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.

 

Figura 14. Unión de dos átomos de carbono.

 

Figura 15. Etano.

 

Figura 16. Propano.

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). 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. 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. 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.

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.

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 m) 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").

IV. LOS MATERIALES HOY

La investigación 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.)

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.

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).  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.

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.

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-d, elaboradas en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM.

Figura 27.

V. LOS MATERIALES EN EL ESPACIO

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.

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.

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.

¿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