductividad del elemento puro.
Si al germanio fundido se le agrega una cantidad pequeña de
arsénico y se deja solidificar la mezcla, ocurre lo siguiente: el
arsénico tiene cinco electrones en su capa más externa y una carga
eléctrica de 33 veces la carga del electrón en su núcleo, mientras
que el germanio tiene cuatro electrones externos y 32 veces la carga
del electrón en su núcleo, de modo que, siendo tan similares los
átomos, el arsénico puede sustituir al germanio en la red cristalina,
ocupando cuatro de sus electrones de valencia en ligarse
covalentemente a sus cuatro vecinos cercanos, quedando
prácticamente suelto el quinto electrón disponible para participar en
la conductividad eléctrica. Por supuesto que además existe la
conductividad producida por los agujeros que describimos con
anterioridad, pero ciertamente es minoritaria comparada con la de
los electrones de la impureza y por esta razón se dice que el
material es un semiconductor tipo n, de impurezas negativas o
donadores.
Si en vez de utilizar arsénico para "envenenar" al germanio
utilizamos galio, que tiene sólo tres electrones en su capa más
externa, lo que ocurre es que le "roba" un electrón a su vecino más
cercano, creando un agujero de electrón, generándose una situación
completamente equivalente a la de la conductividad intrínseca, pero
ahora generada por una impureza. A este tipo de semiconductores
se les denomina tipo p, de impurezas positivas o aceptadores. La
variación del contenido de impurezas se traduce en el control de la
conductividad en un semiconductor, y la combinación de éstos hace
posible la realización de muchas funciones que en el pasado se
realizaban mediante tubos al vacío (bulbos), con las ventajas de
reducción considerable de tamaño, mejor aprovechamiento de la
energía y robustez mecánica.
Después del descubrimiento del transistor en 1948, la tendencia
mundial ha sido la miniaturización de los componentes
electrónicos, lo cual permite hacer cada vez más especializados los
equipos. El ritmo al que se ha desarrollado esta miniaturización es
realmente impresionante, como puede deducirse de los datos
siguientes: para 1960, la línea más estrecha que podía trazarse en un
circuito era de 30 micrómetros, es decir treinta millonésimos de
metro. Veinticinco años después, es posible trazar un ancho de sólo
medio micrómetro (.5 ) que equivale a una ciento cincuentava
parte del grueso de un cabello humano. Esto ha permitido la
construcción de chips que contienen más de 100 000 transistores
para la realización a alta velocidad de operaciones lógicas en las
computadoras, y chips para almacenar hasta 16 millones de bits de
información (un bit o dígito binario es la unidad fundamental de
información en computadoras y es equivalente al resultado de
escoger entre dos alternativas excluyentes: "sí" o "no", "prendido" o
"apagado").
I V . L O S M A T E R I A L E S
H O Y
LA INVESTIGACION sobre materiales es en nuestros días una de las
disciplinas más cultivadas. En este libro he querido hacer énfasis en
el aspecto social que presenta la ciencia-ingeniería de materiales. A
lo largo del mismo se ha comentado con insistencia que en la
actualidad la ciencia-ingeniería de materiales se enfoca a la
satisfacción de las demandas de la humanidad mediante la creación
de materiales hechos a la medida. Consecuentemente, el estado
actual de la investigación atiende tanto a necesidades de la
humanidad de orden muy general como a requerimientos muy
particulares de ciertas comunidades.
En el primer caso se obtienen resultados universalmente aplicables
y en el segundo soluciones de importancia local y que pudieran
tener poco sentido para otra comunidad.
Son muchos los ejemplos útiles para dar un panorama general sobre
el estado actual y las perspectivas de la ciencia-ingeniería de
materiales. De entre ellos he escogido tres temas de gran relevancia
a nivel mundial y que actualmente se desarrollan con muy buen
éxito en los laboratorios del Instituto de Investigaciones en
Materiales de la Universidad Nacional Autónoma de México (IIM-UNAM).
ALEACIONES CON MEMORIA DE FORMA
La primera vez que uno escucha que un pedazo de material ha
"aprendido" algo, no puede menos que prepararse a escuchar algún
cuento tradicional o de ciencia ficción en el que los objetos
inanimados se mueven por sí solos, hablan y aprenden. La
disposición a escuchar la fantasía se incrementa cuando se nos
afirma que, una vez que el material ha aprendido algo, es capaz de
recordarlo. Sin embargo, nuestra curiosidad por dicha narración se
convierte en curiosidad científica cuando podemos presenciar el
experimento siguiente: Una cinta de material similar al latón, en
forma de semicírculo, se aproxima a una flama. Pronto empieza a
enderezarse hasta tomar la forma de una regla, es decir, ahora está
recta. A continuación se le sumerge en un vaso que contiene agua y
súbitamente se curva para tomar su forma inicial de semicírculo. El
experimento se repite una y otra vez, y la cinta invariablemente
"recuerda" que cuando está en presencia de una flama (60°C) debe
estar recta, y que cuando está expuesta al ambiente (20°C) debe
tomar la forma de semicírculo.
Si ahora se nos preguntase el nombre que le asignaríamos a tan
sorprendente fenómeno, estoy seguro que el más apropiado sería:
"memoria de forma doble", pues el material guarda memoria de las
formas que debe adoptar cuando se encuentre a dos temperaturas
bien determinadas. ¿Qué es lo que provoca que el material se
comporte de esta manera?
Microscópicamente, el llamado efecto memoria de forma consiste
en el desplazamiento de los átomos en ciertas aleaciones cuando
éstas se enfrían bruscamente. Técnicamente se trata de un cambio
de fase denominado transformación martensítica, de la cual ya se
habló en este libro al tratar el "misterio" de los aceros de Damasco.
Cuando hablamos sobre ellos, mencionamos como responsable de
su dureza a un proceso de transformación de una fase estable a alta
temperatura (austenítica) a otra fase, generalmente metaestable,
llamada martensítica, que ocurre como consecuencia del
enfriamiento brusco. Esta transformación tiene la particularidad de
llevarse a efecto sin difusión, es decir, sin migración de moléculas.
Lo que ocurre es simplemente un desplazamiento de átomos en
forma organizada, de modo que la estructura cristalina se modifica.
Si bien fue el acero el primer material en el que se observó este tipo
de transformación, no es el único en el que ocurre, y tal proceso
cobra particular significación cuando se observa en aleaciones no
ferrosas como níquel-titanio, en la que se traduce en el efecto
memoria de forma. Además, en estas aleaciones es posible obtener
la transformación martensítica no sólo mediante cambios de
temperatura sino también por esfuerzo mecánico Considérese, por
ejemplo, una tira (plaqueta) de la aleación níquel-titanio en fase
austenítica (A) a la temperatura T1 Figura 25 (a)). Mediante
enfriamiento rápido pasemos la muestra a su fase martensítica (M)
y tendremos la (Figura 25 (b)), en la que la tira tendrá la misma
forma geométrica pero estará en una fase distinta (martensítica) y a
temperatura T2. Si en esta fase y a la temperatura T2 se aplica un
esfuerzo creciente, la plaqueta se deformará en dos etapas: primero
de manera elástica, para continuar deformándose por reorientación
de granos de diferente orientación cristalográfica (Figuras 25 (c) y
25 (d)). En esta segunda etapa se llegan a obtener deformaciones
hasta de un 10% sin que se inicie la deformación plástica del
material. Al retirar el esfuerzo la muestra se encuentra en las
condiciones siguientes: en fase martensítica, deformada en relación
con su forma original, sin esfuerzo externo y a temperatura T2. Si
ahora se eleva la temperatura de T2 a T1, lo que ocurre es que la
plaqueta regresa a su fase austenítica y recobra su forma original
(Figura 25 (e)). Dicho de otra manera, el material recuerda la fase y
forma que tenía a la temperatura T1, y de aquí el nombre de
fenómeno de "memoria de forma simple".
Existe además el fenómeno de "memoria de forma doble", que
consiste en que el material recuerda tanto la forma geométrica
observada en la fase austenítica o fase a alta temperatura, como la
de la fase martensítica o de baja temperatura, de tal modo que
siempre que el material se encuentre a la temperatura T1 tomará la
forma que "aprendió" en tal condición y ocurrirá lo mismo a la
temperatura T2.
En el cuadro 5 se muestran ejemplos de la gran variedad de
aplicaciones que habrá de tener este fenómeno. (Este cuadro fue
tomado del artículo "Aleaciones con memoria de forma" del doctor
David Ríos Jara, aparecido en la revista ICYT, noviembre de 1987.)
Figura 25.
Cuadro 5. Aplicaciones tecnológicas de las aleaciones con
memoria de forma.
Aplicación Aleación ( es ) Observaciones
EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE
Fusibles térmicos Cu-Zn-Al
Cu-Zn-Ni
Rearmables
Rearmables
Detectores y
accionadores de
dispositivos de
control térmico
(alambres contra
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
El elemento con
memoria de forma
puede efectuar las
dos funciones al
mismo tiempo
incendios, por
ejemplo)
Detectores de
calentamiento
excesivo de celdas
en cuñas
electrolíticas
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
Elimina la detección
manual
Anillos de
ensamblaje rápido
de tubería
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
Elimina la necesidad
de soldadura en
tubería submarina
(Ti-Ni).
Procesos
económicos
Barras de
tratamiento de
escoliosis severas
(desviaciones de la
columna vertebral)
Ti-Ni
Implantable en el
cuerpo humano
Aleación inerte
Grapas para ligadura
de Trompas de
Falopio
Ti-Ni
Contracepción
Dispositivos
diversos para
ortopedia
Ti-Ni
Aleación
inerte. Buena
resistencia mecánica
Antenas
autodesplegables
para satélites
Ti-Ni Ya han sido
utilizadas
DOBLE EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE
Controles térmicos
de flujo de agua o
gas
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
Válvulas térmicas
Relevadores
térmicos
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
No necesitan ser
rearmables
Motores de estado
sólido
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
De baja eficiencia
pero económicos y
de mantenimiento
simple
Alambres para guías
de fibras ópticas
Ti-Ni Ayudan a la
introducción de una
fibra óptica en el
interior del cuerpo
humano
Sistemas de abertura
automática de
aereación
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
Invernaderos,
automóviles, etc.
PSEUDOELASTICIDAD
Resortes con
geometrías diversas
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
Aplicaciones de alta
tenacidad
AMORTIGUAMIENTO
Partes de aviones y
automóviles
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
Se han usado
también en cohetes
militares
Sistemas de
reducción de ruido
Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni
Cubren el espectro
audible
BIOMATERIALES
La pérdida de un miembro o parte del organismo es sin duda alguna
uno de los eventos que más ha preocupado a la humanidad desde
siempre. Consecuentemente, son muchos los esfuerzos que ésta ha
hecho para remediar estas pérdidas, desarrollando implantes o
prótesis como medios correctivos sustitutos del miembro natural.
Los materiales más apropiados para estas funciones han tenido que
investigarse en términos no sólo de la función que habrán de
realizar sino del medio en el que estarán y de su interrelación con el
resto del organismo.
La ciencia médica ha conseguido con éxito el trasplante de órganos,
sustituyendo el órgano dañado por otro igual, perteneciente a otra
persona. La ciencia de materiales, por su parte, ha hecho posible la
sustitución de elementos vivos por elementos artificiales y así es
como hemos oído hablar —o la hemos experimentado— de la
implantación de un pedazo de hidroxiapatita en sustitución de un
hueso o de la colocación de una válvula cardiaca construida con
titanio y nylon en vez de una válvula "original". Esta rama de la
ciencia-ingeniería de materiales que se ha desarrollado en apoyo
directo a la vida recibe en nuestros días una gran atención a nivel
mundial. El cuadro 6 muestra en forma resumida algunos de los
dispositivos para implantes que actualmente están en proceso de
prueba para su aplicación real, o tienen ya un uso generalizado.
En México, esta rama de la ciencia-ingeniería de materiales no se
ha desarrollado en forma organizada, si bien los esfuerzos aislados
de algunos laboratorios y de investigadores independientes han
logrado ciertos éxitos.
Cuadro 6. Dispositivos de implante en uso o probados, su función y
los biomateriales empleados.
Dispositivo Función Biomaterial
SISTEMAS SENSORIALES Y NERVIOSOS
Humor artificial
vítreo
Llenar la cavidad vítrea
del ojo
Esponja de silicón
teflón: pologliceril
metacrilato (PGMA)
Prótesis de córnea Proprociona una vía
óptica a la retina
Polimetil metacrilato
(PMMA); hidrogel
Lentes intraoculares Corregir problemas
causados por
cataratas
PMMA (lentes); nylon,
polipropileno, Pt, Ti, Au
(aros)
Ducto artificial del
saco lagrimal
Corregir la obstrucción
crónica
PMMA
Trompa de Eustaquio
artificial
Propiciar tránsito de
ventilación pura
Goma elástica de
silicón, teflón
Tubulación nerviosa Poner en línea recta
diversos nervios
Membrana de silicón,
metales quirúrgicos
porosos
Prótesis oído medio Reemplazar huesos
dañados del oído
medio
PMMA; hilo metálico;
proplast (PTEE+fibra de
carbón); biovidrio
Guías percutáneas Conducir potencia o
electricidad a
dispositivos sensoriales
Nylon o dacrón
terciopelado, PMMA
Prótesis auditivas,
prótesis visuales
Restauración de oído y
visión
Alambres y electrodos
de Pt y Pt-Ir; electrodos
de Ta-Ta2O5, acero
inoxidable, goma
elástica de silicón; PMMA
Analgesia eléctrica Eliminar dolor crónico Alambres y electrodos
de Pt y Pt-Ir; electrodos
de Ta-Ta2O5, acero
inoxidable, goma
elástica de silicón; PMMA
Control eléctrico de
ataque epiléptico
Conducir señales
eléctricas al cerebro
El mismo
Estimulación frénica Control de la
respiración
eléctricamente
El mismo
Control de vejiga Estimular la liberación
de lavejiga
El mismo
CORAZÓN Y SISTEMA CARDIOVASCULAR
Estimulación al
miocardio y
endocardio
(marcapasos de
corazón)
Mantener el ritmo
cardiaco
Acero inoxidable,
contenedores de Ti,
goma elástica de silicón,
cera epoxy encapsulada;
electrodos de Pt o
aleaciones Pt-Ir
Desviaciones
crónicas y catéteres
Auxiliar en
hemodiálisis
Polietileno,
revestimientos
hidrofilicos
Válvulas cardiacas Reemplazar válvulas
enfermas
Aleaciones Co-Cr;
carbón isotrópico a baja
temperatura, injertos
porcinos; aleaciones de
Ti con silastic o discos
de carbón pirolítico
Prótesis arteriales y
vasculares;
componentes
artificiales del
corazón; dispositivos
auxiliares del corazón
Reemplazar arterias
dañadas y vasos
sanguíneos; reemplazar
el corazón
Segmentos de
poliuretano, goma
elástica de silicón o ejes
de carbón pirolítico con
mallas de dacrón;
heparina +GBH o TGBH
revestimientos sobre
teflón o goma elástica
de silicón; PHEMA
revestidas con
polímeros; dacrón
terciopelado, fieltros y
tejidos; tejidos de
poliolefinas (TP), TP con
superficie de gelatina
enlazada transversal; tan
sólo teflón (PTFE)
REPARAR Y REEMPLAZAR EL ESQUELETO
Cadera total artificial,
rodilla, hombro,
codo, carpo, etc.
Reconstrucción artrítica
o fractura de
articulaciones
Vástagos: acero
inoxidable 316L;
aleaciones T-Al-V;
aleaciones ahuecadas de
Co- Cr-Mo-Ni;
polietileno de alta
densidad; "cemento"
PMMA; alúmina de baja
densidad; polímero
poliacetal;
recubrimientos de
metal-carbón pirolítico;
recubrimiento de metal-
biovidrio;
politetrafluoroetileno
poroso (PTFE);
recubrimientos de PTFE-
carbón sobre metal;
fibras de PMMA-carbón,
polvos compuestos de
PMMA-cervital; acero
inoxidable poroso; Co-
Cr; Ti y aleaciones de Ti
Placas de hueso,
tornillos, alambre
Reparar fracturas Acero inoxidable 316L;
aleaciones Co-Cr; Ti y
aleaciones de Ti; fibra
compuesta de
polisulfona-carbón; fibra
compuesta de biovidrio-
metal; compuesto de
ácido poliláctico-ácido
poliglicólico
Clavos
intramedulares
Alinear fracturas El mismo
Varillas Harrington Corregir la curvatura
crónica de la espina
El mismo
Miembros del cuerpo
artificiales
implantados
permanentemente
Reemplazar
extremidades perdidas
El mismo, además de
nylon o dacrón
terciopelados sobre
silastic para tejido suave
con crecimiento interno
Separadores y
extensores
vertebrales
Corregir deformidades
congénitas
Al2O3
Fusión espinal Inmovilizar vértebras
para proteger la médula
espinal
Biovidrio
Estimulación
funcional
neuromuscular
Controlar músculos
eléctricamente
Electrodos de Pt, Pt-Ir;
silicón; aislamiento de
teflón
DENTAL
Reposición de hueso
alveolar,
reconstrucció
mandibular
Restaurar el soporte
alveolar para mejorar la
dentadura adecuada
PTFE carbón compuesto
(proplast); Al2O3
poroso; cervital; HEMA
hidrogel-relleno, apatita
porosa; fosfato
tricálcico; copolímero
PLA/PGA; biovidrio,
apatita densa
Implantes de
reemplazo de dinetes
(aletas, anclas,
espirales,cilindros en
forma natural o con
base modificada)
Reemplazar dientes
enfermos, lesionados o
no existentes
Acero inoxidable,
aleaciones Co-Cr-Mo,
Ti y aleaciones de Ti
Al2O3, biovidrio,carbón
LTI, PMMA, proplast,
aluminato de calcio
poroso, mineral de
MgAl2O4, carbono
vítreo, hicroxiapatita
densa
Implantes de
reemplazo o de
dientes subperiósticos
Soportar el puente de
trabajo o directamente
dientes sobre el hueso
alveolar
Acero inoxidale,
aleación de Co-Cr-Mo,
recubrimientos de
carbón LTI
Anclas ortodónticas Proporcionar postes
para la aplicación del
esfuerzo requerido para
cambiar deformidades
Biovidrio bañado de
Al2O3; biovidrio bañado
de Vittalium
PRÓTESIS PARA RELLENO DE TEJIDO BLANDO
Contorno de cara y
prótesis de relleno
(nariz, oreja, mejilla)
Reemplazar tejido
enfermo, traumatizado
o con tumores
Goma elástica de silicón
(silastic), polietileno,
PTFE, silicón fluido,
fluido de colágeno
disuelto
Prótesis mamarias Reemplazar o aumentar
el seno
Gel y goma elástica de
silicón, tejido de dacrón,
esponja hydrón
Hueso para defectos
craneales y prótesis
de reconstrucción
máxilofacial
Rellenar defectos Resina acrílica curada-
uniforme; acero
inoxidable, aleación Co-
Cr, lámina de Ta,
polietileno y uretano
poliéster cubierto de
tereftalato de
poloetileno recubierto
de malla tejida
Cartílago articular
artificial
Reemplazar los
cartílagos deteriorados
por artritis
Hidrogel PVA
cristalizado y polímeros
de poliuretano; PFTE con
fibras de grafito
(proplast)
MISCELÁNEA DE TEJIDO SUAVE
Uretra, vejiga y pared
intestinal artificiales
Reemplazar tejido
dañado
Teflón, nylon-
poliuretano compuesto;
pericardio tratado de
bovino; banda elástica
de silicón
Piel artificial Tratamiento en
quemaduras severas
Colágeno procesado;
membrana de silicón
ultradelgada de espuma
de policaprolactona
(PCA); película PCA
compuesta
Desviación
hidrocefálica
Propiciar el drenaje y
reducir la presión
Cinta elástica de silicón
Parches suaves Reparar hernias Acero inoxidable, malla
de dacrón
Desviaciones internas Propiciar el acceso
rutinario a las unidades
de diálisis
Colágeno modificado;
silastic
Desviaciones
externas
Propiciar el acceso
rutinario para diálisis
Silastic-teflón o dacrón
Suturas Mantener el contacto
suave para ayudar
a la cicatrización
Acero inoxidable, cera,
nylon, PGA, dacrón,
cuerda de tripa,
polipropileno
Sistemas de
liberación de drogas
Reemplazar drogas
progresivamente;
inmovilizar enzimas
Cinta elástica de silicón,
hidrogels de copolímero
etileno-acetato de vinilo;
PLA/PGA polisacáridos-
polímeros de vinil
Tráquea artificial Reconstrucción de la
tráquea
Malla de dacrón poroso-
poliéster uretano, malla
de Ta, esponja Ivalon y
malla de polipropileno
Tal es el caso de la producción de prótesis mamarias para uso
externo, cuyo proceso fue desarrollado en el Instituto de
Investigaciones en Materiales de la UNAM ante los requerimientos
presentados por el Grupo RETO, A.C., como parte de su programa
de rehabilitación física y psicológica de mujeres con mastectomía
(extirpación del seno por tumor canceroso). Desafortunadamente, el
número de mujeres en México que tiene que sujetarse a una cirugía
de esta naturaleza alcanza la cifra de 5 000 a 6 000 por año.
En este tipo de cirugía, aparte del daño físico resultado de la propia
operación, se presenta un daño psíquico severo que impone la
necesidad del uso de una prótesis. Los precios de éstas son lo
suficientemente elevados como para quedar fuera del alcance de
ciertos estratos socio económicos.
En la actualidad, a nivel mundial, existen prótesis mamarias tanto
para uso interno como externo. Las primeras, claro está,
proporcionan una solución más de fondo, y son el resultado de una
tecnología más avanzada tanto de materiales como desde el punto
de vista médico, y por consiguiente, tienen un precio más elevado
que las segundas. Éstas, por su parte, observan características en
cierta manera opuestas, lo que representa enormes ventajas
económico-sociales.
La figura 26 muestra los moldes que fueron diseñados y construidos
para obtener los prototipos de la prótesis de uso externo y la
prótesis misma, la cual es de poliuretano espumado.
Además de este tipo de prótesis, y como resultado de crecientes
investigaciones sobre los materiales, se ha seguido trabajando en
forma multi e interdisciplinaria en la obtención de prótesis y
dispositivos internos a base de silicón para el tratamiento de
enfermedades muy diversas.
Figura 26.
LOS SUPERCONDUCTORES "CALIENTES"
Durante el proceso de elaboración de este libro, se dio a conocer el
resultado de una investigación científica que ha conmocionado al
mundo. Se trata de un fenómeno "viejo": la superconductividad
(véase pp. 75-77 del volumen 3 de La Ciencia desde México) con
un material "nuevo": las cerámicas. Lo que se ha obtenido son
materiales cerámicos superconductores de alta temperatura de
transición.
El "viejo" fenómeno de superconductividad (descubierto en 1911
por Heike Kamerlingh Onnes) se manifiesta fundamentalmente en
dos hechos experimentales, a saber:
— Un material superconductor es aquel que, en una temperatura
determinada, presenta una resistencia eléctrica igual a cero.
— En el estado superconductor el material se comporta como un
diamagneto perfecto, es decir, se opone a que un campo magnético
penetre en él (efecto Meissner).
Las temperaturas a las que se había observado este fenómeno eran,
hasta 1986, menores a 24 K (249°C por debajo de la temperatura de
congelación del agua), lo cual representaba enormes dificultades
tanto para observarlo como para utilizarlo en aplicaciones prácticas
a costos razonables, ya que la única manera de alcanzar tan bajas
temperaturas es mediante helio líquido, que exige una tecnología
muy sofisticada tanto para obtenerlo como para manejarlo.
Así pues, aunque las posibles aplicaciones de la superconductividad
fueron advertidas desde el descubrimiento mismo del fenómeno, su
utilización se veía muy remota, y quedó como gran reto para la
ciencia de los materiales y como gran demanda de la humanidad el
encontrar materiales superconductores a temperatura lo más alta
posible, incluso a la temperatura ambiente.
En su intento por satisfacer esta demanda, la humanidad ha dado los
pasos que se muestran en la gráfica 1, en la que es fácil observar
que en 64 años (de 1911 a 1973) se logró un incremento de tan sólo
20 grados (de 4.2 K a 23.4 K), mientras que, tan sólo en 13 años
(1973 a 1986), ¡se logró un incremento de aproximadamente 67
grados! El avance ha sido enorme, espectacular, sobre todo si se
toma en consideración que ahora sólo se requiere enfriar el material
a la temperatura del nitrógeno líquido (-196°C) para obtener una
resistencia igual a cero en el material, así como expulsión del
campo magnético.
Gráfica 1.
Por otra parte, no deja de llamar la atención que los materiales que
ahora se conocen como "de alta temperatura de transición" son
materiales cerámicos, los cuales tradicionalmente se han venido
utilizando como aislantes. ¿No son acaso de porcelana los aislantes
utilizados en las líneas de alta tensión? ¿Y no es la porcelana una
cerámica?
Los mecanismos responsables del fenómeno de superconductividad
en estos nuevos materiales no han sido hasta la fecha debidamente
dilucidados, y con toda seguridad habrán de llevarse a cabo muchas
investigaciones para explicar lo que está ocurriendo en estas
cerámicas superconductoras a alta temperatura. Ya se vislumbra
que los mecanismos no son idénticos a los que dan lugar a la
superconductividad de baja temperatura, y la cantidad de preguntas
que están surgiendo en torno a este nuevo fenómeno es enorme:
¿Será posible encontrar otros materiales que sean superconductores
a temperaturas más elevadas? ¿Serán éstos los superconductores
supercalientes? ¿Será acaso posible llegar a temperatura ambiente?
Las aplicaciones que se suponían posibles cuando el fenómeno sólo
se observaba a baja temperatura, ¿seguirán como expectativas
válidas para estos nuevos superconductores?
En nuestro país se realizan investigaciones tendientes a
proporcionar las respuestas a estas preguntas. La figura 27 muestra
la levitación magnética producida por el efecto Meissner. Los
superconductores que aparecen en la fotografía son cerámicas de
Y1Ba2Cu3O7-, elaboradas en el Instituto de Investigaciones en
Materiales de la UNAM.
Figura 27.
V . L O S M A T E R I A L E S E N
E L E S P A C I O
CON bastante frecuencia se suelen escuchar enconadas discusiones
sobre los enormes recursos que las grandes potencias destinan a
programas de desarrollo de investigaciones y tecnologías altamente
especializadas y cuyo beneficio práctico no parece estar muy
cercano para la humanidad como un todo; consecuentemente surgen
preguntas como las siguientes: ¿En qué beneficia a la humanidad el
que los Estados Unidos o la Unión Soviética (lo mismo da) hayan
puesto un hombre en la Luna? ¿Cuál es el beneficio práctico que se
obtiene de los llamados viajes espaciales? Tal vez no sea ésta la
primera ocasión en que surgen tales cuestionamientos; acaso éstos u
otros equivalentes se dieron cuando las expediciones a las Indias o
cuando se pretendía que el hombre volara o pudiera penetrar en las
profundidades del océano. Sin embargo, una cosa es clara: entonces
como ahora, los beneficios directos o inmediatos pertenecen sólo a
quienes emprenden tales aventuras y cabe hoy en día preguntar:
¿Ha resultado la humanidad beneficiada por tales hechos?
¿Cuestionaríamos hoy a quienes los realizaron entonces?
En mi opinión, el mundo de nuestros días está fuertemente influido
por esos desarrollos y la humanidad ha resultado muy beneficiada
por ellos. Por otra parte, es imposible negar que algunas
aplicaciones han sido altamente nocivas. ¿Quién puede negar que la
contaminación de la atmósfera o de las aguas es debida en buena
medida a tantos y tantos desarrollos tecnológicos? ¿Quién puede
ver con buenos ojos el que una de las primeras aplicaciones de la
fisión nuclear haya sido la destrucción de seres humanos o que el
avión, tan útil para transportar alimentos, pasajeros, elementos de
auxilio, etc., también se utilice para transportar destrucción?
Considero importante hacer notar que, en términos generales, los
avances logrados por el hombre siempre le han reportado un
beneficio. El que en ocasiones se haga un uso antihumanitario de
estos avances es una cuestión de índole moral o ética, pero que de
ninguna manera debe imponer limitaciones al conocimiento
humano y a su labor creativa. Hagamos votos para que seamos
capaces de usar nuestros propios descubrimientos para beneficio de
la humanidad, y aceptemos el reto de que algunos avances
científicos y tecnológicos puedan traer consigo consecuencias
nocivas.
LA INVESTIGACIÓN AEROESPACIAL
Los conocimientos adquiridos y las tecnologías generadas como
consecuencia inmediata de la investigación y el desarrollo
aeroespaciales ya están influyendo en la vida cotidiana de gran
parte de los habitantes del orbe. Los materiales que se han
desarrollado pueden clasificarse en dos grandes grupos:
1) Los que se han desarrollado para poder enfrentarse a las
condiciones a las que se ven sujetos los vehículos, individuos e
instrumentos en este tipo de viajes, y
2) Aquellos que se han "fabricado" en esas condiciones.
1. Materiales desarrollados para aplicaciones espaciales
Uno de los problemas más serios en los vuelos en general y
particularmente en los espaciales es el de la estructura de la nave;
dicho de otra manera, la resistencia mecánica que debe tener el
vehículo para soportar las velocidades, aceleraciones, impactos y
esfuerzos a los que habrá de verse sujeto. También deben tomarse
en cuenta factores como las temperaturas y presiones que
encontrará en su recorrido, y el factor igualmente importante del
propio peso de la nave.
Fibras de carbón/grafito. Estas consideraciones y otras similares
fueron las que condujeron al desarrollo de las fibras compuestas de
carbón/grafito.
El carbón es el elemento número 6 en la tabla periódica de los
elementos, su peso atómico es 12.011, tiene dos isótopos (núcleos
con igual número de protones pero números distintos de neutrones)
y tradicionalmente se le conocen tres formas alotrópicas
(presentaciones): diamante, grafito y carbón amorfo.
En el grafito monocristalino, que es la forma alotrópica que nos
interesa por ahora, los átomos se encuentran dispuestos en arreglos
hexagonales que se superponen unos sobre otros para formar una
secuencia periódica del tipo A B A B A... Los átomos que se
encuentran en un mismo plano (ya sea A o B) están unidos muy
fuertemente entre sí, mientras que la unión entre átomos de planos
distintos contiguos (A con B) es mucho más débil. Ésta es la razón
por la cual el grafito se presenta en forma de láminas delgadas, lo
que lo hace tan útil para la fabricación de puntillas para lápices. El
espaciamiento entre cada uno de los planos laminares (planos
basales) de la estructura de grafito es de 0.355 micrones.
La investigación destinada a la producción de materiales
aeroespaciales ha producido el llamado grafito turbostático, que es
un material muy similar al grafito monocristalino excepto porque
sus planos basales no tienen un empaquetamiento regular en
relación con el eje perpendicular, y porque la distancia promedio
entre los planos basales es alrededor de mil veces menor (0.34
nanómetros).
Con este conocimiento fundamental sobre la estructura del carbón y
del grafito ha sido posible "diseñar" materiales con las propiedades
adecuadas para satisfacer las condiciones tan severas del espacio
exterior y del vuelo mismo, El secreto está en conseguir que los
planos laminares del grafito se alineen paralelos al eje de la fibra.
Y... ¿cómo conseguir las fibras de grafito?
¿Acaso será muy difícil?... Aquí tienen la receta:
El proceso consiste en utilizar una base orgánica (llamada
precursor) que debe tener un alto porcentaje de átomos de carbón.
Mediante calor y la aplicación de tensiones se liberan todas las
fracciones volátiles para dejar sólo los átomos de carbón y ¡ya está!
Se obtiene un compuesto carbón/fibra de grafito. Sólo me resta dar
los detalles de los precursores y lo hago a continuación para uno de
ellos: las fibras de rayón, particularmente las que llevan los
nombres comerciales Thornel-50 y Thornel-75, que son producidas
por Unión Carbide. En atmósfera inerte se las expone a una
temperatura de entre 2 700 y 2 800°C y en esa condición se les
sujeta a cargas tensiles y se les estira y comprime a efecto de alinear
los planos en una dirección paralela al eje de los filamentos. Estas
fibras resultan irregulares en cuanto a su forma, y su diámetro va de
5 a 50 micrones.
Las propiedades específicas de cada fibra dependen básicamente
del precursor particular del cual se hayan obtenido y del proceso
utilizado. Así, por ejemplo, la resistividad eléctrica puede variar
desde un intervalo de 800 a 1 200 ohm-cm para fibras carbonizadas
entre 1 500 y l 700°C hasta uno de 150 a 200 ohm-cm si la
temperatura de carbonización es de 2 800°C. En términos generales
se puede decir que las fibras de compuestos carbón/grafito ofrecen
una combinación de propiedades de bajo peso, alta resistencia
mecánica y rigidez muy superiores a las ofrecidas por los materiales
fibrosos metálicos y no metálicos convencionales utilizados para
condiciones de trabajo similares en severidad.
Como se mencionó al iniciar este capítulo, el desarrollo obtenido en
la investigación aeroespacial no ha quedado limitado a estos usos
sino que ya ha producido aplicaciones que benefician a sectores
más amplios; uno de los primeros ha sido la aeronáutica civil. Muy
probablemente usted ya ha disfrutado de esos nuevos materiales, y
si en alguna ocasión ha abordado un jet DC-lO ciertamente lo ha
hecho, pues el sistema de estabilización vertical utiliza el
compuesto epóxico de fibra de grafito conocido comercialmente
como Thornel-300. Otras industrias más "terrenales" ya han
empezado a utilizar también las fibras de grafito: la industria
automotriz para aligerar los vehículos y obtener un mejor
rendimiento del combustible sin sacrificar propiedades mecánicas,
la industria de la construcción reforzando el concreto con fibras de
grafito, y hasta la industria de las bicicletas, cuyas estructuras
resultan más resistentes y ligeras si se fabrican con grafito en vez de
usar los materiales tradicionales.
Materiales cerámicos avanzados. Los materiales tradicionales
difícilmente soportan las condiciones ambientales del espacio
exterior. Los metales que en general tienen puntos de fusión altos y
por ende soportan altas temperaturas tienen también la
característica de que su densidad es alta. Los polímeros, que suelen
ser menos densos que los metales, también tienen puntos de fusión
bastante más bajos. La solución parece estar pues en los cerámicos,
y ésta es la razón por la cual han cobrado tanta importancia en los
últimos años. También fueron los materiales "más importantes" en
los primeros siglos de existencia de la humanidad. ¿Curioso, no?
La cerámica de nuestros días recibe los nombres de cerámica
avanzada o técnica o fina, y se trata de composiciones con alto
grado de pureza, constituidas por partículas ultrafinas, sinterizadas
y tratadas bajo condiciones perfectamente controladas. Su
diferencia con los materiales cerámicos tradicionales es que éstos se
basan principalmente en silicatos, mientras que la cerámica
avanzada incluye nitruros, carburos, óxidos, carbonatos, etc. Estos
materiales poseen propiedades especiales, como su alta resistencia a
la temperatura, a la corrosión y al uso, y propiedades eléctricas y
ópticas que los hacen sumamente útiles para un gran número de
aplicaciones, como se muestra en el cuadro 7.
Cuadro 7. Cerámicas finas.
Funciones Propiedades Aplicaciones
Térmicas - Refractarias
-Aislantes
-Coductoras térmicas
-Sumideros de
calor
Mecánicas - Alta resitencia
- Resistente al uso
- Baja expansión
térmica
- Lubricantes
- Herramientas
- Abrasivos
- Alabes de turbina
- Lubricantes
sólidos
- Instrumentos de
presición
Biológicas y
Químicas
- Compatibilidad
biológica
- Resistencia a la
corrosión
- Huesos
artificiales
- Prótesis
- Equipo
geotérmico y
químico
Electromagnéticas - Aislantes eléctricos
- Conductores
eléctricos
- Circuitos
integrados
- Substratos
- Sensores
industriales
Ópticas - Condensación óptica
- Fluorescencia
- Traslucidez
- Conductividad
óptica
- Diodos láser
- Diodos emisores
de luz
- Porcelanas
traslúcidas
resistentes
al calor
- Fibras ópticas
para
comunicaciones
y
dispositivos
médico-
quirúrgicos
Nucleares - Refractarios
- Resistencia a la
radiación
- Recubrimientos
de
contenedores de
combustible
- Control
El cuadro 8 muestra una clasificación de las cerámicas de alta
tecnología según la función que desempeñan.
Resulta evidente la gran cantidad de aplicaciones que ya se han
dado y las que habrán de darse utilizando estos nuevos materiales,
producto directo de la "locura" de conquistar el espacio
extraterrestre. Las motores de turbinas de gas y las herramientas de
corte son dos ejemplos claros de la utilidad de estos materiales en la
vida cotidiana de un número considerable de seres humanos.
Hacia el futuro inmediato. El desarrollo de materiales y los avances
en la tecnología de la fabricación de partes para la exploración del
espacio desempeñarán un papel fundamental en lo futuro. Para el
año 2000 habrán de desarrollarse nuevas aleaciones y materiales
compuestos para las partes estructurales, superaleaciones cerámicas
y compuestos vidriados para los sistemas de propulsión.
Metales y aleaciones. Uno de los procesos más novedosos para
preparar nuevas aleaciones es el conocido con el nombre de
solidificación rápida, que consiste en un enfriamiento
extremadamente rápido del material original desde su fase líquida a
una fase sólida en forma de polvo. Este enfriamiento suele
producirse a razón de un millón de grados por segundo. En la
actualidad este proceso ha producido aleaciones de aluminio con
rigidez específica y resistencia mecánica mayores y aleaciones de
aluminio o níquel con resistencias a la temperatura superiores a las
conocidas con anterioridad.
Otros procesos desarrollados durante la búsqueda de materiales
útiles para la exploración espacial y que son, o muy pronto serán,
de gran importancia en la vida cotidiana son el formado
superplástico, la difusión de enlaces o soldadura por estado sólido y
el formado total.
Cuadro 8.
Materiales Aplicaciones
FUNCIONES ELÉCTRICAS
Materiales aisladores
(Al2O3, BeO, MgO)
- Substratos para circuitos,
alambrados, resistores e
interconecciones electrónicas
Materiales ferroeléctricos
(BaTiO3, Sr TiO3)
- Capacitores cerámicos
Materiales piezoeléctricos - Vibradores, osciladores, filtros,
tec.
- Transductores,
humidificadores
ultrasónicos, generadores de
piezoeléctricos, de chispa, tec.
Materiales semiconductores
(BaTiO3, SiC, ZnO-Bi2O3,
V2O5
y otros óxidos de metales
de transición)
- Sensores y compensadores de
temperatura
- Elementos calefactores,
interruptores, compensadores de
temperatura, etc.
- Elementos sensores de calor
- Sensores de infrarojo
- Eliminación de ruido
- Absorbedores de variaciones
de corriente, etc.
- CdS sinterizado para celdas
solares
- SiC como calentador en hornos
eléctricos, calentadores
miniatura, etc.
- Electrolito sólido para baterías
de sodio
- ZrO2 cerámico como sensor de
oxígeno, medidor de pH
Materiales conductores
iónicos
( -Al2O3, ZrO2 )
Ferritas blandas - Cabezas para grabación
magnética, sensores de
temperatura, etc.
Ferritas duras - Imanes de ferrita, motores de
potencia fraccionada, etc.
FUNCIONES ÓPTICAS
Alúmina traslúcida - Lámparas de vapor de sodio a
alta presión
Magnesio traslúcido,
mulita, etc.
- Para tubos de iluminación,
lámparas especiales, materiales
para ventanas en el infrarojo
Cerámicas traslúcidas
Y2O3-ThO2
- Material láser
Cerámicas PLZT - Elementos de memoria
luminosa, despliegues de video
y
sistemas de almacenaje,
elementos moduladores de luz,
válvulas de luz, etc.
FUNCIONES QUÍMICAS
Sensores de gas
(ZnO, Fe2O3, SnO2)
- Alarmas para fugas de gas,
ventiladores automáticos,
detectores de flúor o carbón,
etc.
Sensores de humedad
(MgCr2O4-TiO2)
- Elementos de control de
conocimiento en hornos de
microondas, etc.
Portadores catalíticos - Portadores catalíticos por
control de emisión
Catalizadores orgánicos - Portadores de enzimas, zeolitas
Electrodos (titanatos,
sulfatos y boratos)
- Procesos fotoquímicos,
producción de cloro
FUNCIONES TÉRMICAS
Cerámicas ZrO2, TiO2 - Radiadores infrarrojos
FUNCIONES MECÁNICAS
Herramientas de corte
(Al2O3, TiC, TiN, otros)
- Herramienta cerámica,
herramienta cerment, diamante
artificial, herramienta nitrurada
Materiales resistentes al
uso
(Al2O3, ZiO2)
- Sensores de presión, selladores
mecánicos, tiralíneas cerámicos,
cojinetes, guías de tarraja
Materiales resistentes al
calor
(Al2O3, Si3N4, SiC, otros)
- Motores cerámicos, álabes de
turbina, intercambiadores de
calor, quemadores para
soldadura, crisoles para
combustión a alta frecuencia
FUNCIONES BIOLÓGICAS
Implantación de cerámica
de alúmina y biovidrio de
hidroxiapatita
- Maxilares y raíces de dinetes
artificiales, huesos artificiales
FUNCIONES NUCLEARES
Combustibles nucleares
(UO2, UO2-PuO2)
Material para revestimiento
(C, SiC, B4C)
Material para blindaje
(SiC, Al2O3, C, B4C)
El formado superplástico consiste en producir grandes cambios en
la forma del material, generalmente un metal o una aleación,
mediante altas temperaturas y bajas presiones. De hecho el material
adquiere una consistencia casi pastosa (plástica), lo que permite que
se le conforme casi a placer.
La difusión de enlaces o soldadura por estado sólido es un proceso
de unión de dos metales realizado a altas temperaturas y presión. La
unión se lleva a efecto por la difusión, a través de las superficies
que han de unirse, de los átomos de los distintos materiales. Es algo
así como utilizar los propios enlaces químicos de los materiales en
juego para hacer la soldadura.
El formado total es una técnica en la que partiendo de un material
en forma de polvo se le da su forma final comprimiéndolo contra un
contenedor de cerámica, vidrio o acero que tiene ya la forma
deseada. Se trata de una especie de rechazado a muy altas presiones
teniendo como material a un polvo.
Los nuevos materiales compuestos. Los nuevos materiales
compuestos consisten en una matriz, que lo mismo puede ser una
resina orgánica o un metal y fibras de alta resistencia que se
embeben en la matriz. Como se ha mencionado, la fibra más común
es el grafito, pero también las hay de vidrio, boro, carburo de
silicio, Kevlar (una fibra orgánica) y metales filamentarios. El papel
de la matriz es el de mantener unido el compuesto y permitir que el
material se pueda conformar en formas diversas.
Debido a la matriz, es posible diseñar el material para que tenga
propiedades tales como resistencia y rigidez. Los materiales
compuestos son más resistentes que el acero, más rígidos que el
titanio y más ligeros que el aluminio. Además ofrecen otras
propiedades importantes como resistencia a la corrosión y a las
altas temperaturas. Por estas razones son particularmente efectivos
en las estructuras espaciales, las que deben ser tanto resistentes
como ligeras. La tecnología relativa a los recubrimientos también
está recibiendo especial atención y se han desarrollado
recubrimientos de cromo, aluminio y aleaciones de itrio con hierro,
cobalto o níquel que ofrecen protección a temperaturas tan altas
como 1 700°C.
Una de las aleaciones que ha despertado mayor interés en la
actualidad para aplicaciones aeroespaciales es la de aluminio-litio,
cuya principal virtud radica en su muy baja densidad. Otras
aleaciones de aluminio, tales como aluminio-hierro-molibdeno-
zirconio funcionan suficientemente bien a altas temperaturas como
para competir con el titanio por encima de 1 000°C.
2. Materiales desarrollados en el espacio
Extraer de la Tierra los materiales que ésta nos suministra, tomar
ventaja de las propiedades de cada uno de ellos y ponerlos al
servicio del hombre es lo que puede llamarse la primera etapa en la
historia de los materiales. Violentar algunas propiedades innatas
mediante agentes externos como el golpeteo mecánico o la
temperatura fue la segunda gran etapa. La tercera etapa consiste en
combinar materiales con propiedades distintas, valiéndose de
agentes externos y obteniendo "nuevos materiales" con "nuevas
propiedades" en ocasiones superiores a las poseídas por los
constituyentes de origen, pero siempre sujetos a las condiciones
impuestas por nuestro hábitat natural.
Liberarse de alguna de estas condiciones, disminuyendo, por
ejemplo, la presión atmosférica (hacer el vacío), o simular algunas
otras como la humedad, la radiación ultravioleta, la infrarroja
(intemperismo acelerado), etc., constituye la etapa siguiente, que
puede considerarse aún vigente a pesar de los grandes avances
descritos en los párrafos inmediatos a éste. Pero estamos en el
umbral de una nueva etapa en esta fascinante historia: aquella en la
cual, una vez diseñados los materiales que le permiten hacerlo, el
hombre abandona su entorno natural y en nuevas condiciones
intenta repetir algo de lo ya realizado. Se empeña en seguir
aprendiendo, seguir avanzando, continuar tomando ventaja de
aquello que le queda o poner al alcance de su mano lo inaccesible
para, nuevamente, ponerlo al servicio del hombre mismo.
Materiales fabricados en el espacio. La fabricación de materiales
en la superficie terrestre se realiza siempre bajo la influencia de la
aceleración gravitacional y la presencia de la atmósfera, que puede
introducir contaminación adversa, la cual, sin embargo, puede
eliminarse utilizando atmósferas artificiales con gases inertes.
Prácticamente estamos imposibilitados para eliminar todos los
efectos gravitacionales, y éstos son los responsables de fenómenos
como la separación de fases, la segregación por densidad, los
sobreenfriamientos y algunos tipos de contaminación. La
posibilidad de realizar procesos de fundición, difusión, crecimiento
de cristales, etc., en el espacio exterior brinda la oportunidad de
eliminar los efectos derivados de la aceleración gravitacional y,
consecuentemente, hace que esta posibilidad resulte sumamente
atractiva.
En el espacio exterior, en adición a la ventaja de la "pérdida"
parcial o incluso total del peso se tiene la ventaja potencial de la
energía solar y una situación de vacío más favorable. La producción
de cristales ultrapuros, la separación de sustancias, la
homogenización de compuestos, la obtención de productos
farmacéuticos de alta pureza, vidrios y semiconductores son
algunas de las áreas en las cuales es más promisorio utilizar las
ventajas del espacio exterior.
La idea de realizar experimentos en ausencia de corrientes
convectivas o vibraciones, en un ambiente estéril, en vacío casi
perfecto y gravedad prácticamente nula no surgió como resultado
instantáneo de los primeros éxitos en los vuelos espaciales, sino que
fue una idea acariciada mucho tiempo atrás por los teóricos. De esta
manera, al abrirse las posibilidades reales de llevarla a la práctica lo
que tuvo que hacerse de inmediato fue investigar la manera de
realizar esos experimentos en forma enteramente autónoma.
En la actualidad ya se han realizado varios experimentos con
resultados muy exitosos, al grado de que se encuentran en curso los
estudios económicos respectivos para ver la conveniencia de lo que
podríamos llamar la comercialización del espacio exterior.
Productos para la vida. De éstos, el experimento más avanzado es
un experimento sobre electroforesis, que es una técnica para separar
sustancias orgánicas en presencia de un campo eléctrico y que es
muy utilizada para la producción de medicinas. Este proyecto se
inició en 1977 y se llevó a efecto por primera vez en el
transbordador espacial. Por lo que toca a la comercialización, las
expectativas más optimistas predicen la existencia de un mercado
de varios miles de millones de dólares para la década de los
noventa, aunque hasta la fecha solamente existe un solo producto
"espacial" en el mercado, que son unas pequeñísimas esferas de
látex.
Semiconductores. Dado que los procesos de manufactura en el
espacio son sumamente caros, resulta evidente que los mejores
candidatos para procesarse en el espacio son los productos con el
mayor valor por unidad de volumen. Sin duda, unos productos que
reúnen esta cualidad son los materiales electrónicos cuya base
fundamental son los cristales, que al obtenerse con gran pureza y
perfección competirán muy favorablemente en el negocio de las
componentes electrónicas. Para los futuros programas se han
identificado muy buenos prospectos, entre los que se incluyen
materiales para detectores de tipos muy diversos, así como
materiales apropiados para chips de computadoras. La extremada
limpieza y la ausencia de gravedad existentes en el espacio exterior
son condiciones ideales para producir estupendos cristales
semiaisladores libres de disoluciones. Los compuestos que se han
trabajado son el arsenuro de galio y el fosfuro de indio. Los mejores
cristales de arsenuro de galio se han obtenido, hasta la fecha,
mediante un procedimiento conocido como crecimiento
electroepitaxial, con un rendimiento menor del 17% cuando se
obtienen en la Tierra y hasta de 97% cuando se fabrican en el
espacio.
El crecimiento electroepitaxial es un procedimiento consistente en
hacer pasar una corriente a través de una solución, estimulando por
este medio la migración de átomos hacia la interfase de crecimiento
del cristal. El proceso emplea menos energía que los otros métodos
comúnmente usados debido a que la temperatura que se requiere
para la solución es menor que la temperatura de fusión del cristal.
Se ha pensado que con este novedoso método se pueden hacer
crecer cristales que incluyan combinaciones de elementos de las
columnas III y V de la tabla periódica de los elementos y otros más
complejos en los que intervengan tres o hasta cuatro elementos
distintos.
Una más de las ideas que pueden llevarse a la práctica en las
condiciones que brinda el espacio exterior es la denominada
"proceso sin paredes" o sin "recipiente".
En ella lo que se pretende es eliminar la contaminación que en el
proceso de crecimiento de los cristales en la Tierra proviene del
propio contenedor, ya que, en el caso de los dispositivos utilizados
en la microelectrónica, la presencia de elementos extraños, aun en
cantidades sumamente pequeñas, produce efectos eléctricos
indeseables. En la Tierra ha resultado imposible eliminar del
proceso al contenedor, pero en el espacio esto es posible
restringiendo el movimiento de la solución mediante levitación
acústica, campos magnéticos muy intensos o por tensión superficial
entre la solución y una barra del mismo material. He aquí un
ejemplo muy claro de cómo el hombre ha aprendido a sacar ventaja
de las condiciones que le impone la naturaleza. Primero en su
hábitat natural, después en el espacio exterior.
Son dos las fuerzas que determinan principalmente las corrientes de
convección, las que a su vez constituyen el mayor obstáculo en el
crecimiento de cristales en la Tierra, y una de ellas, la de flotación,
se ve eliminada al suprimir la aceleración gravitacional, mientras
que la otra, la tensión superficial, permanece, y entonces se la
utiliza como ya se mencionó.
La metalurgía. La posibilidad de realizar experimentos en el
espacio representa también una enorme oportunidad para aprender
sobre los procesos fundamentales de la metalurgia, ya sea la de los
metales puros o la de las aleaciones. Resulta una ocasión propicia
para comprobar o refutar las viejas teorías y proponer, de ser el
caso, algunas nuevas. Seguramente se originarán nuevas aleaciones
y se optimarán los procesos de producción de algunas ya conocidas.
Cuadro 9. Experimentos propuestos para futuros viajes
al espacio exterior
Área Sistemas
meta/aleación Objetivos
Control sin
contenedor /
sobreenframiento
Aleaciones a base
de
Nb Y Nb
Determinar límites de
sobreenfriamiento y
formación de fases
meta-estables
Nitronic 40 y 40 W Determinar las
relaciones entre
microestructuras y
propiedades
micromagnéticas
Aleaciones base Fe
y base Ni
Fenómenos de
solidificación y
recocido
Succinonitrilo puro Determinar la
influencia de la
gravedad y el
transporte difusivo y
correctivo sobre el
crecimiento de
dendritas a bajo
sobreenframiento
Aleación Ni-Al Obtener al 100% la
fase peritéctica NiAl3
Aleaciones base Fe
y Ni
Entender los
mecanismos físicos
de sobreenframiento
Aleación Ni-Sn Clarificar el proceso
de solidificación
rápida
Procesado sin
contenedor
Aleación Fe-Cr-Y Determinar cómo el
itrio mejora la
resistencia a la
oxidación a alta
temperatura
Medición de
propiedades a alta
temperatura sin
contenedor
Metales de
transición de la
tercera fila; metales
extremadamente
refractarios W, Mo
Determinar
capacidades
caloríficas, calores de
fusión e incrementos
en la función
entalpia.Medir
propiedades a alta
temperatura por
fluorescencia
inducida por láser
Sinética de
solidificación
Pb-Sn Determinar origen,
espaciamiento y
diámetro de los
canales de
segregación. Estudiar
los fenómenos
básicos de la
solidificación.
Desarrollar un
modelo simple del
crecimiento
dentrítico
Solidificación
direccional
Succinonitrilo puro
con y sin etanol
Estudiar efectos de
gravedad y
microgravedad en el
flujo de fluidos y en
la segregación
Aleación Sn-Bi Estudiar mecanismos
de desestabilización
en la interfase de
solidificación
Aleación Bi-Mn y
Sm-Co
Estudiar la influencia
gravitacional sobre la
convección
Aleaciones Bi-Mn y
Pb-Bi
Reducir o eliminar la
influencia
gravitacional en la
convección aplicando
un campo magnético
transverso
Hierro colado Estudiar los papeles
de la nucleación
homogénea,
multiplicación de
grano e inoculantes
en la formación de la
microestructura
Aleaciones no-
misibles
Aleaciones Al-In,
Cu-Pb, Te-Tl
Determinar cómo se
desarrollan los
hechos
microestructurales de
la fase líquida e la
brecha de misibilidad
de la aleación
Aleación Pb-Zn Medir coeficientes de
difusión en la región
no misisble líquido-
fase
Espumas
metálicas
Cu-grafito y
aleación Pb-Bi
Investigar formación
de espuma metálica
Electroplateado Varias aleaciones Evaluar el
electroplateado
producido en el
espacio para mejorar
el plateado en la
Tierra
¿Cuál es la mínima cantidad de aleante que modifica la estructura
de un metal y sus propiedades? ¿Cuáles son los límites de
sobreenfriamiento de los metales y aleaciones? ¿Cómo influyen en
el proceso las corrientes de convección y su dependencia de la
gravedad, la segregación y el crecimiento dendrítico? Éstas son sólo
algunas de las preguntas que se pueden resolver con los resultados
de los experimentos en el espacio.
Son muchos y muy variados los experimentos que se planean
realizar o ya se han realizado en las primeras incursiones del
hombre al espacio exterior. Los resultados son muy halagadores y
en muchos casos se espera poder simular en la Tierra condiciones
parecidas a las encontradas en el exterior.
Con las variantes del caso, los experimentos imaginados para el
caso de metales y aleaciones son muy parecidos a los descritos en
párrafos anteriores para los cerámicos y semiconductores. Se tiene
en común la situación de microgravedad y de ultraalto vacío, con
los efectos que esto conlleva.
El cuadro 9 muestra de manera resumida algunos de los
experimentos ya realizados o planeados para futuros viajes al
espacio exterior.
El colofón apropiado para este capítulo podrían ser, en mi opinión,
las siguientes palabras que el doctor Robert Goddard, pionero de la
investigación espacial, enviara en una carta a H. G. Wells en 1932:
No puede pensarse en terminar, porque apuntar a las estrellas,
tanto en el sentido literal como en el figurado, es un problema que
ocupará a varias generaciones; y así, por mucho que se avance,
siempre se sentirá la emoción de estar apenas empezando.
Seguramente que la naturaleza nos tiene reservada una enorme
cantidad de sorpresas e interrogantes. La humanidad, por su parte,
también habrá de buscar las correspondientes respuestas, y sin duda
para obtenerlas demandará materiales. Así pues, el libro que aquí
termina seguirá vigente.