Material es lo que no es espiritual: todas las sustancias con las cuales están hechas las cosas y los seres. Así, casi lo único que identifica al campo de los materiales es su propio nombre; esto es, la etiqueta, la palabra "materiales". Madera, plásticos, metales duros y blandos, vidrio y cerámicas, telas, las llamadas tierras raras, el cemento, son todos ellos materiales. Su disponibilidad, sus propiedades y características físicas y químicas, sus usos y aplicaciones son radicalmente diferentes, pero todos forman parte del mundo de los materiales. ¿Cómo definir tan vasta extensión? Guillermo Aguilar hace bien en acudir a nuestra intuición; más aún porque cuando de materiales se habla no siempre se incluyen todos los que, estrictamente, lo son. Generalmente se dejan fuera elementos y sustancias que no se utilizan para la manufactura de objetos y cosas. El agua rara vez se incluye como material, aun cuando estrictamente lo es; lo mismo ocurre con el aire que respiramos y (afortunadamente) con la carne que nos constituye. Dejando a un lado los problemas de definición y clasificación, y si tomamos en cuenta que el hombre es el homo faber, el animal constructor de herramientas por excelencia, y que éstas y los objetos que con ellas se logran están hechos de materiales, buscar paralelos entre la historia del hombre y la de los materiales no sólo es natural sino obligatorio. Así lo bosqueja atinadamente el autor al pasearnos con rapidez por la Edad de la Piedra, del Cobre, de Bronce, de Hierro, del Acero, y del Plástico (¿por qué no habrá la Edad de la Madera, del Papel, o del Cuero?). Su relato sobre el descubrimiento y uso de algunos materiales es accesible e interesante, aunque quizá, para mi gusto, hubiera resultado aún más atractivo si profundizase en la relación histórica bidireccional entre los materiales y la organización social y económica, en particular en el caso de México. El tránsito de las sociedades nómadas a las agrícolas sedentarias y de éstas a las urbanas industriales, modificó sin duda la demanda de materiales, lo que a su vez fue posible gracias a la disponibilidad, domesticación y transformación de éstos. Los grandes rascacielos y las ciudades de hoy serían imposibles sin el uso de los metales y el concreto. La gran industria electrónica mundial no podría haberse desarrollado como lo ha hecho si no fuese gracias a nuestro manejo de los materiales semiconductores. La producción y adquisición de este libro habría sido otro cantar sin el papel de que está hecho. Podríamos repasar así cada área de las actividades humanas y en su evolución trazar los cambios en el uso de diferentes materiales; cascos de embarcaciones que pasan del cuero a la madera, de ésta a los metales y de ellos a las fibras de vidrio, incluso con algunas incursiones del concreto. Vestidos que van del cuero a la lana y la seda, al algodón y a las fibras sintéticas (plásticos). La disponibilidad de los materiales limita o abre posibilidades de desarrollo. El comercio y la conquista han estado ligados desde siempre a la obtención de materiales. Hay indicios de que Colón no fue el primero en pisar tierras americanas; probablemente los vikingos y los celtas lo hicieron antes en varias ocasiones para obtener metales americanos. En México la Colonia no puede dejar de asociarse con la extracción minera del oro y la plata. La economía entera de muchos países descansa en su producción de uno o unos cuantos materiales. Los nuevos permiten cubrir las necesidades que van planteándose o cubrir las viejas a menor costo. Buscamos materiales resistentes a las altas temperaturas para poder incrementar la velocidad de los transportes aéreos, o reducir el peso y, por ende, el consumo energético de los transportes; fibras de vidrio que nos permitan transmitir cantidades enormes de información de un lugar a otro empleando señales ópticas y cables de mucho menor diámetro (y peso) que los actuales de cobre; envases de plástico más resistentes, ligeros y baratos que los de vidrio para almacenar y transportar bebidas y alimentos.

El ascenso del hombre está marcado por una continua conquista sobre los materiales. Hasta hace muy poco, este ascenso se realizó aprovechando los materiales disponibles en la naturaleza y buscando aplicaciones para los descubrimientos recientes y cada nuevo material encontrado y dominado permitía desarrollar mayores avances. Pero hoy en día este proceso empieza a sufrir un cambio cualitativo: ya no se trata simplemente de encontrar otros usos para cada material, sino de diseñar y sintetizar los materiales más adecuados para los nuevos requerimientos. Hoy se especifican las características del material necesario para una aplicación dada y después se fabrica. Así, tenemos que admitir que los materiales son indispensables, determinantes para cualquier economía, y que los avances científicos y desarrollos tecnológicos nos permiten hoy obtenerlos, manipularlos, procesarlos, transformarlos y utilizarlos como nunca antes en la historia. Vivimos en contacto continuo con los materiales y a todos nos cuestan más de lo que generalmente imaginamos. Pagamos más por la lata que por su contenido; más por el envase de vidrio o de metal que por el refresco.  Nos hemos preocupado muy poco por desarrollar la ciencia de los materiales, por investigar sus límites y sus posibilidades.  La riqueza de las naciones está en su tecnología, en su saber transformar los materiales en objetos con gran demanda, y no tanto en su dotación natural de recursos (aunque es obvio que esto último ayuda). Por esta razón, sea bienvenida la presente obra de Guillermo Aguilar que, como lo hacen ya otras de esta bella e importante colección del Fondo de Cultura, seguramente contribuirá a despertar nuestras inquietudes e interés por los materiales y por aprender cómo han ido y van de la mano con nuestro desarrollo social, económico y cultural. Entre los retos que nos traerá el porvenir seguramente ocupará lugar prominente la ya próxima revolución tecnológica en los materiales, con cerámicas y superconductores, con nuevas aleaciones, con materiales compuestos; con una mirada más profunda a la estructura molecular. Todo esfuerzo por dotarnos de mejores armas intelectuales para comprenderla mejor, en esencia y alcances, aunque sólo sea en algunas de sus partes, debe ser aplaudido.

INTRODUCCIÓN

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. DE LA EDAD DE LA PIEDRA AL ACERO

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.

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.

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.

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.

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:

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 corno cuentas, punzones, agujas o arillos de dimensiones pequeñas.

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).

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.

II. DEL ACERO A LOS PRIMEROS POLÍMEROS

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.

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.

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 ACEROS 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 v 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 1000°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.

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.

(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.

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.

III. POLÍMEROS Y SEMICONDUCTORES

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 sola 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?

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