sábado, 19 de diciembre de 2009

MATERIALES


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 primerosMATERIALES utilizados por el hombre.










Figura 1.
Precisamente en esta época se empiezan a utilizar astas y marfiles, aprovechando que sus propiedades hacían posible el desarrollo de nuevos utensilios para la caza, tales como puntas de lanza, cabezas de arpones, lanzas y quizás arcos de varias piezas.
Gracias a la existencia de estos artefactos y por supuesto de los materiales que los hicieron posibles, se mejoraron los niveles económicos y culturales, pero por otra parte, surgió la necesidad de elaborar herramientas especiales para trabajar estos nuevos materiales. La figura 1 muestra una herramienta primitiva de piedra (¡de hace 1 750 000 años!).
Así, como satisfactor a una demanda de la humanidad, surgió un material que vendría a revolucionar la vida del hombre primitivo: el pedernal.
Este mineral de color amarillento con vetas grisáceas y blancas tiene la propiedad de ser duro y a la vez quebradizo, es decir, difícil de rayar y fácil de fracturar con un impacto. Para aprovechar estas propiedades se desarrolló un alto grado de pericia, por medio de la cual los bordes de largas y estrechas hojas de pedernal eran golpeados, y las herramientas, cuidadosamente conformadas de esta manera, se empleaban para cortar, tallar, taladrar, pulir y raspar.
Al realizar esta tarea, el hombre primitivo observó que cuando se golpeaba el pedernal con ciertas piedras y de cierta manera surgían chispas, hecho que habría de marcar otro gran paso en la historia de la humanidad.
Por este tiempo también hicieron su aparición las herramientas y artefactos compuestos de varias piezas de materiales diferentes, en los que se aprovechaban las propiedades de cada uno de ellos para la función más adecuada a realizar. Las primeras lanzas en las que el mango, la punta y la sujeción eran de materiales distintos son un ejemplo.
Las necesidades humanas no son sólo las de supervivencia. También lo son las expresiones artísticas y de ornato, y los materiales no han permanecido ajenos a ello.










Figura 2.

Una muestra de la combinación de materiales diferentes y de gran contenido estético es la que se presenta en la figura 2, que es un cuchillo cuya hoja es de pedernal y su mango de marfil. Los relieves representan a los egipcios del delta del Nilo remontando el curso del río con sus naves; se estima que es anterior al periodo dinástico, es decir, antes del sigloXXX a.C. ¿Cómo se habrán hecho los relieves en el marfil?
Simultáneamente, se empezaron a utilizar principios mecánicos elementales como la rotación y el apalancamiento. Estos adelantos, que ahora nos parecen tan triviales, tuvieron un papel decisivo para el desarrollo futuro de la humanidad, ya que le permitieron adaptar de manera útil su modo de vida a los grandes cambios que representaban el clima, el medio ambiente y la vida silvestre.
Los materiales fueron particularmente favorables al hombre en la búsqueda del alimento que le permitiría sobrevivir. Vivía de la pesca, de la recolección de plantas y frutos y sobre todo de la caza, de la cual obtenía no sólo carne y grasa sino también huesos y astas para herramientas y combustible, es decir, también conseguía materiales. Además, adquiría pieles y tendones para fabricar sus vestidos y tiendas. Con objeto de llevar a cabo la caza de las diferentes especies existentes tenía que desarrollar nuevos equipos, ya que no era lo mismo cazar un mamut que un bisonte, un caballo salvaje, un reno o un ciervo, de manera que tuvo que desarrollar nuevos métodos y equipos especiales para la caza según la especie.
Los hábitos de las distintas presas animales determinaban el modo de vida del hombre y aun su situación. Con frecuencia los poblados eran campamentos provisionales situados cerca de los lugares frecuentados por las distintas presas según la estación, lo que obligaba a que los cazadores fueran de aquí para allá dentro de un territorio determinado. En la actualidad subsiste muy poco de sus frágiles tiendas y abrigos, aunque se han localizado algunos grupos de chozas subterráneas. Particularmente en algunas regiones calizas de Europa, donde existen cuevas naturales, se observa que éstas fueron empleadas como bases permanentes o refugios en el invierno.
De esta misma época se tienen muestras de manifestaciones artísticas en las que se puede observar que la práctica del enterramiento ceremonial de los familiares da cuenta de una creencia en otra vida después de la muerte. La indicación más significativa del desarrollo de ideas mágicas y religiosas, se presenta en el arte del Paleolítico Superior europeo, que se desarrolla tomando formas diversas: alto y bajorrelieves en tallas y grabados sobre herramientas, armas, cantos rodados, esculturas en hueso, astas, marfil y piedras, así como moldeados en arcilla, y lo más notable de todo, tallas y pinturas en los muros y techos de profundas cuevas del centro y sur de Francia y del norte de España. También existen evidencias de que el arco y la flecha fueron las principales armas de caza, y es característico del Mesolítico el uso de puntas de pedernal pequeñas y finas incrustaciones en mangos de madera o hueso. Las comunidades nórdicas europeas se distinguen por el amplio uso que hicieron de la madera como materia prima y por haber introducido el hacha de carpintero.
b)La alfarería (cerámica)
Pasemos ahora a ver cuáles fueron los avances en el Neolítico. Las herramientas de los campesinos de la Europa neolítica se limitaban a hoces, hachas y azadones que eran de pedernal u otra piedra afilada y pulimentada, arte en el cual, como ya lo mencionamos, se alcanzó gran destreza, muy especialmente en el norte de Europa. En el Neolítico surgió en Europa la cerámica. Cada grupo local llegó a tener su propio estilo de vasijas. Casi no había armamento porque las productivas comunidades agrícolas de aquel periodo vivían aisladas y eran prácticamente autárquicas; el comercio se limitaba principalmente al pedernal u otras piedras de alta calidad y ocasionalmente a artículos de lujo. Los proveedores de pedernal y de otras piedras muy probablemente eran especialistas de la comunidad u hombres organizados por su cuenta, que obtenían alimento mediante el trueque de sus productos.
Después del tallado de la piedra, la siguiente destreza (tecnología, diríamos ahora) para manejar materiales inorgánicos fue probablemente la selección y molienda de colores minerales para pigmentos, que fueron utilizados con carácter decorativo o ceremonial, como se muestra en la pintura rupestre reproducida en la figura 3. Es muy notorio en esta época que la gran mayoría de las pinturas sean representaciones de los animales que el hombre cazaba y de los cuales dependía para su alimento y vestido. Antes del Neolítico, en muy pocas ocasiones el hombre primitivo retrató a sus semejantes.










Figura 3.

Por lo que toca a lo que podríamos llamar la artesanía doméstica, hay que destacar los tejidos de lino, a veces de muy buena calidad; los trabajos en madera, entre los que destaca la manufactura de tazas y cuencos para uso doméstico, así como la construcción de cabañas y embarcaciones y la cestería y los trabajos con cortezas vegetales y cuero.
LOS METALES
En la búsqueda de piedras útiles para la fabricación de sus primeras herramientas, seguramente el hombre topó con algunos terrones de cobre y de oro maleables, ya que la naturaleza suele proveerlos de esta manera.
Los objetos metálicos más antiguos conformados artificialmente de los que se tiene noticia son unas cuentas de cobre encontradas en el norte de Irak; se calcula como fecha probable de su manufactura entre el octavo y noveno milenio a.C. Al parecer, estas piezas son de cobre natural y fueron conformadas mediante martillo y yunque.
También se tiene información de que en la región de los Grandes Lagos en Estados Unidos los nativos utilizaron cobre natural alrededor del segundo milenio a.C. Por otra parte, existen evidencias de que el hombre manipuló compuestos metálicos con mucha anterioridad a las fechas mencionadas. La figura 4 muestra un antiquísimo jarrón de cerámica decorado con óxidos metálicos. Esta pieza actualmente se encuentra en el Museo de Louvre, París, y data del cuarto milenio a.C.










Figura 4.
En la actualidad podemos explicar con bastante claridad cómo ocurrió esto. En la naturaleza, la mayoría de los metales aparecen abundantemente sólo en forma de compuestos minerales, tales como óxidos, carbonatos, sulfatos, etc., es decir, es muy escaso el metal puro, el que aquí llamaremos natural.
En general, estos compuestos no poseen la maleabilidad del metal natural: son de distinta densidad y de colores más llamativos, por lo que indudablemente despertaron la curiosidad del hombre primitivo. En el caso particular del jarrón de Susa que se muestra en la fig. 4 es altamente probable que haya sido elaborado con dos tipos distintos de "cerámica", un barro normal para el cuerpo del jarrón y algunos trozos de piedras diferentes para decorarlo, que resultaron ser óxidos metálicos que al ser sometidos al recocido de todo el jarrón probablemente fueron fundidos o estuvieron muy cerca de serlo. Este procedimiento estaría de acuerdo con la hipótesis de algunos arqueólogos que afirman que el proceso de fundición fue descubierto hacia el año 5 000 a.C. en alguna alfarería. Esta hipótesis es muy plausible y tiene como fundamento lo siguiente:
Para separar el metal del mineral se requiere de temperaturas muy elevadas que no son fáciles de obtener directamente al fuego, mientras que el cocido del barro en las alfarerías se efectúa en hornos que tienen el fuego confinado, donde se alcanzan temperaturas un poco mayores que resultan ser lo suficientemente elevadas para trabajar los óxidos, aunque no lo son para fundir el cobre.
De hecho, aún en la actualidad no es clara la manera en que el hombre empezó a servirse de los metales. Una apreciable cantidad de datos colectados por los arqueólogos y que se muestran resumidos en el cuadro 1 parecen sugerir que el hombre empezó por "golpear y martillar" el oro y el cobre nativos o el hierro de los meteoritos, pero no comprendió la utilidad y carácter de estos nuevos materiales hasta que aprendió a fundir y moldear algunos de ellos. Indudablemente que el paso crucial fue el descubrimiento de la fundición, lo cual hizo del cobre el primer metal industrial y propició el veloz descubrimiento del plomo, la plata, el estaño y probablemente el hierro.
El cuadro 2 presenta la evolución temporal de las tres principales artes pirolíticas, a saber: alfarería, metalurgia y vidriería, y los lugares donde es más probable que se hayan desarrollado.
Resulta fácil comprender la dificultad para precisar estos hechos cronológicamente. Sin embargo, si se pretende establecer algún orden en el desarrollo que condujo al hombre a dominar lo que hoy conocemos como metalurgia, se pueden distinguir cuatro etapas:













Cuadro 1. Sitios y fechas aproximadas en las que se han encontrado metales antiguos. Una muestra de los metales con mayor antigüedad.







Sitio







Fecha aproximada a.c.







Objetos








Sialk I-III ( Irán )







4500-4000







Objetos de cobre, botones de plata







Arpachyah ( Irak )







Finales del quinto milenio







Piezas de plomo, objetos de cobre







Chagar-Bazar ( Irak )







Finales del quinto milenio







Cuentas de cobre







Mersin ( Anatolia )







Finales del quinto milenio







Objetos de cobre







Beycesultan ( Anatolia )







Finales del quinto milenio







Anillos de plata, objetos de cobre







Chagar-Bazar







ca. 3000







Cúmulos de hierro terrestre







Tell Asmar ( Irán )







ca. 2700







Espada u hojas de daga de hierro terrestre










1) Martilleo forjado en frío: se puede considerar una técnica propia de la Edad de la Piedra, que aplicada al cobre natural posibilitó la obtención de piezas tales como cuentas, punzones, agujas o arillos de dimensiones pequeñas.













Cuadro 2. Evolución de las primeras industrias mineras que utilizaron fuego.







Alfarería







Metales







Esmaltes, pinturas y vidrios



Anterior a 6000 a.c.



Ocre usado en prácticas funerarias; cuevas pintadas empleando óxidos triturados.
Hallazgos de colorete y sombra para los ojos que muestran polvo de hematita, galena y malaquita.



La alfaraería de Çatal Hüyük muestra fases de la evolución
de la alferería.
6000-5500 a.c.
Tubos de cobre Çatal Hüyük.


Alfarería original de Jarmo, mercaderías rojas de Sialk
usando óxido de fierro.
5000-4500 a.c.
Primer metal acumulado en Anatolia e Irán que indica el uso de cobre templado martillado.

Hornos cerrados en Sialk III.
Utensilios Halaf polícromos que conservan formas metálicas.


4000 a.c.
Objetos de Cast Halaf y Sialk indican fusión de cobre, fusión de plomo y plata. Gran cantidadde metal encontrado en Irán. En Badarian, Egipto, se muestran las primeras evidencias de cobre.

Vidrios de Badaria en Egipto contienen mineral aglomerado y álcalis en depósitos cerrados a temperaturas no mayores a 850°C.
Los utensilios de Ubaid muestran la utilización de altas temperaturas, primeros indicios del proceso de reducción.

3500 a.c.
Piezas de cobre fundidas dispersas en la meseta Near Eastern contienen muchas impurezas, particularmente arsénico, plomo, níquel y estaño. Objetos de hierro de meteoritos encontrados en Gerzeh. Nueva metalurgia gradualmente diseminada por Egipto, junto con otras influencias de Mesopotamia.
Escorias empiezan a sugerir la naturaleza de los vidrios.
El azul egipcio entra a la moda.



Torno de alfarero aparece para el uso en Amouq y en otra parte.


3000 a.c.
La edad de los metales inicia una gran y floreciente expansión en Mesopotamia con la aparición inicial del bronce. A partir de ahí se mantiene la fuerza industrial. Piezas fundidas de bronce-plomo de Uruk dan curso para los bronces-estaño puros de Ur. Desarrollos similares en Siria, Azerbaijan y otros lados. La plata es medio de intercambio, aparece el oro en estatuas y joyería. Bronce y plomo dominan en piezas fundidas. Herramientas de metal para cortado, excavación y moldeo son comunes en la fase Jemdet Nasr.



Cuentas de vidrio aparecen en Egipto, pronto aparecerán también en Mesopotamia.

2500 a.c.


Piezas de vidrio, utilizando colores matálicos, empiezan a florecer en Egipto.

2000 a.c.
El comercio en metales está diseminado en el Oriente Medio.


















2) Recocido: la aplicación moderada de calor que permite el reblandecimiento del metal a fin de facilitar su conformación mediante el martilleo. Indudablemente esta técnica fue el antecedente directo de la fundición.
3) Fundición: fue posible cuando el hombre aprendió a confinar el calor para que alcanzara temperaturas cada vez mayores, hasta lograr que el metal fuera "líquido", condición que le impuso o le sugirió la necesidad de darle forma una vez que se enfriara, lo que desembocó en la cuarta y última etapa.
4) Moldeo: para darle una forma específica al metal ya fundido es preciso depositarlo en algún recipiente adecuado que lo aloje mientras se lleva a cabo el enfriamiento con la consecuente solidificación del metal. Entretanto, cabe la posibilidad de utilizar el martilleo para obtener la forma deseada.
¿Cómo se fueron alcanzando cada una de estas etapas? ¿En qué materiales fue más rápido su desarrollo? Son preguntas cuyas respuestas distan mucho de ser categóricas, y lo más que se puede hacer al respecto es continuar investigando y plantear ciertas hipótesis lógicas como la siguiente: una de las propiedades fundamentales para distinguir y denominar los distintos metales es sin lugar a dudas la temperatura a la cual ocurren las distintas transformaciones que los caracterizan, ya sea que se trate de separar el metal nativo del mineral, de la transformación de sus óxidos u otros compuestos o de alcanzar su punto de fusión. Si se considera, como ya lo hemos indicado en este libro, que el paso crucial es el descubrimiento de la fundición, resulta lógico suponer que la Edad del Cobre precedió a la Edad del Hierro por algo así como 4 000 o 5 000 años, ya que el cobre funde a 1 083 °C mientras que el hierro lo hace a 1 537°C.
El hombre que enfrentó primero el problema de la fundición no se encontró con materiales aislados que funden a temperaturas bien definidas. Por el contrario, tuvo frente a sí a todos los materiales, y sin saberlo fue testigo de hechos como estos: a 100°C, en algunos materiales aparecen capas de óxido; las piritas y el óxido de plata empiezan a descomponerse a 330°C mientras que el estaño y el plomo puros ya se fundieron. 500°C es la temperatura a la que recristalizan y se reblandecen el cobre y el bronce. Cuando se alcanzan 600°C, los barros de alfarería se endurecen, algunos de ellos presentan un acabado vítreo y algunos vidrios ya se pueden moldear a esta temperatura.
Fue así, de manera empírica, como el hombre fue descubriendo materiales y estableciendo la manera de producir cambios en ellos. La importancia de muchos de estos materiales y procesos debió pasar inadvertida hasta que algún hecho repetido de manera casual o premeditadamente les dio la relevancia que ahora tienen.
Tal vez el caso más sobresaliente corresponde al zinc, que fue utilizado largo tiempo y sin saberlo en una aleación (el latón), mucho antes de que se le descubriera como metal.
Digno también de atención resulta el estaño, cuyos orígenes son sumamente nebulosos. Sin embargo, su importancia en el desarrollo de la humanidad llega al punto de marcar en una aleación con el cobre toda una era en la historia: la Edad del Bronce.
Cabe señalar en este punto que por aleación se entiende la composición metálica obtenida por la fusión y mezcla íntima de dos o más metales. También se consideran aleaciones a las soluciones de metaloides en metal, como el caso del carbono en el hierro para dar origen al acero.
LA EDAD DEL BRONCE
Abarcó todo el segundo milenio y parte del primero a.C. La importancia del cobre y del bronce (aleación de cobre y estaño), radica sobre todo en la reorganización básica de la estructura social y económica que su adopción trajo consigo. Dada la escasez de los yacimientos de cobre y más aún de los de estaño y oro, se inició un gran comercio de estos metales con anterioridad a la existencia de la industria del bronce, de modo que las rutas comerciales se hicieron no sólo para transportar minerales y productos acabados sino también para un muy intenso intercambio de ideas de otro tipo. En el Neolítico, las comunidades campesinas aisladas continuaron su género de vida; en la Edad del Bronce se establecieron contactos con comunidades vecinas o alejadas. Los grupos aislados dependieron cada vez más del exterior para equiparse, y de organizaciones sociales poderosas para su seguridad. Nuevas zonas adquirieron importancia, ya fuera porque poseían los minerales básicos, o bien por su excelente situación en las rutas de comercio. Consecuentemente, sus pobladores se enriquecieron, y debido al monopolio del suministro y distribución de los metales se hicieron políticamente fuertes. La conservación de su poder fue debido en gran parte a las armas metálicas que poseían. Al mismo tiempo, la sociedad se fue dividiendo en clases, destacándose la casta guerrera, en cuyas manos estaba la autoridad política.
Simultáneamente, las civilizaciones del Cercano Oriente habían desarrollado el arte de trabajar los metales, de modo que éste fue introducido en Europa donde las culturas minoica y micénica de Creta y Grecia dieron gran impulso al desarrollo de la industria. Ésta se basó en el cobre, el oro y el estaño procedentes de Irlanda, norte y suroeste de Britania, Bretaña, noroeste de España, Bohemia, Hungría, este de los Alpes y norte de Italia. Por otra parte, se comerciaba con el preciado ámbar, por rutas que, desde Jutlandia, ascendían por los ríos Elba y Saale hasta la Europa central, el paso Brennero y bajaban por el río Po hasta el Adriático. Así se constituyó el eje de una complicada red comercial que iba de Irlanda al Mediterráneo y de España a Escandinavia.
De esta manera surgió la primera comunidad de artesanos del bronce, altamente desarrollada y, podría decirse, de carácter internacional. En esta comunidad, el secreto de manejar el bronce pasaba de generación en generación. Al mismo tiempo, se desarrollaron métodos de minería, aleación y fundido, conocimientos que se extendieron muy rápidamente.
En el inicio de la Edad del Bronce los materiales se emplearon, más que en los utensilios de valor económico directo, en la fabricación de puntas de lanza, dagas y espadas cortas, hachas que probablemente eran a la vez armas y objetos de culto y herramientas, así como en la confección de ornamentos personales.
Por lo que toca a la construcción, el monumento más impresionante de esta época es el extraordinario santuario de Stonehenge, consagrado al Sol. La habilidad mostrada en su construcción confirma que hubo contactos entre los ricos jefes guerreros de Wessex (Inglaterra) y la Grecia micénica. La idea de templos abiertos procede, sin embargo, de las tradiciones autóctonas de finales del Neolítico, mientras que los relieves de hachas en las piedras Stonehenge son un eslabón con Escandinavia, donde se encuentran representaciones similares y el ritual de las hachas asociado con otras formas de simbolismo solar. La creencia de que el Sol recorría el cielo en una lancha o en un carro tirado por caballos se haya reflejada en los grabados de las rocas y en los modelos rituales, aunque no hay indicación de que los objetos de estos cultos fueran considerados dioses con cualidades o formas humanas. El oro y el ámbar, que desempeñaron un papel tan importante en el comercio de la Edad del Bronce, quizá debieron su popularidad a las propiedades religiosas o mágicas que los hombres les atribuían. Aquí cabe recordar que el ámbar frotado con piel de gato fue el origen de lo que ahora conocemos como electricidad.
La caída de la Grecia micénica y la adopción del hierro en substitución del bronce en el Mediterráneo oriental, hacia el año 1000 a.C., originó la decadencia de las viejas rutas comerciales y el colapso de los mercados. Su producción se limitó ahora a atender el consumo local, y por primera vez hubo metal en abundancia para la fabricación de utensilios domésticos, herramientas para artesanías y utensilios para la agricultura (Figura 5).










Figura 5.
Al mismo tiempo, se adoptó un sistema más avanzado de agricultura sedentaria, basado en el arado y en el cultivo intensivo de tierras acotadas. Con esto se sentaron las bases de la agricultura para los siglos posteriores. Con los nuevos materiales, los vehículos de rueda fueron mejorados y se utilizó el caballo para los viajes y los transportes. Asimismo, apareció la espada larga cortante, que vino a revolucionar el arte de la guerra. Las marcadas divisiones sociales de la Edad del Bronce casi desaparecieron y la mayor riqueza estuvo mejor distribuida entre todos. También se introdujo un nuevo rito funerario en forma de cremación con cementerios y urnas, en los cuales solía haber hasta 300 o 400 sepulturas, sin duda pertenecientes a aldeas enteras. De ahí que a estas culturas se les llamó culturas de las urnas. Fueron ellas las que dominaron el último periodo de la Edad del Bronce en Europa, que va desde el año 1000 hasta el 600 a.C.
Esta fue una época de emigraciones masivas causadas fundamentalmente por dos factores: la expansión territorial de los pueblos de las urnas y un ansia creciente de nuevas tierras.
La gran mayoría de estos desplazamientos fueron debidos, sin duda, al grupo de las urnas, que se situaba al norte de los Alpes y alcanzó gran preminencia durante el siglo VIIa.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 sigloVIII, 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.














Cuadro 3.







Cobre







( Cu )







Plomo







( Pb )


Cuprita
Cu2O
Cerusita
PbCO3
Malaquita
CuCO3Cu (OH)2
Galena
PbS
Calcocita
Cu2S
Anglesita
PbSO4
Calcopirita
Cu FeS2












Cinc







( Zn )







Hierro







( Fe )


Esfalerita
ZnS
Hematita
Fe2O3
Calamina
Zn4(OH)2Si2O7·H2O
Magnetita
Fe3O4
Cincita
ZnO
Limonita
Fe2O3H2O
Willemita
Zn2SiO4
Siderita
FeCO3










Estaño ( Sn )








Casiterita SnO2









El proceso de reducción por carbón consiste, grosso modo, en lo siguiente: cuando un mineral que contiene oxígeno (hematita, cuprita o casiterita) es calentado en presencia de carbón, éste captura parte del oxígeno que se libera y ambos se combinan, produciéndose algún compuesto de oxígeno y carbono y dejando al metal libre de oxígeno, es decir, puro. En el caso de la hematita, por ejemplo, la reacción química que se lleva a efecto es la siguiente:
















He aquí pues, una posible explicación de la manera casual en la que el hombre llegó a la Edad del Hierro. Ya hemos visto cómo el hombre aplicó el fuego para tratar los distintos materiales de que iba disponiendo, dando origen a lo que hemos denominado "artes pirolíticas". Cabe suponer que este fuego lo producía por la combustión de madera o incluso carbón de piedra, y muy probablemente en configuraciones tales que favorecían la mezcla de mineral con la fuente de calentamiento. El resultado empírico fue que el mineral resultaba beneficiado o reducido (términos actuales para describir este proceso).
Experiencias similares debieron dar por resultado el descubrimiento del cinc, estaño, plomo y plata. Resulta oportuno en este punto hacer la observación de que, salvo el hierro, ninguno de los metales que inicialmente conoció el hombre son de los que más abundan en la naturaleza. Más de la mitad de la corteza terrestre está constituida por sólo siete elementos, a saber: silicio (Si), 27.6%; aluminio (Al), 8.1%; hierro (Fe), 5.1%; calcio (Ca), 3.6%; sodio (Na), 2.8%; potasio (K), 2.6% y magnesio (Mg), 2.1%.
¿Cuál sería, entonces, la razón por la cual, siendo tan abundante el aluminio, no fue de los primeros en descubrirse? La respuesta la encontramos en los párrafos anteriores, pues resulta que no es posible reducir el aluminio por carbón y consecuentemente, el hombre no pudo realizar un descubrimiento casual de este proceso tan valioso.
Estos hechos dan pie para concluir que en el desarrollo de la humanidad ha resultado definitivo no sólo el que la naturaleza proporcione de manera más o menos directa un determinado material, sino también que el hombre realice el descubrimiento de los procesos para transformar los materiales.
¿HIERRO O ACERO?
En relación con la Edad del Hierro, son muchos los metalurgistas de la época actual que se han planteado y tratado de explicar una serie de dudas que surgen justamente ahora que disponemos de mayor información sobre lo que es el hierro y sus compuestos. Una de estas preguntas, tal vez de las más profundas, es la siguiente: actualmente sabemos que, en buena medida, las propiedades mecánicas del hierro puro son inferiores a las que presentan el cobre y el bronce. Así pues, ¿cómo es que el hierro pudo llegar a sustituir a esos materiales?; y, por consecuencia, ¿cómo es posible que se haya considerado que el paso de la Edad del Bronce a la Edad del Hierro fue un avance sustancial en la historia de la humanidad?
En primer lugar, cabe mencionar que la secuencia histórica Edad del Bronce a la Edad de Hierro no es universalmente aceptada y existen bastantes estudios que presentan hechos bien fundamentados que se oponen a ella. T. A. Wertime lo resume de esta manera: "... las 'edades' según los metales son clasificaciones útiles para una visión general de la historia, pero no dicen nada acerca de los verdaderos orígenes de la metalurgia."
En segundo lugar, y considerando como válida la sustitución del bronce por el hierro, es posible explicarla de la manera siguiente: el hierro aparece inicialmente como producto de reducción de sus minerales, proceso que requiere de una temperatura menor que la del punto de fusión. El resultado de esto es una esponja metálica que, al ser martillada, se libera de sus escorias y permite formar una masa compacta y dúctil. Prueba de ello serían las muestras que se han encontrado y a las que se les ha asignado, de acuerdo a técnicas actuales, un origen que data del tercer milenio a.C. Pero además, y como lo mencionamos al iniciar este capítulo, el proceso de reducción por carbón consiste precisamente en el calentamiento en presencia de este elemento, y sabemos que si al hierro se le da un tratamiento consistente en elevar su temperatura y en presencia de carbón, lo que se obtiene es justamente el acero. Es decir, es altamente probable que lo que el hombre del siglo XV a.C. conoció y manipuló haya sido lo que hoy conocemos como acero al carbón y no el hierro. La figura 6 muestra una espada corta del año 800 a.C., o aún más antigua. La hoja es de acero al carbón endurecida por tratamiento térmico y el mango está formado por varias piezas de hierro. Algunas de ellas son piezas forjadas.
No sería remoto que en este proceso de consecución del acero se hubiera tenido el convencimiento de que el simple calentamiento de los minerales seguido del enfriamiento consecuente diera por resultado un nuevo material, quebradizo a veces, más duro y menos maleable que el cobre, menos útil que el bronce pero más abundante y fácil de obtener.










Figura 6.

Pronto debió haberse observado que si el calentamiento se prolongaba, se mejoraba la condición de fragilidad y se aumentaba notoriamente su dureza. Esto no podía ser otra cosa que el "resultado obvio" de la purificación del material, es decir, se pensaba que el acero era una forma más pura del hierro.
LOS ACERO DE DAMASCO
Estas ideas prevalecieron hasta finales del siglo XVIII, cuando el metalurgista sueco Swen Rinman, en 1774, logró establecer ya de una manera científica que la diferencia entre hierro dulce, acero y hierro colado radica fundamentalmente en la cantidad de carbón que entra como aleante con el metal. Este descubrimiento empezó a dar luz sobre lo que por muchos años constituyó un gran misterio, conocido como el misterio de los aceros de Damasco, sobre los cuales existían consejas de todo tipo, como veremos en seguida.
Los aceros de Damasco son famosos por su resistencia, dureza y por la belleza de sus marcas. Las descripciones más antiguas sobre ellos datan del año 540 de nuestra era, pero seguramente se utilizaron desde la época de Alejandro Magno, es decir alrededor del año 330 a.C. Durante las Cruzadas, los europeos encontraron en Damasco espadas y dagas con propiedades excepcionales y por ello fue que se difundió este nombre a pesar de que el acero de que estaban hechas provenía de la India, donde se conocía con el nombre de wootz. Se cree que las mejores hojas de acero fueron forjadas en Persia con el wootz proveniente de la India, material que también se usó para hacer armaduras. Entonces, bien pudieron llamarse aceros de la India o de Persia.
Las propiedades excepcionales de este material se traducían en superioridad guerrera, pues influía de manera decisiva tanto en la protección como en la acción de ataque. Estos motivos fueron suficientes para alentar a los europeos a indagar sobre la fabricación de esos aceros, y fue en esa búsqueda que se encontraron con una serie de leyendas o consejas tan inverosímiles como las siguientes: "el acero debía ser templado", es decir enfriado bruscamente, "con los orines de un niño pelirrojo", o bien "con los orines de una cabra de tres años que hubiera sido alimentada por tres días sólo con helechos". Otros procedimientos igualmente fantásticos eran más detallados, como el siguiente: "el acero debe calentarse hasta que cese de brillar, justo como la salida del sol en el desierto; después de esto debe enfriarse hasta que llegue al color púrpura de rey y, en esta condición, insértese en el cuerpo de un esclavo lo más musculoso posible, así la fuerza del esclavo será transferida a la hoja de acero, lo que se traducirá en la resistencia del metal".
Por muchos años y con estos procedimientos o tal vez otros similares, muchos herreros, forjadores y aun científicos de renombre intentaron reproducir las propiedades de los aceros de Damasco. En 1819 el científico inglés Michael Faraday publicó un artículo, en el que proponía como solución al problema la adición al acero de pequeñas cantidades de sílica y alúmina. La propuesta no tuvo éxito pero consiguió inquietar a Jean Robert Breant, a la sazón inspector de ensayos de la casa de moneda de París, para que éste iniciara una serie de experimentos consistentes en añadir distintos y variados elementos al acero. Para 1821, Breant había llegado al meollo del asunto y pudo establecer que era el alto contenido de carbón el responsable de la resistencia y dureza poco comunes de los aceros de Damasco.
Breant logró producir espadas con propiedades muy similares a las de Damasco, pero nunca explicó en detalle los procedimientos y cabe también suponer que no fue capaz de discernir sobre la importancia de los distintos factores que intervenían en el proceso. De hecho, las bases sólidas para la comprensión científica de los aceros de Damasco se dieron hasta el presente siglo, al conocerse las transformaciones de fase que presenta el acero como función de la temperatura y el contenido de carbón.
Ante un misterio como éste, que duró más de 2 000 años, no queda otra cosa más que aplicar el viejo proverbio ruso que dice: "Frecuentemente lo mejor de lo nuevo resulta ser lo largamente olvidado del pasado".
EL MISTERIO SE DESPEJA
En un intento por esclarecer en este libro el misterio de los multicitados aceros de Damasco a la luz de los conocimientos actuales, reproduciremos aquí la interpretación hecha por Sherby y Wadsworth de la patética receta que menciona el sacrificio del esclavo musculoso.
Caliéntese la hoja de acero a alta temperatura, pongámosla a 1 000°C ("sol naciente en el desierto"), después déjese enfriar al aire hasta una temperatura aproximada de 800°C ("púrpura de rey"). Finalmente témplese a temperatura del cuerpo humano, 37°C en un medio salobre ("entrañas de un esclavo fuerte"). De seguirse este procedimiento, muy probablemente se obtendrá un acero con la dureza requerida pero quebradizo, problema que se supera si en vez de calentársele hasta 1 000°C se hace sólo hasta unos 727°C, siempre que el contenido de carbón sea entre 1.5 y 2%. Con estas condiciones y procedimientos se habrán reproducido las propiedades de las misteriosas espadas de Damasco.
Desde el punto de vista formal, resulta esencial para reproducir las propiedades de resistencia y dureza de los aceros de Damasco lo siguiente:
Fundición. Lo importante es contar con un metal para el forjado con el contenido de carbón adecuado (1.5 a 2.0%). La figura 7 muestra esquemáticamente la manera de obtenerlo.










Figura 7.











Figura 8.

El mineral de hierro mezclado con carbón se calienta hasta una temperatura de alrededor de 1 200°C, con objeto de extraer el oxígeno del mineral (reducción por carbón). Se obtiene entonces un hierro esponjado que mediante martilleo es liberado de impurezas. El resultado es pedacería de hierro dulce (hierro con bajo contenido de carbón), al cual se le agrega carbón para someter nuevamente la mezcla a una temperatura de 1 200°C en atmósfera inerte para evitar la oxidación. A esta temperatura, el hierro dulce permanece sólido y sus cristales presentan una estructura cúbica centrada en las caras (Figura 8), la cual consiste en una disposición de átomos de hierro en las esquinas de un cubo y en las caras de éste. Esta disposición de átomos deja huecos entre ellos, los que son llenados por átomos de carbón, dando origen a una aleación denominada "austenita". Una vez que se ha fundido el material se le deja enfriar muy lentamente, en un proceso que puede llegar a tardar varios días. Durante el enfriamiento, al pasar por los 1 000°C aproximadamente, el carbón que no ha intervenido en la formación de la austenita se combina con el hierro, formando carburo de hierro (Fe3C), también llamado "cementita". Este compuesto es resistente pero quebradizo, de tal modo que si en tal estadio se hiciera una espada, ésta resultaría muy resistente pero quebradiza a temperatura ambiente. Simultáneamente, en este mismo proceso de enfriamiento lento, la austenita se transforma en "perlita", que consiste en la alternación de capas de ferrita suaves (pobres en carbón) y capas de cementita. La estructura de la ferrita es una estructura cúbica centrada en el cuerpo, y consiste en la disposición de un átomo de hierro en cada una de las esquinas de un cubo y un átomo en el centro del mismo cubo (Figura 9). El proceso seguido garantiza una distribución homogénea de 1.5 a 2.0% de carbón en el acero. Ahora se pasa a la forja.
Forjado. Probablemente éste sea el paso crucial en el proceso que lleva a una "verdadera" espada de Damasco. He aquí el procedimiento. El material obtenido de acuerdo al paso anterior se somete a calentamiento hasta una temperatura entre 650°C y 850°C, entre rojo sangre y rojo cereza dirían los antiguos forjadores, causando su reblandecimiento al punto de poder ser conformado mediante martillo y yunque. Atendiendo al punto de vista microscópico, lo que está ocurriendo en esta etapa es el rompimiento de la red construida por la cementita, transformándola en simples cúmulos de este compuesto, de modo tal que aporta su característica de resistencia alta pero se disminuye su característica quebradiza al restringirse a cúmulos aislados.
Templado. Para terminar con la reproducción de una espada de Damasco, sólo nos resta revisar el proceso de templado.
Después del forjado, la hoja de la espada se encuentra ya conformada pero la estructura del material es de ferrita, lo cual quiere decir que es muy resistente pero no lo suficientemente dura. La dureza requerida se le dará mediante este procedimiento: se calienta la hoja hasta una temperatura ligeramente superior a 727°C y se le enfría bruscamente hasta llegar a la temperatura ambiente, para lo cual resulta ideal sumergirla simplemente en agua.










Figura 9.




Figura 10.

Lo que ha ocurrido al elevar la temperatura a 727°C es que se ha alcanzado la temperatura a la cual la ferrita centrada en el cuerpo empieza a transformarse en "austenita" centrada en las caras (Figura 8), y al enfriarla bruscamente (templarla) se detiene la transformación hacia "perlita", quedando los cristales de hierro con estructura centrada en el cuerpo en forma tetragonal (Figura 10) en vez de cúbica.
Esta nueva estructura, llamada martensítica, contiene la resistencia de la ferrita (centrada en el cuerpo) y aloja a los átomos de carbón como la austenita. En consecuencia, dará origen a un material resistente y duro para satisfacer las necesidades humanas que exijan estas características. El misterio de las espadas de Damasco se ha despejado.
En un párrafo anterior, al seguir la receta del esclavo sacrificado, comentamos que de seguirse el procedimiento propuesto se obtendrá una espada resistente pero quebradiza, y esto tenía relación con la temperatura de templado (sol naciente en el desierto). Pues bien, lo que ocurre si se trabaja por encima de 850°C es que se propicia nuevamente una disolución de la cementita en la austenita, provocando que el material en conjunto sea muy quebradizo.
El conocer o no los más íntimos secretos de las espadas de Damasco no impidió o limitó siquiera que la humanidad diera uso al acero. Esta aleación, hija de la casualidad o del empirismo (lo mismo da), ha resultado ser uno de los materiales más utilizados por el hombre. El dominio de la tecnología para producirlo en forma controlada pronto se tradujo en cambios sociales profundos, pues sus características físicas permitieron la fabricación de maquinarias más complicadas, estructuras más resistentes, procesos en los que intervenían condiciones más difíciles de obtener, etcétera.
Lo que propiamente se puede llamar tecnología del acero tuvo sus inicios en los albores del siglo XIX, y alcanzó su consolidación alrededor de 1861, con la invención de hornos que permitieron su producción masiva y la sucesión vertiginosa y abundante de nuevas aleaciones a base de este material.
La primera de ellas fue la obtenida a nivel experimental por Faraday, al fundir una mezcla de acero y níquel y una mezcla de acero y cromo, lo que ocurrió alrededor de 1819. Posteriormente se obtuvo el acero al tungsteno en 1858, y diez años más tarde, el acero al manganeso, que ha resultado ser una aleación con propiedades idóneas para la fabricación de herramienta. Ya en 1877, se obtiene el acero al cromo.
Cada una de estas aleaciones posee características que permiten su utilización de manera específica, y podríamos escribir muchísimo acerca del desarrollo que ha tenido este material, al punto de que aún en la actualidad, a más de un siglo de su surgimiento, se continúa trabajando intensamente en las aleaciones del acero. Existen programas de investigación tendientes a resolver el problema de la creación de aceros especiales, ya sea que se busque obtener mayor resistencia mecánica de éstos, mayor dureza o flexibilidad, o se busquen aleaciones que resistan temperaturas cada vez más elevadas con objeto de obtener materiales que vengan a resolver problemas en aeronáutica, en perforación de pozos petroleros o extracción de petróleo, o que se trate de producir materiales más resistentes a la corrosión por salinidad o acidez, etcétera.
El cuadro 4 muestra los elementos principales que se utilizan para realizar aleaciones con acero, y los efectos que se obtienen.
Para dar una idea de la rápida evolución e influencia que el acero y sus aleaciones tuvieron hacia finales del siglo pasado, cabe mencionar que entre 1870 y el fin de ese siglo, la producción mundial de acero aumentó de 500 000 a 28 000 000 de toneladas y, por otra parte, generó el surgimiento de un sinnúmero de tecnologías.




















Cuadro 4.








Elementos







Funciones principales









Aluminio




º Desoxida eficazmente
º Restringe el crecimiento del grano1







Cromo






º Aumente la resistencia a la corrosión y a la oxidación
º Aumenta la templabilidad
º Añade resistencia a altas temperaturas
º Resiste la abrasión y el desgaste







Cobalto


º Contibuye a conservar la dureza a alta temperatura







Manganeso



º Contrarresta la fragilidad debida al azufre
º Aumenta la templabilidad



















Molibdeno




















º Eleva la temperatura del inicio del crecimiento del grano
º Favorece el endurecimiento desde la superficie hacia el interior del material
º Contrarresta la tendencia a la fragilidad
º Aumenta las resistencias a alta temperatura, a la fluencia y la dureza a alta temperatura
º Mejora la resistencia a la corrosión en aceros inoxidables
º Forma partículas resistentes a la abrasión




















Níquel
















º Hace resistentes los aceros no templados o recocidos



















Fósforo

















º Aumenta la resistencia del acero al bajo carbón
º Aumenta la resistencia a la corrosión
º Mejora la maquinabilidad en los aceros de cortado libre







Silicio






º Desoxidador de propósito general
º Elemento de aleación para láminas eléctricas y magnéticas
º Mejora la resistencia a la corrosión
º Hace resistentes los aceros de baja aleación







Titanio



º Reduce la dureza y templabilidad en aceros al cromo







Tungsteno




º Forma partículas duras y resistentes a la abrasión en acero para herramientas
º Promueve la dureza y la resistencia a altas temperaturas







Vanadio





º Eleva la temperatura de inicio de crecimiento del grano
º Aumenta la templabilidad
º Produce endurecimiento









1 Se entiende por "grano" la región de un sólido que tiene la misma orientación cristalográfica. De esta manera, el sólido estaría formado por muchos granos que difieren en orientación cristalográfica, y cuando todos los granos que constituyen un sólido tienen la misma orientación cristalográfica, se tiene un monocristal.

Como muestra, vale la pena mencionar la construcción del Crystal Palace en el año de 1854, y la construcción de la Torre Eiffel en 1889 (Figura 11), que trajo consigo el diseño y construcción de ascensores eléctricos y, por supuesto, el diseño y construcción de una nueva maquinaria que permitiría dar nuevas formas y encontrar aplicaciones novedosas a este material.
LA QUÍMICA
En la época en que el acero empezó a producirse masivamente, surge también el desarrollo vertiginoso de la química orgánica, que condujo al hombre a la explotación de uno de los recursos más importantes de nuestro tiempo: el petróleo.
A continuación revisaremos de manera muy breve la evolución de la química, que ha hecho posible que estemos a finales del siglo XX viviendo la "edad del plástico". Los orígenes más remotos de la química los encontramos en la explotación de las salinas y la fabricación de colorantes, perfumes y sustancias medicinales a partir de la extracción de sustancias activas de las plantas.










Figura 11.



Figura 12.

Posteriormente se tiene la época alquimista, cuyo objetivo más conocido era encontrar la piedra filosofal, sustancia mágica que permitiría transmutar los metales, curar todas las enfermedades y rejuvenecer al individuo. Con esos fines, se hicieron algunas contribuciones importantes al conocimiento, como por ejemplo, el "aceite de vitriolo", el cual se obtenía de "vitriolo verde" —compuestos, que en el lenguaje actual, son ácido sulfúrico y sulfato ferroso, respectivamente (Figura 12).
Pero no se puede hablar de química propiamente dicha sino a partir de los experimentos de Joseph Black y Joseph Priestley, entre 1754-1774, consistentes en la obtención de bióxido de carbono y de oxígeno, respectivamente. (Este último, mediante calentamiento del óxido rojo de mercurio.) Desde entonces, la evolución de la química hasta nuestros días ha sido vertiginosa. En ella se pueden distinguir tres etapas: la química mineral, que se inicia con la fabricación del ácido sulfúrico concentrado y el carbonato sódico; la química orgánica, que tiene como objeto de estudio el carbono, por lo que también se le denomina "carboquímica", y cuyo desarrollo histórico se ubica en el siglo XIX; y ya en pleno siglo XX, la petroquímica, que consiste en el estudio sistemático del gas natural y el petróleo.
Como se mencionó antes, de la primera etapa se tiene la obtención del ácido sulfúrico a nivel industrial, que se realiza mediante la quema de azufre y nitrato de potasio en un recipiente suspendido en un gran globo de vidrio parcialmente lleno de agua. Este procedimiento se ha venido modificando hasta llegar a un proceso continuo de fabricación. El carbonato sódico necesario para la fabricación de jabones inicialmente se obtenía de las cenizas de algas marinas y posteriormente fue sujeto a un procedimiento a escala industrial, consistente en convertir la sal común en sulfato sódico mediante el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado. Dicho procedimiento, desarrollado por Leblanc, no entró en operación hasta los albores del siglo XIX (1807).
Paralelamente, se desarrolló la industria del vidrio, dando origen a la fabricación de vidrios para lentes, microscopios, etc., de modo que el vidrio pasó de ser un objeto de lujo a un objeto de uso común. La necesidad de nuevas composiciones de vidrios para funciones diversas obligó a que los silicatos se estudiaran de manera más sistemática.
En 1868 se inició la fabricación industrial de cloro a través del proceso ideado por el inglés Henry Beacon. En este proceso, el cloro se obtiene del ácido clorhídrico gaseoso.
La segunda etapa de la carboquímica nació a principios del siglo XIX, con el surgimiento de la industria del gas para alumbrado, cuyos subproductos más importantes fueron colorantes artificiales, fármacos y perfumes, que vinieron a sustituir a los extraídos de la naturaleza.
La combustión incompleta de la hulla produce coque y alquitrán. Este último compuesto tiene una gran diversidad de derivados, que se emplean en aplicaciones igualmente variadas: el ácido fénico, de gran utilidad para desinfectar heridas e instrumental médico; la aspirina, la sacarina, sulfamidas y otras drogas de uso en medicina. La industria de los materiales plásticos y de fibras sintéticas utiliza derivados del alquitrán para producir baquelita, nylon, rayón, etc. El trinitrotolueno (TNT) es otro derivado del alquitrán.
La tercera etapa se mezcla con el final de la segunda, mediante la sustitución progresiva de la carboquímica por la petroquímica, proceso en el cual el petróleo surge como combustible alrededor de 1859, y hay que esperar hasta el siglo XX para que a partir de su destilación se empiecen a obtener destilados como el propano, del cual a su vez se obtiene la acetona. A partir de 1920, aproximadamente, el petróleo sustituye al carbón como combustible y como materia prima en la industria química orgánica.
Si la destilación fraccionada de la hulla proporcionó al hombre tantos y tan útiles compuestos, los procesos desarrollados en la petroquímica y las soluciones a las demandas humanas obtenidas de ellas son literalmente pasmosas, sobre todo cuando un análisis a las entrañas de estos compuestos nos muestra que estamos frente a moléculas gigantes o macromoléculas, y lo impactante, lo pasmoso y a la vez lo obvio es que justamente con ellas, con las moléculas grandes, es con las que la humanidad ha vivido y se ha desarrollado desde siempre. Los organismos vivientes trabajan con macromoléculas, la naturaleza misma se desarrolla mediante macromoléculas, de modo tal que parece que desde siempre nos ha estado diciendo, nos ha estado sugiriendo, que intentemos ese camino, del que nos ocuparemos en el capítulo siguiente.



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 ponía en nuestras manos: seda, madera, azúcares, etc. Mucho se intentó y poco o nada se obtuvo, incluso hasta llegó a pensarse en la existencia de algo extra, un elemento misterioso que recibió el nombre de "fuerza vital" y que poseían sólo los compuestos de los mundos animal y vegetal y del que la naturaleza había privado al mundo mineral. Esta tendencia llegó a cobrar tal importancia que hasta el propio Jacob Berzelius, a quien se debe la distinción entre la química orgánica y la inorgánica, la notación atómica por símbolos y el descubrimiento del selenio, llegó a compartir tal idea y a pensar que entre la química de la materia viviente (la orgánica) y la inorgánica existía un abismo infranqueable. Este fue tal vez el origen de un reto más para el intelecto humano: ¿sería posible franquear tal abismo?
DE LO INORGÁNICO A LO ORGÁNICO
Como suele suceder, fue un discípulo de Jacob Berzelius quien dio el primer paso para salvar el abismo que alguna vez mencionara su maestro. En 1828, Friedrich Wohler, trabajando con una solución de cianato de plata y cloruro de amonio, ambos compuestos inorgánicos, obtuvo cianato de amonio, el cual después de calentado, produjo cristales transparentes e incoloros que resultaron idénticos en su composición química a la urea, principal compuesto orgánico de desecho en la orina. De inmediato escribió a Berzelius: "Debo decir que puedo hacer urea sin la intervención de un riñón animal, sea de hombre o de perro." ¡Se había sintetizado el primer compuesto orgánico fuera de un organismo vivo! ¡La química y la biología se habían unido!
El abismo empezaba a ser salvado; la teoría de la fuerza vital se tambaleaba y los logros de los investigadores se sucedían uno a otro con mayor frecuencia. Adolph Kolbe sintetiza el ácido acético, que antes sólo se encontraba en el vinagre o en destilados de madera y, de pronto, como resultado del trabajo tenaz que caracteriza a los investigadores científicos, surgen los primeros compuestos artificiales. Marcellin Berthelot "fabrica" sustancias grasas parecidas a las grasas naturales, ninguna de las cuales se hallaba en la naturaleza.
Nuevamente se estaba frente a resultados espectaculares sin que se supiera bien a bien qué estaba sucediendo, es decir, sin tener una teoría que explicara lo obtenido. La respuesta la encontraron Joseph Gay-Lussac y Berzelius en lo que éste llamo "isómeros" ('partes iguales'), concepto que puede resumirse en lo siguiente: un grupo idéntico de átomos de los mismos elementos puede formar compuestos químicos muy diversos, dependiendo de la manera en que se encuentren colocados en la molécula. Consecuentemente, mientras mayor sea el número de átomos en un compuesto, mayor es el número de sus isómeros. De esta manera fue posible entender que el cianato de amonio y la urea, isómeros en fórmula CH4N2O, eran 10 mismo, de modo que lo observado por Wohler fue que el calor aplicado al cianato sirvió para reacomodar los átomos para producir urea.
Gay-Lussac hizo otra observación importante: en algunos compuestos (cianuro de hidrógeno (HCN), por ejemplo) hay conjuntos de átomos (la pareja carbono-hidrógeno en este caso) que ante determinadas reacciones químicas pasan de un compuesto a otro sin separarse, es decir, se comportan como si fueran un solo átomo. A estos conjuntos de dos o más átomos que permanecen fielmente unidos a través de las reacciones químicas les llamó "radicales" (raíz, en latín).
A Jean Baptiste Dumas le tocó encontrar la riquísima veta de los compuestos del carbono que aún continuamos explotando. Hizo reaccionar cloro con varias sustancias orgánicas y descubrió en el átomo de cloro la capacidad de sustituir átomo por átomo al hidrógeno. Intentó hacer lo mismo con los parientes directos del cloro, es decir con bromo y yodo y obtuvo resultados similares, de lo que concluyó que en los compuestos orgánicos los elementos pueden ser sustituidos por otros, produciéndose familias de compuestos de carbono que, a pesar de su parentesco, son muy diferentes entre sí.
Ilustremos estas ideas con un ejemplo muy simple. Uno de los hidrocarburos (compuesto de hidrógeno y carbono) más sencillos es el metano, conocido por la mayoría de las personas por ser el componente principal del combustible para calefacción en el hogar. Contiene un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno. Si se hace uso de la ley de sustitución de Dumas y se sustituye uno de los hidrógenos por un cloro, el metano (CH4) cambia a clorometano (CH3CI), que es útil como refrigerante y es totalmente inútil como combustible.
Si en vez de tres de los hidrógenos del metano se ponen tres cloros, se obtiene el triclorometano, que no es otra cosa que el cloroformo anestésico. Finalmente, si en vez de los cuatro átomos de hidrógeno del metano se colocan cuatro cloros, lo que resulta es un compuesto cuyas propiedades lo hacen útil para extinguir incendios, para quitar manchas y como poderosísimo solvente, cuyo nombre científico es tetracloruro de carbono (CCl4).
Este ejemplo pone en claro la trascendencia de la química del carbono en favor de la satisfacción de las demandas de la humanidad, pero la permanente inquietud y el quehacer científico ha ido más allá y no le ha satisfecho al hombre el que algo funcione, que le sea útil; quiere, necesita, exige conocer cómo ocurren las cosas, por qué suceden, para con estas respuestas continuar sirviendo a la humanidad, satisfaciendo sus demandas.
Las preguntas centrales por contestar en la segunda mitad del siglo XIX eran: ¿Cómo se eslabonan los átomos de las moléculas orgánicas y qué reglas siguen? ¿Cómo se reflejarán estas reglas en las propiedades? ¿Por qué es posible ir sustituyendo hidrógeno por cloro y obtener compuestos con propiedades tan diversas? ¿Se podrá continuar haciendo sustituciones?
Las primeras respuestas fueron proporcionadas por el entonces joven químico francés Friedrich August Kekulé, en un artículo publicado en la revista alemana Anales de Químicaen 1858. El artículo tiene como título: "Sobre la constitución y metamorfosis de los compuestos químicos y sobre la naturaleza química del carbono." Kekulé tomó como punto de partida las ideas expuestas en 1852 por Edward Frankland, en las que éste señalaba que cada especie de átomo sólo puede combinarse con un determinado número de otros átomos, según su "aptitud" (valencia) para combinarse.
Con esto, todo cobra sentido: un átomo de hidrógeno que tiene valencia uno, sólo puede combinarse con otro átomo más; el carbono con valencia cuatro puede combinarse con otros cuatro átomos, etc. Así, podemos imaginarnos al átomo de carbono como una esferita con cuatro brazos que le servirán para enlazarse (combinarse) con los otros átomos para formar compuestos. Veamos cómo funciona este modelo y demos comienzo por la molécula más simple de la que habíamos hablado párrafos atrás: el metano.
Como ya se mencionó, la molécula de metano está formada por un átomo de carbón y cuatro átomos de hidrógeno (CH4), y se encuentra representada en la figura 13, donde se aprecia que cada uno de los cuatro brazos del carbono se entrelaza con el brazo disponible del hidrógeno, no dejando posibilidad alguna de otra combinación. Los átomos de carbono pueden combinarse con cualquier otro átomo, pero tienen una cierta "predilección" por hacerlo con sus semejantes, con otros carbonos, de modo tal que cuando las condiciones les son propicias se unen a otros átomos de carbono haciendo cadenas larguísimas de este elemento.










Figura 13. Metano.

Pensemos ahora en dos átomos de carbono. Estos utilizarán uno de sus brazos para unirse entre sí, quedándole a cada uno tres brazos libres para otras uniones (Figura 14).



Figura 14. Unión de dos átomos de carbono.

Si estos brazos los ocupan para unirse con hidrógenos, se tendrá un esquema similar al de la figura 15, que en forma condensada se puede escribir como C2H6, fórmula que representa al etano, un gas que se encuentra en la naturaleza.









Figura 15. Etano.


Si agregamos ahora otro carbono, quedan 8 enlaces (brazos) libres, ya que el carbono del centro tendrá ocupados dos de sus brazos en ligarse con los carbonos vecinos. Al ocuparse los brazos restantes con hidrógenos, lo que resulta es el gas propano (C3H8), representado en la figura 16, que tal vez sea el más conocido de los hidrocarburos, pues forma parte de la mezcla gaseosa que generalmente se usa en las cocinas.








Figura 16. Propano.

De esta manera, se puede continuar con este proceso para formar innumerables hidrocarburos, pero el carbono es más versátil y no sólo se combina con él mismo y con el hidrógeno, sino que lo hace con muchos otros elementos y de maneras diversas. Un átomo de carbono, incluso, puede unirse con otro átomo de carbono utilizando dos o hasta tres de sus brazos, dando como resultado compuestos distintos. En la figura 17 se muestra el esquema de un enlace doble entre carbonos. Al saturarse cada brazo libre del carbono con hidrógeno, se obtiene el etileno, compuesto que proporciona la naturaleza en el petróleo y el gas natural.





















Figura 17. Etileno.









Figura 18. Acetileno.








En la figura 17 se muestra el esquema de un enlace doble entre carbonos. Al saturarse cada brazo libre del carbono con hidrógeno, se obtiene el etileno, compuesto que proporciona la naturaleza en el petróleo y el gas natural.
Cuando dos átomos de carbono ocupan tres de sus brazos para unirse entre sí y saturan el brazo que les queda libre con hidrógeno (Figura 18), se tiene un compuesto altamente explosivo que recibe el nombre de acetileno.
Antes de pasar a discutir algunos ejemplos de combinaciones con otros átomos distintos del hidrógeno, hagamos la siguiente pregunta: ¿Las uniones en los hidrocarburos, necesariamente harán cadenas lineales? La respuesta es NO y, de hecho, al establecerse cadenas no lineales las propiedades de los compuestos resultan harto distintas, a tal punto que se pueden distinguir claramente dos grupos o familias: la familia de las grasas, que comprende compuestos como ceras, jabones, glicerina, lubricantes, detergentes y alcoholes, denominados alifáticos, cuya unidad básica es el metano. La otra es la familia de los aromáticos, que son compuestos extremadamente volátiles, reactivos, muy olorosos y cuyo elemento básico es el benceno, molécula en forma de anillo con seis átomos de carbono que se ligan entre sí por enlaces simples y dobles en forma alternada, saturando sus brazos libres con hidrógenos (Figura 19), y cuya expresión condensada es C6H6
Es innegable que el mundo de las moléculas compuestas por átomos de carbón e hidrógeno (hidrocarburos) es amplio y de gran utilidad para la humanidad, pero en la naturaleza están presentes otros muchos elementos, de tal forma que cuando éstos se combinan con los hidrocarburos, el espectro de posibilidades de nuevos compuestos para emplearse en las más diversas aplicaciones es realmente enorme.
Para nosotros, habitantes del planeta Tierra en el final del siglo XX, este mundo de los plásticos nos resulta harto familiar, al punto que ni siquiera somos conscientes de la enorme cantidad de objetos y productos que tienen su origen en el petróleo, y nos resulta sorprendente cuando nos enteramos de que el acetato de rayón, el acrilán, el dacrón o el orlón usados en la fabricación de prendas de vestir; el acetato de etilo o el alcohol etílico utilizados como disolventes de lacas y la aspirina o las sulfas que alguna vez habremos tomado para reestablecer nuestra salud son todos ellos derivados del etileno (C2H4), el cual es un gas incoloro e inodoro.
Sin duda alguna todos y cada uno de nosotros hemos tenido entre nuestras manos recipientes de plástico para muy diversos usos y habremos observado que unos son mas rígidos que otros, característica que se aprovecha para su aplicación, pues mientras que los recipientes rígidos se utilizan generalmente para envasar líquidos muy ligeros, los que no lo son se destinan para sustancias un tanto "pastosas" como la salsa de tomate, la mostaza, el champú, etc., en los cuales el deformar la botella contribuye a que el contenido salga más fácilmente.










Figura 19. Benceno.

Pues bien, ambos recipientes están hechos de lo mismo: polietileno. Su composición química es la misma y, sin embargo, su comportamiento es distinto. Surge de inmediato la pregunta: ¿Qué es entonces lo que hace la diferencia en el comportamiento de este material?
En repetidas ocasiones hemos insistido en la importancia que en un material tiene la estructura, y este es un ejemplo claro. Lo que hace la diferencia en el comportamiento mecánico (y térmico también) entre ambos tipos de polietileno, es la manera en que se juntan sus cadenas moleculares, cada una de las cuales se forma por la unión de miles de monómeros de etileno. De aquí proviene su nombre: polietileno (poli: muchos).
Los polímeros son moléculas formadas mediante la repetición sucesiva de un mismo grupo de átomos. A este grupo de átomos se le denomina monómero.
El polietileno rígido tiene sus moléculas no ramificadas (Figura 20(a)), mientras que el polietileno que se presenta más flexible tiene sus moléculas en cadenas ramificadas (Figura 20(b)), lo cual impide que las moléculas gigantes se alineen en filas compactas, dando como resultado un plástico que, además de ser más flexible, es menos denso y más maleable al calor.
Con el ejemplo anterior, se pone en evidencia que en el comportamiento y características de un plástico en su presentación final no sólo es importante la composición química de los materiales que intervienen, sino también la forma de la cadena y el alineamiento de la misma.
En un polímero, los monómeros que lo constituyen se unen entre sí como los eslabones de una cadena y, como en ésta, existen posibilidades de ramificarse, cerrarse, enlazarse, alinearse, etc. Dependiendo de la manera como estén hechos los eslabones, la cadena puede ser flexible o rígida (Figura 21). Estas posibilidades de estructura de la cadena polimérica y las combinaciones que se obtengan es lo que dará las propiedades del polímero en su forma final.
















Figura 20.



Figura 21.




Figura 22.



Esto da lugar a una verdadera ingeniería de moléculas y abre la posibilidad de diseñar y construir materiales (en este caso poliméricos) a la medida, al gusto del consumidor, adecuados a la demanda de la humanidad.
Ejemplifiquemos con el polietileno que, como mencionamos párrafos atrás, es una molécula de las más pequeñas y simples en el inmenso mundo de los hidrocarburos. Si con ella hacemos una cadena no ramificada como la que se muestra en la figura 20(a), obtendremos polietileno de baja densidad y flexible, cuyo punto de fusión se encuentra alrededor de los 134°C, ideal para ser utilizado en la fabricación de las bolsas que nos suministran en cualquier tienda de autoservicio.
Si a esta cadena le ponemos ramificaciones como las mostradas en la figura 20(b), pero sin permitir que éstas lleguen a unir una parte de la cadena principal con otra, entonces lo que se obtiene es un polietileno con punto de fusión ligeramente menor y, finalmente, cuando las ramificaciones llegan a unir dos regiones de la cadena, entonces se obtiene una elevación del punto de fusión hasta de 200°C aproximadamente. Pero aún hay otra posibilidad: si las moléculas de polietileno se alinean como lo muestra la figura 21(a), entonces lo que se obtiene es polietileno de alta densidad, con punto de fusión alto y mayor rigidez mecánica.
Resulta evidente que el espectro de aplicaciones es amplísimo y más aún si exploramos la posibilidad de incorporar otras moléculas y combinarlas entre sí. Tal es el caso de la mezcla poliestireno-polietileno que origina una cadena desalineada como la mostrada en la figura 21(b) y que por sus características resulta ideal para la fabricación de juguetes, implementos caseros y tantos objetos de uso común hoy en día.
Para finalizar este capítulo y con el propósito de mostrar la gran variedad de aplicaciones de los hidrocarburos, en la figura 22 se muestra un diagrama de los principales compuestos obtenidos de la refinación del petróleo.
La figura 23 muestra esquemáticamente algunos productos derivados del benceno. Obsérvese, por ejemplo, que la aspirina forma parte de ellos, al igual que la resina de fibra de vidrio.
DE LA MANO CON LOS POLÍMEROS
Decíamos que en este siglo ha sido impresionante la manera en que se desarrollaron los polímeros, cuyos primeros productos tuvieron su origen en el siglo pasado. En forma prácticamente paralela se desarrollaron los semiconductores, que en la actualidad son dispositivos de uso totalmente generalizado. Podríamos decir que no existe un solo lugar en el mundo urbano o aun rural donde no estén presentes.
La primera observación importante sobre semiconductores se debe a Michael Faraday, quien observó, en 1833, que a diferencia de los metales, en general buenos conductores de la electricidad y cuya resistencia aumenta al aumentar la temperatura, el sulfato de plata presentaba un decremento en resistencia al aumentar la temperatura. Pocos años más tarde, en 1839, Becquerel observó que al iluminar la superficie de ciertos materiales aparecía un voltaje, lo que vino a complementarse con la observación de W. Smith en 1873 sobre la reducción de resistencia en el selenio al ser iluminado, fenómeno conocido como fotoconductividad. Un año más tarde se da a conocer el hecho de que en ciertos materiales la relación lineal entre el voltaje y la corriente, conocida como ley de Ohm, no se cumple, sino que ésta depende tanto de la magnitud como del signo del voltaje aplicado. Es decir, se está frente al fenómeno de rectificación. F. Braun lo observa en contactos entre metales y varios sulfatos o sulfuros como la galena y las piritas y A. Schuster lo encuentra en contactos entre conductores de cobre opacos y brillantes.
La conductividad eléctrica, en general, se ha logrado explicar en términos de la movilidad de los electrones en el material. Así, por ejemplo, en un cristal metálico, los electrones de valencia (los más externos de cada átomo) no están atados a un sitio particular en la red cristalina sino que son libres de moverse a través del cristal. Esto da cuenta del porqué los metales son buenos conductores eléctricos. Por otra parte, en los cristales covalentes como el diamante, por ejemplo, los electrones de valencia están ocupados en establecer las ligaduras que determinan la estructura del cristal y por tanto no están libres para moverse; consecuentemente, no hay cargas disponibles para la conducción y los materiales así formados son aislantes. Algo similar ocurre con los cristales iónicos como el cloruro de sodio (NaCl), por ejemplo, en el que no hay cargas libres de moverse y el NaCl sólido es un aislante. Sin embargo, cuando se funde la sal, los iones dejan de estar atados a los sitios del cristal y pueden moverse; entonces, el NaCl fundido es un buen conductor.
Otro hecho importante es la dependencia que observa la conductividad de todos los materiales con la temperatura. Para los aislantes aumenta con la temperatura, mientras que para los buenos conductores disminuye cuando la temperatura aumenta.
LOS SEMICONDUCTORES
Como lo implica el nombre, la resistividad eléctrica de un semiconductor es intermedia entre la de un buen conductor y la de un buen aislante, pero como lo mencionamos, este es sólo uno de los aspectos interesantes de estos materiales.
Ejemplificaremos estos materiales con los casos más simples: el germanio y el silicio. Ambos elementos tienen cuatro electrones en su capa electrónica más externa y cristalizan en estructura de diamante (Figura 24). Como puede observarse, cada átomo está en el centro de un tetraedro regular ligado por covalencia con cuatro vecinos cercanos en las esquinas, de modo tal que sus cuatro electrones externos están ocupados y por tanto los materiales deberán ser aislantes.










Figura 24.

Sin embargo, las ligaduras de estos átomos se rompen muy fácilmente, de modo que con una pequeñísima cantidad de energía es posible liberar electrones para que deambulen por la red cristalina. Al arrancar de la ligadura covalente uno de estos electrones, se genera un agujero de electrón que lucirá como una carga positiva, agujero que de inmediato será ocupado por otro electrón de un átomo vecino, generando de nuevo otro agujero y así sucesivamente, de modo tal que los agujeros viajarán por la red cristalina dando origen a una corriente de agujeros. Obsérvese que esta corriente se ha generado por medio de la adición de energía al sistema y no ha habido adición de cargas, de modo que el número de electrones es igual al número de agujeros y, no obstante, hay corriente eléctrica. Por ello, a esta conductividad se le denomina conductividad intrínseca.
Un símil útil para entender la conducción en un semiconductor es el siguiente: imaginemos un cristal sin ligaduras rotas, como un estacionamiento de automóviles completamente lleno. En sus pisos inferiores ningún auto (electrón) se puede mover pues no tiene a donde ir. De pronto, un automóvil del primer piso ocupado decide subir a alguno de los pisos superiores donde sí hay espacio, y puede moverse libremente. Entonces, se ha creado un hueco que pasará a ocupar otro automóvil, el que a su vez dejará un hueco. Si observamos los huecos, nos parecerá que son éstos los que se están moviendo. Si agregamos a nuestra analogía la condición de que los automóviles sólo pueden ocupar algunos niveles específicos en el estacionamiento debido a que, por ejemplo, ciertos pisos están reservados para el dueño del edificio y por tanto son niveles prohibidos, habremos añadido el concepto de cuantización del sistema, creando un modelo de bandas de energía que consta de grupos de niveles energéticos separados por "bandas prohibidas".
Esto fue, grosso modo, lo que propuso A. H. Wilson en 1931 como modelo para un sólido semiconductor intrínseco, que vino a ser la culminación de todo un conjunto de investigaciones anteriores.
En 1888, H. Hertz demuestra la existencia de las ondas de radio, descubrimiento que genera la demanda de detectores adecuados que, después de 16 años de búsqueda, son hallados en los semiconductores de contacto puntual, tales como galena, carburo de silicio, telurio, silicio, etc. Se encontró que los detectores de silicio eran los más estables, y los de galena los más sensibles.
Los tubos al vacío (bulbos), que también se desarrollaron en la misma época, tuvieron un progreso vertiginoso, relegando a los semiconductores hasta 1920, cuando surgieron los rectificadores de óxido de cobre y la fotocelda, que encontraron aplicaciones industriales inmediatas en cargadores de baterías, exposímetros para fotografías, moduladores y elementos no lineales en circuitos electrónicos. Sin embargo, no se tenía un conocimiento claro de su funcionamiento, lo que hubo de esperar hasta el advenimiento de la mecánica cuántica y las aplicaciones de ésta al estudio de los sólidos. Con esta poderosísima herramienta fue posible explicar que, por ejemplo, la rectificación y el fotovoltaje son fenómenos de superficie que ocurren en la interfase de dos semiconductores o entre un semiconductor y los contactos metálicos; mientras que el mecanismo de conductividad eléctrica da origen al coeficiente de resistividad de temperatura negativa y al cambio de resistencia bajo iluminación (fotoconductividad), que son propiedades que derivan del cuerpo como un todo y no sólo de la superficie.
Los experimentos de C. J. Davisson y L. H. Gerner y los de G. D. Thomson, que condujeron a demostrar la naturaleza ondulatoria de los electrones, los conceptos de niveles de energía con un electrón por nivel, espín electrónico, principio de exclusión de Pauli y estadística de Fermi-Dirac, fueron de gran ayuda para que A. Sommerfield y colaboradores lograran esclarecer la conducción eléctrica en los metales. El concepto de electrón como onda de Bloch en un cristal fue definitivo para entender el comportamiento de los electrones en todo tipo de sólidos.
LAS IMPUREZAS OTRA VEZ PRESENTES
En páginas anteriores vimos cómo una pequeña cantidad de carbón adicionada al hierro dio origen al acero, que resultó ser más versátil que el hierro mismo. Algo similar ha ocurrido con los semiconductores intrínsecos: una pequeña cantidad de un elemento ajeno aumenta la conductividad eléctrica en relación con la conductividad del elemento puro.
Si al germanio fundido se le agrega una cantidad pequeña de arsénico y se deja solidificar la mezcla, ocurre lo siguiente: el arsénico tiene cinco electrones en su capa más externa y una carga eléctrica de 33 veces la carga del electrón en su núcleo, mientras que el germanio tiene cuatro electrones externos y 32 veces la carga del electrón en su núcleo, de modo que, siendo tan similares los átomos, el arsénico puede sustituir al germanio en la red cristalina, ocupando cuatro de sus electrones de valencia en ligarse covalentemente a sus cuatro vecinos cercanos, quedando prácticamente suelto el quinto electrón disponible para participar en la conductividad eléctrica. Por supuesto que además existe la conductividad producida por los agujeros que describimos con anterioridad, pero ciertamente es minoritaria comparada con la de los electrones de la impureza y por esta razón se dice que el material es un semiconductor tipo n, de impurezas negativas o donadores.
Si en vez de utilizar arsénico para "envenenar" al germanio utilizamos galio, que tiene sólo tres electrones en su capa más externa, lo que ocurre es que le "roba" un electrón a su vecino más cercano, creando un agujero de electrón, generándose una situación completamente equivalente a la de la conductividad intrínseca, pero ahora generada por una impureza. A este tipo de semiconductores se les denomina tipo p, de impurezas positivas o aceptadores. La variación del contenido de impurezas se traduce en el control de la conductividad en un semiconductor, y la combinación de éstos hace posible la realización de muchas funciones que en el pasado se realizaban mediante tubos al vacío (bulbos), con las ventajas de reducción considerable de tamaño, mejor aprovechamiento de la energía y robustez mecánica.
Después del descubrimiento del transistor en 1948, la tendencia mundial ha sido la miniaturización de los componentes electrónicos, lo cual permite hacer cada vez más especializados los equipos. El ritmo al que se ha desarrollado esta miniaturización es realmente impresionante, como puede deducirse de los datos siguientes: para 1960, la línea más estrecha que podía trazarse en un circuito era de 30 micrómetros, es decir treinta millonésimos de metro. Veinticinco años después, es posible trazar un ancho de sólo medio micrómetro (.5 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 INVESTIGACION sobre materiales es en nuestros días una de las disciplinas más cultivadas. En este libro he querido hacer énfasis en el aspecto social que presenta la ciencia-ingeniería de materiales. A lo largo del mismo se ha comentado con insistencia que en la actualidad la ciencia-ingeniería de materiales se enfoca a la satisfacción de las demandas de la humanidad mediante la creación de materiales hechos a la medida. Consecuentemente, el estado actual de la investigación atiende tanto a necesidades de la humanidad de orden muy general como a requerimientos muy particulares de ciertas comunidades.
En el primer caso se obtienen resultados universalmente aplicables y en el segundo soluciones de importancia local y que pudieran tener poco sentido para otra comunidad.
Son muchos los ejemplos útiles para dar un panorama general sobre el estado actual y las perspectivas de la ciencia-ingeniería de materiales. De entre ellos he escogido tres temas de gran relevancia a nivel mundial y que actualmente se desarrollan con muy buen éxito en los laboratorios del Instituto de Investigaciones en Materiales de la Universidad Nacional Autónoma de México (IIM-UNAM).
ALEACIONES CON MEMORIA DE FORMA
La primera vez que uno escucha que un pedazo de material ha "aprendido" algo, no puede menos que prepararse a escuchar algún cuento tradicional o de ciencia ficción en el que los objetos inanimados se mueven por sí solos, hablan y aprenden. La disposición a escuchar la fantasía se incrementa cuando se nos afirma que, una vez que el material ha aprendido algo, es capaz de recordarlo. Sin embargo, nuestra curiosidad por dicha narración se convierte en curiosidad científica cuando podemos presenciar el experimento siguiente: Una cinta de material similar al latón, en forma de semicírculo, se aproxima a una flama. Pronto empieza a enderezarse hasta tomar la forma de una regla, es decir, ahora está recta. A continuación se le sumerge en un vaso que contiene agua y súbitamente se curva para tomar su forma inicial de semicírculo. El experimento se repite una y otra vez, y la cinta invariablemente "recuerda" que cuando está en presencia de una flama (60°C) debe estar recta, y que cuando está expuesta al ambiente (20°C) debe tomar la forma de semicírculo.
Si ahora se nos preguntase el nombre que le asignaríamos a tan sorprendente fenómeno, estoy seguro que el más apropiado sería: "memoria de forma doble", pues el material guarda memoria de las formas que debe adoptar cuando se encuentre a dos temperaturas bien determinadas. ¿Qué es lo que provoca que el material se comporte de esta manera?
Microscópicamente, el llamado efecto memoria de forma consiste en el desplazamiento de los átomos en ciertas aleaciones cuando éstas se enfrían bruscamente. Técnicamente se trata de un cambio de fase denominado transformación martensítica, de la cual ya se habló en este libro al tratar el "misterio" de los aceros de Damasco. Cuando hablamos sobre ellos, mencionamos como responsable de su dureza a un proceso de transformación de una fase estable a alta temperatura (austenítica) a otra fase, generalmente metaestable, llamada martensítica, que ocurre como consecuencia del enfriamiento brusco. Esta transformación tiene la particularidad de llevarse a efecto sin difusión, es decir, sin migración de moléculas. Lo que ocurre es simplemente un desplazamiento de átomos en forma organizada, de modo que la estructura cristalina se modifica.
Si bien fue el acero el primer material en el que se observó este tipo de transformación, no es el único en el que ocurre, y tal proceso cobra particular significación cuando se observa en aleaciones no ferrosas como níquel-titanio, en la que se traduce en el efecto memoria de forma. Además, en estas aleaciones es posible obtener la transformación martensítica no sólo mediante cambios de temperatura sino también por esfuerzo mecánico Considérese, por ejemplo, una tira (plaqueta) de la aleación níquel-titanio en fase austenítica (A) a la temperatura T1 Figura 25 (a)). Mediante enfriamiento rápido pasemos la muestra a su fase martensítica (M) y tendremos la (Figura 25 (b)), en la que la tira tendrá la misma forma geométrica pero estará en una fase distinta (martensítica) y a temperatura T2. Si en esta fase y a la temperatura T2 se aplica un esfuerzo creciente, la plaqueta se deformará en dos etapas: primero de manera elástica, para continuar deformándose por reorientación de granos de diferente orientación cristalográfica (Figuras 25 (c) y 25 (d)). En esta segunda etapa se llegan a obtener deformaciones hasta de un 10% sin que se inicie la deformación plástica del material. Al retirar el esfuerzo la muestra se encuentra en las condiciones siguientes: en fase martensítica, deformada en relación con su forma original, sin esfuerzo externo y a temperatura T2. Si ahora se eleva la temperatura de T2 a T1, lo que ocurre es que la plaqueta regresa a su fase austenítica y recobra su forma original (Figura 25 (e)). Dicho de otra manera, el material recuerda la fase y forma que tenía a la temperatura T1, y de aquí el nombre de fenómeno de "memoria de forma simple".
Existe además el fenómeno de "memoria de forma doble", que consiste en que el material recuerda tanto la forma geométrica observada en la fase austenítica o fase a alta temperatura, como la de la fase martensítica o de baja temperatura, de tal modo que siempre que el material se encuentre a la temperatura T1 tomará la forma que "aprendió" en tal condición y ocurrirá lo mismo a la temperatura T2.
En el cuadro 5 se muestran ejemplos de la gran variedad de aplicaciones que habrá de tener este fenómeno. (Este cuadro fue tomado del artículo "Aleaciones con memoria de forma" del doctor David Ríos Jara, aparecido en la revista ICYT, noviembre de 1987.)










Figura 25.














Cuadro 5. Aplicaciones tecnológicas de las aleaciones con memoria de forma.







Aplicación







Aleación ( es )







Observaciones








EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE

Fusibles térmicos






Cu-Zn-Al 
Cu-Zn-Ni

Rearmables
Rearmables
Detectores y accionadores de dispositivos de control térmico (alambres contra incendios, por ejemplo)






Cu-Zn-Al 
Cu-Al-Ni

El elemento con memoria de forma puede efectuar las dos funciones al mismo tiempo
Detectores de calentamiento excesivo de celdas en cuñas electrolíticas






Cu-Zn-Al 
Cu-Al-Ni

Elimina la detección manual
Anillos de ensamblaje rápido de tubería







Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni















Elimina la necesidad de soldadura en tubería submarina (Ti-Ni).
Procesos económicos

Barras de tratamiento de escoliosis severas (desviaciones de la columna vertebral)







Ti-Ni














Implantable en el cuerpo humano Aleación inerte

Grapas para ligadura de Trompas de Falopio







Ti-Ni













Contracepción

Dispositivos diversos para ortopedia







Ti-Ni


Aleación inerte. Buena resistencia mecánica

Antenas autodesplegables para satélites






Ti-Ni

Ya han sido utilizadas







DOBLE EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE

Controles térmicos de flujo de agua o gas






Cu-Zn-Al 
Cu-Al-Ni

Válvulas térmicas
Relevadores térmicos






Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni


No necesitan ser rearmables
Motores de estado sólido








Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni

De baja eficiencia pero económicos y de mantenimiento simple
Alambres para guías de fibras ópticas








Ti-Ni

Ayudan a la introducción de una fibra óptica en el interior del cuerpo humano
Sistemas de abertura automática de aereación







Cu-Zn-Al
Cu-Al-Ni

Invernaderos, automóviles, etc.






PSEUDOELASTICIDAD

Resortes con geometrías diversas






Cu-Zn-Al 
Cu-Al-Ni

Aplicaciones de alta tenacidad






AMORTIGUAMIENTO

Partes de aviones y automóviles






Cu-Zn-Al 
Cu-Al-Ni

Se han usado también en cohetes militares

Sistemas de reducción de ruido






Cu-Zn-Al 
Cu-Al-Ni

Cubren el espectro audible









BIOMATERIALES
La pérdida de un miembro o parte del organismo es sin duda alguna uno de los eventos que más ha preocupado a la humanidad desde siempre. Consecuentemente, son muchos los esfuerzos que ésta ha hecho para remediar estas pérdidas, desarrollando implantes o prótesis como medios correctivos sustitutos del miembro natural. Los materiales más apropiados para estas funciones han tenido que investigarse en términos no sólo de la función que habrán de realizar sino del medio en el que estarán y de su interrelación con el resto del organismo.
La ciencia médica ha conseguido con éxito el trasplante de órganos, sustituyendo el órgano dañado por otro igual, perteneciente a otra persona. La ciencia de materiales, por su parte, ha hecho posible la sustitución de elementos vivos por elementos artificiales y así es como hemos oído hablar —o la hemos experimentado— de la implantación de un pedazo de hidroxiapatita en sustitución de un hueso o de la colocación de una válvula cardiaca construida con titanio y nylon en vez de una válvula "original". Esta rama de la ciencia-ingeniería de materiales que se ha desarrollado en apoyo directo a la vida recibe en nuestros días una gran atención a nivel mundial. El cuadro 6 muestra en forma resumida algunos de los dispositivos para implantes que actualmente están en proceso de prueba para su aplicación real, o tienen ya un uso generalizado.
En México, esta rama de la ciencia-ingeniería de materiales no se ha desarrollado en forma organizada, si bien los esfuerzos aislados de algunos laboratorios y de investigadores independientes han logrado ciertos éxitos.




















Cuadro 6. Dispositivos de implante en uso o probados, su función y los biomateriales empleados.








Dispositivo







Función







Biomaterial








SISTEMAS SENSORIALES Y NERVIOSOS

Humor artificial vítreo
Llenar la cavidad vítrea del ojo
Esponja de silicón teflón: pologliceril metacrilato (PGMA)
Prótesis de córnea
Proprociona una vía óptica a la retina
Polimetil metacrilato (PMMA); hidrogel
Lentes intraoculares
Corregir problemas causados por
cataratas
PMMA (lentes); nylon, polipropileno, Pt, Ti, Au (aros)
Ducto artificial del saco lagrimal
Corregir la obstrucción crónica
PMMA
Trompa de Eustaquio artificial
Propiciar tránsito de ventilación pura
Goma elástica de silicón, teflón
Tubulación nerviosa
Poner en línea recta diversos nervios
Membrana de silicón, metales quirúrgicos porosos
Prótesis oído medio
Reemplazar huesos dañados del oído  medio
PMMA; hilo metálico; proplast (PTEE+fibra de carbón); biovidrio
Guías percutáneas
Conducir potencia o electricidad a dispositivos sensoriales
Nylon o dacrón terciopelado, PMMA
Prótesis auditivas, prótesis visuales
Restauración de oído y visión
Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA
Analgesia eléctrica
Eliminar dolor crónico
Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA
Control eléctrico de ataque epiléptico
Conducir señales eléctricas al cerebro
El mismo
Estimulación frénica
Control de la respiración eléctricamente
El mismo
Control de vejiga
Estimular la liberación de lavejiga
El mismo






CORAZÓN Y SISTEMA CARDIOVASCULAR

Estimulación al miocardio y
endocardio (marcapasos de
corazón)
Mantener el ritmo cardiaco
Acero inoxidable, contenedores de Ti, goma elástica de silicón, cera epoxy encapsulada; electrodos de Pt o aleaciones Pt-Ir
Desviaciones crónicas y catéteres
Auxiliar en hemodiálisis
Polietileno, revestimientos hidrofilicos
Válvulas cardiacas
Reemplazar válvulas enfermas
Aleaciones Co-Cr; carbón isotrópico a baja temperatura, injertos porcinos; aleaciones de Ti con silastic o discos de carbón pirolítico
Prótesis arteriales y vasculares; componentes artificiales del corazón; dispositivos auxiliares del corazón
Reemplazar arterias dañadas y vasos sanguíneos; reemplazar el corazón
Segmentos de poliuretano, goma elástica de silicón o ejes de carbón pirolítico con mallas de dacrón; heparina +GBH o TGBHrevestimientos sobre teflón o goma elástica de silicón;PHEMA revestidas con polímeros; dacrón terciopelado, fieltros y tejidos; tejidos de poliolefinas (TP), TP con superficie de gelatina enlazada transversal; tan sólo teflón (PTFE)






REPARAR Y REEMPLAZAR EL ESQUELETO

Cadera total artificial, rodilla, hombro, codo, carpo, etc.
Reconstrucción artrítica o fractura de articulaciones
Vástagos: acero inoxidable 316L; aleaciones T-Al-V; aleaciones ahuecadas de Co- Cr-Mo-Ni; polietileno de alta densidad; "cemento" PMMA; alúmina de baja densidad; polímero poliacetal; recubrimientos de metal-carbón pirolítico; recubrimiento de metal-biovidrio; politetrafluoroetileno poroso (PTFE); recubrimientos de PTFE-carbón sobre metal; fibras de PMMA-carbón, polvos compuestos de PMMA-cervital; acero inoxidable poroso; Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti
Placas de hueso, tornillos, alambre
Reparar fracturas
Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido poliláctico-ácido poliglicólico
Clavos intramedulares
Alinear fracturas
El mismo
Varillas Harrington
Corregir la curvatura crónica de la espina
El mismo
Miembros del cuerpo artificiales implantados permanentemente
Reemplazar extremidades perdidas
El mismo, además de nylon o dacrón terciopelados sobre silastic para tejido suave con crecimiento interno
Separadores y extensores vertebrales
Corregir deformidades congénitas
Al2O3
Fusión espinal
Inmovilizar vértebras para proteger la médula espinal
Biovidrio
Estimulación funcional neuromuscular
Controlar músculos eléctricamente
Electrodos de Pt, Pt-Ir; silicón; aislamiento de teflón






DENTAL

Reposición de hueso alveolar, reconstrucció mandibular
Restaurar el soporte alveolar para mejorar la dentadura adecuada
PTFE carbón compuesto (proplast); Al2O3 poroso; cervital; HEMA hidrogel-relleno, apatita porosa; fosfato tricálcico; copolímero PLA/PGA; biovidrio, apatita densa
Implantes de reemplazo de dinetes (aletas, anclas, espirales,cilindros en forma natural o con base modificada)
Reemplazar dientes enfermos, lesionados o no existentes
Acero inoxidable, aleaciones Co-Cr-Mo, Ti y aleaciones de Ti Al2O3, biovidrio,carbón LTIPMMA, proplast, aluminato de calcio poroso, mineral de MgAl2O4, carbono vítreo, hicroxiapatita densa
Implantes de reemplazo o de dientes subperiósticos
Soportar el puente de trabajo o directamente dientes sobre el hueso
alveolar
Acero inoxidale, aleación de Co-Cr-Mo, recubrimientos de carbónLTI
Anclas ortodónticas
Proporcionar postes para la aplicación del esfuerzo requerido para cambiar deformidades
Biovidrio bañado de Al2O3;biovidrio bañado de Vittalium






PRÓTESIS PARA RELLENO DE TEJIDO BLANDO

Contorno de cara y prótesis de relleno (nariz, oreja, mejilla)
Reemplazar tejido enfermo, traumatizado
o con tumores
Goma elástica de silicón (silastic), polietileno, PTFE, silicón fluido, fluido de colágeno disuelto
Prótesis mamarias
Reemplazar o aumentar el seno
Gel y goma elástica de silicón, tejido de dacrón, esponja hydrón
Hueso para defectos craneales y prótesis de reconstrucción
máxilofacial
Rellenar defectos
Resina acrílica curada-uniforme; acero inoxidable, aleación Co-Cr, lámina de Ta, polietileno y uretano poliéster cubierto de tereftalato de poloetileno recubierto de malla tejida
Cartílago articular artificial
Reemplazar los cartílagos deteriorados
por artritis
Hidrogel PVA cristalizado y polímeros de poliuretano;PFTE con fibras de grafito (proplast)






MISCELÁNEA DE TEJIDO SUAVE

Uretra, vejiga y pared intestinal artificiales
Reemplazar tejido dañado
Teflón, nylon-poliuretano compuesto; pericardio tratado de bovino; banda elástica de silicón
Piel artificial
Tratamiento en quemaduras severas
Colágeno procesado; membrana de silicón ultradelgada de espuma de policaprolactona (PCA); película PCA compuesta
Desviación hidrocefálica
Propiciar el drenaje y reducir la presión
Cinta elástica de silicón
Parches suaves
Reparar hernias
Acero inoxidable, malla de dacrón
Desviaciones internas
Propiciar el acceso rutinario a las unidades de diálisis
Colágeno modificado; silastic
Desviaciones externas
Propiciar el acceso rutinario para diálisis
Silastic-teflón o dacrón
Suturas
Mantener el contacto suave para ayudar
a la cicatrización
Acero inoxidable, cera, nylon, PGA, dacrón, cuerda de tripa, polipropileno
Sistemas de liberación de drogas
Reemplazar drogas progresivamente; inmovilizar enzimas
Cinta elástica de silicón, hidrogels de copolímero etileno-acetato de vinilo;PLA/PGA polisacáridos-polímeros de vinil
Tráquea artificial
Reconstrucción de la tráquea
Malla de dacrón poroso-poliéster uretano, malla de Ta, esponja Ivalon y malla de polipropileno









Tal es el caso de la producción de prótesis mamarias para uso externo, cuyo proceso fue desarrollado en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM ante los requerimientos presentados por el Grupo RETO, A.C., como parte de su programa de rehabilitación física y psicológica de mujeres con mastectomía (extirpación del seno por tumor canceroso). Desafortunadamente, el número de mujeres en México que tiene que sujetarse a una cirugía de esta naturaleza alcanza la cifra de 5 000 a 6 000 por año.
En este tipo de cirugía, aparte del daño físico resultado de la propia operación, se presenta un daño psíquico severo que impone la necesidad del uso de una prótesis. Los precios de éstas son lo suficientemente elevados como para quedar fuera del alcance de ciertos estratos socio económicos.
En la actualidad, a nivel mundial, existen prótesis mamarias tanto para uso interno como externo. Las primeras, claro está, proporcionan una solución más de fondo, y son el resultado de una tecnología más avanzada tanto de materiales como desde el punto de vista médico, y por consiguiente, tienen un precio más elevado que las segundas. Éstas, por su parte, observan características en cierta manera opuestas, lo que representa enormes ventajas económico-sociales.
La figura 26 muestra los moldes que fueron diseñados y construidos para obtener los prototipos de la prótesis de uso externo y la prótesis misma, la cual es de poliuretano espumado.
Además de este tipo de prótesis, y como resultado de crecientes investigaciones sobre los materiales, se ha seguido trabajando en forma multi e interdisciplinaria en la obtención de prótesis y dispositivos internos a base de silicón para el tratamiento de enfermedades muy diversas.























Figura 26.
LOS SUPERCONDUCTORES "CALIENTES"
Durante el proceso de elaboración de este libro, se dio a conocer el resultado de una investigación científica que ha conmocionado al mundo. Se trata de un fenómeno "viejo": la superconductividad (véase pp. 75-77 del volumen 3 de La Ciencia desde México) con un material "nuevo": las cerámicas. Lo que se ha obtenido son materiales cerámicos superconductores de alta temperatura de transición.
El "viejo" fenómeno de superconductividad (descubierto en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes) se manifiesta fundamentalmente en dos hechos experimentales, a saber:
— Un material superconductor es aquel que, en una temperatura determinada, presenta una resistencia eléctrica igual a cero.
— En el estado superconductor el material se comporta como un diamagneto perfecto, es decir, se opone a que un campo magnético penetre en él (efecto Meissner).
Las temperaturas a las que se había observado este fenómeno eran, hasta 1986, menores a 24 K (249°C por debajo de la temperatura de congelación del agua), lo cual representaba enormes dificultades tanto para observarlo como para utilizarlo en aplicaciones prácticas a costos razonables, ya que la única manera de alcanzar tan bajas temperaturas es mediante helio líquido, que exige una tecnología muy sofisticada tanto para obtenerlo como para manejarlo.
Así pues, aunque las posibles aplicaciones de la superconductividad fueron advertidas desde el descubrimiento mismo del fenómeno, su utilización se veía muy remota, y quedó como gran reto para la ciencia de los materiales y como gran demanda de la humanidad el encontrar materiales superconductores a temperatura lo más alta posible, incluso a la temperatura ambiente.
En su intento por satisfacer esta demanda, la humanidad ha dado los pasos que se muestran en la gráfica 1, en la que es fácil observar que en 64 años (de 1911 a 1973) se logró un incremento de tan sólo 20 grados (de 4.2 K a 23.4 K), mientras que, tan sólo en 13 años (1973 a 1986), ¡se logró un incremento de aproximadamente 67 grados! El avance ha sido enorme, espectacular, sobre todo si se toma en consideración que ahora sólo se requiere enfriar el material a la temperatura del nitrógeno líquido (-196°C) para obtener una resistencia igual a cero en el material, así como expulsión del campo magnético.

















Gráfica 1.

Por otra parte, no deja de llamar la atención que los materiales que ahora se conocen como "de alta temperatura de transición" son materiales cerámicos, los cuales tradicionalmente se han venido utilizando como aislantes. ¿No son acaso de porcelana los aislantes utilizados en las líneas de alta tensión? ¿Y no es la porcelana una cerámica?
Los mecanismos responsables del fenómeno de superconductividad en estos nuevos materiales no han sido hasta la fecha debidamente dilucidados, y con toda seguridad habrán de llevarse a cabo muchas investigaciones para explicar lo que está ocurriendo en estas cerámicas superconductoras a alta temperatura. Ya se vislumbra que los mecanismos no son idénticos a los que dan lugar a la superconductividad de baja temperatura, y la cantidad de preguntas que están surgiendo en torno a este nuevo fenómeno es enorme: ¿Será posible encontrar otros materiales que sean superconductores a temperaturas más elevadas? ¿Serán éstos los superconductores supercalientes? ¿Será acaso posible llegar a temperatura ambiente? Las aplicaciones que se suponían posibles cuando el fenómeno sólo se observaba a baja temperatura, ¿seguirán como expectativas válidas para estos nuevos superconductores?
En nuestro país se realizan investigaciones tendientes a proporcionar las respuestas a estas preguntas. La figura 27 muestra la levitación magnética producida por el efecto Meissner. Los superconductores que aparecen en la fotografía son cerámicas de Y1Ba2Cu3O7-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.














Cuadro 7. Cerámicas finas.







Funciones







Propiedades







Aplicaciones


Térmicas
- Refractarias
-Aislantes
-Coductoras térmicas
-Sumideros de calor
Mecánicas
- Alta resitencia
- Resistente al uso
- Baja expansión térmica
- Lubricantes
- Herramientas
- Abrasivos
- Alabes de turbina
- Lubricantes sólidos
- Instrumentos de presición
Biológicas y Químicas
- Compatibilidad biológica
- Resistencia a la corrosión
- Huesos artificiales
- Prótesis
- Equipo geotérmico y químico
Electromagnéticas
- Aislantes eléctricos
- Conductores eléctricos
- Circuitos integrados
- Substratos
- Sensores industriales
Ópticas
- Condensación óptica
- Fluorescencia
- Traslucidez
- Conductividad óptica
- Diodos láser
- Diodos emisores de luz
- Porcelanas traslúcidas resistentes
  al calor
- Fibras ópticas para
  comunicaciones y
  dispositivos médico-
  quirúrgicos
Nucleares
- Refractarios
- Resistencia a la radiación
- Recubrimientos de
  contenedores de
  combustible
- Control









El cuadro 8 muestra una clasificación de las cerámicas de alta tecnología según la función que desempeñan.
Resulta evidente la gran cantidad de aplicaciones que ya se han dado y las que habrán de darse utilizando estos nuevos materiales, producto directo de la "locura" de conquistar el espacio extraterrestre. Las motores de turbinas de gas y las herramientas de corte son dos ejemplos claros de la utilidad de estos materiales en la vida cotidiana de un número considerable de seres humanos.
Hacia el futuro inmediato. El desarrollo de materiales y los avances en la tecnología de la fabricación de partes para la exploración del espacio desempeñarán un papel fundamental en lo futuro. Para el año 2000 habrán de desarrollarse nuevas aleaciones y materiales compuestos para las partes estructurales, superaleaciones cerámicas y compuestos vidriados para los sistemas de propulsión.
Metales y aleaciones. Uno de los procesos más novedosos para preparar nuevas aleaciones es el conocido con el nombre de solidificación rápida, que consiste en un enfriamiento extremadamente rápido del material original desde su fase líquida a una fase sólida en forma de polvo. Este enfriamiento suele producirse a razón de un millón de grados por segundo. En la actualidad este proceso ha producido aleaciones de aluminio con rigidez específica y resistencia mecánica mayores y aleaciones de aluminio o níquel con resistencias a la temperatura superiores a las conocidas con anterioridad.
Otros procesos desarrollados durante la búsqueda de materiales útiles para la exploración espacial y que son, o muy pronto serán, de gran importancia en la vida cotidiana son el formado superplástico, la difusión de enlaces o soldadura por estado sólido y el formado total.




















Cuadro 8.








Materiales







Aplicaciones








FUNCIONES ELÉCTRICAS

Materiales aisladores
(Al2O3, BeO, MgO)
- Substratos para circuitos, alambrados, resistores e
  interconecciones electrónicas
Materiales ferroeléctricos
(BaTiO3, Sr TiO3)
- Capacitores cerámicos
Materiales piezoeléctricos
- Vibradores, osciladores, filtros, tec.
- Transductores, humidificadores
  ultrasónicos, generadores de
  piezoeléctricos, de chispa, tec.
Materiales semiconductores
(BaTiO3, SiC, ZnO-Bi2O3, V2O5
y otros óxidos de metales de transición)
- Sensores y compensadores de  temperatura
- Elementos calefactores, interruptores, compensadores de
  temperatura, etc.
- Elementos sensores de calor
- Sensores de infrarojo
- Eliminación de ruido
- Absorbedores de variaciones de corriente, etc.
- CdS sinterizado para celdas solares
- SiC como calentador en hornos eléctricos, calentadores
  miniatura, etc.
- Electrolito sólido para baterías de sodio
- ZrO2 cerámico como sensor de oxígeno, medidor de pH
Materiales conductores iónicos
( -Al2O3, ZrO2 )

Ferritas blandas
- Cabezas para grabación magnética, sensores de
  temperatura, etc.
Ferritas duras
- Imanes de ferrita, motores de potencia fraccionada, etc.






FUNCIONES ÓPTICAS

Alúmina traslúcida
- Lámparas de vapor de sodio a alta presión
Magnesio traslúcido, mulita, etc.
- Para tubos de iluminación, lámparas especiales, materiales
   para ventanas en el infrarojo
Cerámicas traslúcidas
  Y2O3-ThO2
- Material láser
Cerámicas PLZT
- Elementos de memoria luminosa, despliegues de video y
  sistemas de almacenaje, elementos moduladores de luz,
  válvulas de luz, etc.






FUNCIONES QUÍMICAS

Sensores de gas
(ZnO, Fe2O3, SnO2)
- Alarmas para fugas de gas, ventiladores automáticos,
  detectores de flúor o carbón, etc.
Sensores de humedad
  (MgCr2O4-TiO2)
- Elementos de control de conocimiento en hornos de
  microondas, etc.
Portadores catalíticos
- Portadores catalíticos por control de emisión
Catalizadores orgánicos
- Portadores de enzimas, zeolitas
Electrodos (titanatos, sulfatos y boratos)
- Procesos fotoquímicos, producción de cloro






FUNCIONES TÉRMICAS

Cerámicas ZrO2, TiO2
- Radiadores infrarrojos






FUNCIONES MECÁNICAS

Herramientas de corte
(Al2O3, TiC, TiN, otros)
- Herramienta cerámica, herramienta cerment, diamante artificial, herramienta nitrurada
Materiales resistentes al uso
(Al2O3, ZiO2)
- Sensores de presión, selladores mecánicos, tiralíneas cerámicos, cojinetes, guías de tarraja
Materiales resistentes al calor
(Al2O3, Si3N4, SiC, otros)
- Motores cerámicos, álabes de turbina, intercambiadores de calor, quemadores para soldadura, crisoles para combustión a alta frecuencia






FUNCIONES BIOLÓGICAS

Implantación de cerámica de alúmina y biovidrio de hidroxiapatita
- Maxilares y raíces de dinetes artificiales, huesos artificiales






FUNCIONES NUCLEARES

Combustibles nucleares
(UO2, UO2-PuO2)
Material para revestimiento
(C, SiC, B4C)
Material para blindaje
(SiC, Al2O3, C, B4C)









El formado superplástico consiste en producir grandes cambios en la forma del material, generalmente un metal o una aleación, mediante altas temperaturas y bajas presiones. De hecho el material adquiere una consistencia casi pastosa (plástica), lo que permite que se le conforme casi a placer.
La difusión de enlaces o soldadura por estado sólido es un proceso de unión de dos metales realizado a altas temperaturas y presión. La unión se lleva a efecto por la difusión, a través de las superficies que han de unirse, de los átomos de los distintos materiales. Es algo así como utilizar los propios enlaces químicos de los materiales en juego para hacer la soldadura.
El formado total es una técnica en la que partiendo de un material en forma de polvo se le da su forma final comprimiéndolo contra un contenedor de cerámica, vidrio o acero que tiene ya la forma deseada. Se trata de una especie de rechazado a muy altas presiones teniendo como material a un polvo.
Los nuevos materiales compuestos. Los nuevos materiales compuestos consisten en una matriz, que lo mismo puede ser una resina orgánica o un metal y fibras de alta resistencia que se embeben en la matriz. Como se ha mencionado, la fibra más común es el grafito, pero también las hay de vidrio, boro, carburo de silicio, Kevlar (una fibra orgánica) y metales filamentarios. El papel de la matriz es el de mantener unido el compuesto y permitir que el material se pueda conformar en formas diversas.
Debido a la matriz, es posible diseñar el material para que tenga propiedades tales como resistencia y rigidez. Los materiales compuestos son más resistentes que el acero, más rígidos que el titanio y más ligeros que el aluminio. Además ofrecen otras propiedades importantes como resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas. Por estas razones son particularmente efectivos en las estructuras espaciales, las que deben ser tanto resistentes como ligeras. La tecnología relativa a los recubrimientos también está recibiendo especial atención y se han desarrollado recubrimientos de cromo, aluminio y aleaciones de itrio con hierro, cobalto o níquel que ofrecen protección a temperaturas tan altas como 1 700°C.
Una de las aleaciones que ha despertado mayor interés en la actualidad para aplicaciones aeroespaciales es la de aluminio-litio, cuya principal virtud radica en su muy baja densidad. Otras aleaciones de aluminio, tales como aluminio-hierro-molibdeno-zirconio funcionan suficientemente bien a altas temperaturas como para competir con el titanio por encima de 1 000°C.
2. Materiales desarrollados en el espacio
Extraer de la Tierra los materiales que ésta nos suministra, tomar ventaja de las propiedades de cada uno de ellos y ponerlos al servicio del hombre es lo que puede llamarse la primera etapa en la historia de los materiales. Violentar algunas propiedades innatas mediante agentes externos como el golpeteo mecánico o la temperatura fue la segunda gran etapa. La tercera etapa consiste en combinar materiales con propiedades distintas, valiéndose de agentes externos y obteniendo "nuevos materiales" con "nuevas propiedades" en ocasiones superiores a las poseídas por los constituyentes de origen, pero siempre sujetos a las condiciones impuestas por nuestro hábitat natural.
Liberarse de alguna de estas condiciones, disminuyendo, por ejemplo, la presión atmosférica (hacer el vacío), o simular algunas otras como la humedad, la radiación ultravioleta, la infrarroja (intemperismo acelerado), etc., constituye la etapa siguiente, que puede considerarse aún vigente a pesar de los grandes avances descritos en los párrafos inmediatos a éste. Pero estamos en el umbral de una nueva etapa en esta fascinante historia: aquella en la cual, una vez diseñados los materiales que le permiten hacerlo, el hombre abandona su entorno natural y en nuevas condiciones intenta repetir algo de lo ya realizado. Se empeña en seguir aprendiendo, seguir avanzando, continuar tomando ventaja de aquello que le queda o poner al alcance de su mano lo inaccesible para, nuevamente, ponerlo al servicio del hombre mismo.
Materiales fabricados en el espacio. La fabricación de materiales en la superficie terrestre se realiza siempre bajo la influencia de la aceleración gravitacional y la presencia de la atmósfera, que puede introducir contaminación adversa, la cual, sin embargo, puede eliminarse utilizando atmósferas artificiales con gases inertes. Prácticamente estamos imposibilitados para eliminar todos los efectos gravitacionales, y éstos son los responsables de fenómenos como la separación de fases, la segregación por densidad, los sobreenfriamientos y algunos tipos de contaminación. La posibilidad de realizar procesos de fundición, difusión, crecimiento de cristales, etc., en el espacio exterior brinda la oportunidad de eliminar los efectos derivados de la aceleración gravitacional y, consecuentemente, hace que esta posibilidad resulte sumamente atractiva.
En el espacio exterior, en adición a la ventaja de la "pérdida" parcial o incluso total del peso se tiene la ventaja potencial de la energía solar y una situación de vacío más favorable. La producción de cristales ultrapuros, la separación de sustancias, la homogenización de compuestos, la obtención de productos farmacéuticos de alta pureza, vidrios y semiconductores son algunas de las áreas en las cuales es más promisorio utilizar las ventajas del espacio exterior.
La idea de realizar experimentos en ausencia de corrientes convectivas o vibraciones, en un ambiente estéril, en vacío casi perfecto y gravedad prácticamente nula no surgió como resultado instantáneo de los primeros éxitos en los vuelos espaciales, sino que fue una idea acariciada mucho tiempo atrás por los teóricos. De esta manera, al abrirse las posibilidades reales de llevarla a la práctica lo que tuvo que hacerse de inmediato fue investigar la manera de realizar esos experimentos en forma enteramente autónoma.
En la actualidad ya se han realizado varios experimentos con resultados muy exitosos, al grado de que se encuentran en curso los estudios económicos respectivos para ver la conveniencia de lo que podríamos llamar la comercialización del espacio exterior.
Productos para la vida. De éstos, el experimento más avanzado es un experimento sobre electroforesis, que es una técnica para separar sustancias orgánicas en presencia de un campo eléctrico y que es muy utilizada para la producción de medicinas. Este proyecto se inició en 1977 y se llevó a efecto por primera vez en el transbordador espacial. Por lo que toca a la comercialización, las expectativas más optimistas predicen la existencia de un mercado de varios miles de millones de dólares para la década de los noventa, aunque hasta la fecha solamente existe un solo producto "espacial" en el mercado, que son unas pequeñísimas esferas de látex.
Semiconductores. Dado que los procesos de manufactura en el espacio son sumamente caros, resulta evidente que los mejores candidatos para procesarse en el espacio son los productos con el mayor valor por unidad de volumen. Sin duda, unos productos que reúnen esta cualidad son los materiales electrónicos cuya base fundamental son los cristales, que al obtenerse con gran pureza y perfección competirán muy favorablemente en el negocio de las componentes electrónicas. Para los futuros programas se han identificado muy buenos prospectos, entre los que se incluyen materiales para detectores de tipos muy diversos, así como materiales apropiados para chips de computadoras. La extremada limpieza y la ausencia de gravedad existentes en el espacio exterior son condiciones ideales para producir estupendos cristales semiaisladores libres de disoluciones. Los compuestos que se han trabajado son el arsenuro de galio y el fosfuro de indio. Los mejores cristales de arsenuro de galio se han obtenido, hasta la fecha, mediante un procedimiento conocido como crecimiento electroepitaxial, con un rendimiento menor del 17% cuando se obtienen en la Tierra y hasta de 97% cuando se fabrican en el espacio.
El crecimiento electroepitaxial es un procedimiento consistente en hacer pasar una corriente a través de una solución, estimulando por este medio la migración de átomos hacia la interfase de crecimiento del cristal. El proceso emplea menos energía que los otros métodos comúnmente usados debido a que la temperatura que se requiere para la solución es menor que la temperatura de fusión del cristal. Se ha pensado que con este novedoso método se pueden hacer crecer cristales que incluyan combinaciones de elementos de las columnas III y V de la tabla periódica de los elementos y otros más complejos en los que intervengan tres o hasta cuatro elementos distintos.
Una más de las ideas que pueden llevarse a la práctica en las condiciones que brinda el espacio exterior es la denominada "proceso sin paredes" o sin "recipiente".
En ella lo que se pretende es eliminar la contaminación que en el proceso de crecimiento de los cristales en la Tierra proviene del propio contenedor, ya que, en el caso de los dispositivos utilizados en la microelectrónica, la presencia de elementos extraños, aun en cantidades sumamente pequeñas, produce efectos eléctricos indeseables. En la Tierra ha resultado imposible eliminar del proceso al contenedor, pero en el espacio esto es posible restringiendo el movimiento de la solución mediante levitación acústica, campos magnéticos muy intensos o por tensión superficial entre la solución y una barra del mismo material. He aquí un ejemplo muy claro de cómo el hombre ha aprendido a sacar ventaja de las condiciones que le impone la naturaleza. Primero en su hábitat natural, después en el espacio exterior.
Son dos las fuerzas que determinan principalmente las corrientes de convección, las que a su vez constituyen el mayor obstáculo en el crecimiento de cristales en la Tierra, y una de ellas, la de flotación, se ve eliminada al suprimir la aceleración gravitacional, mientras que la otra, la tensión superficial, permanece, y entonces se la utiliza como ya se mencionó.
La metalurgía. La posibilidad de realizar experimentos en el espacio representa también una enorme oportunidad para aprender sobre los procesos fundamentales de la metalurgia, ya sea la de los metales puros o la de las aleaciones. Resulta una ocasión propicia para comprobar o refutar las viejas teorías y proponer, de ser el caso, algunas nuevas. Seguramente se originarán nuevas aleaciones y se optimarán los procesos de producción de algunas ya conocidas.



















Cuadro 9. Experimentos propuestos para futuros viajes al espacio exterior








Área







Sistemas meta/aleación







Objetivos


Control sin contenedor / sobreenframiento
Aleaciones a base de
Nb Y Nb
Determinar límites de sobreenfriamiento y formación de fases meta-estables

Nitronic 40 y 40 W
Determinar las relaciones entre microestructuras y propiedades micromagnéticas

Aleaciones base Fe y base Ni
Fenómenos de solidificación y recocido

Succinonitrilo puro
Determinar la influencia de la gravedad y el transporte difusivo y correctivo sobre el crecimiento de dendritas a bajo sobreenframiento

Aleación Ni-Al
Obtener al 100% la fase peritéctica NiAl3

Aleaciones base Fe y Ni
Entender los mecanismos físicos de sobreenframiento

Aleación Ni-Sn
Clarificar el proceso de solidificación rápida
Procesado sin contenedor
Aleación Fe-Cr-Y
Determinar cómo el itrio mejora la resistencia a la oxidación a alta temperatura
Medición de propiedades a alta temperatura sin contenedor
Metales de transición de la tercera fila; metales extremadamente refractarios W, Mo
Determinar capacidades caloríficas, calores de fusión e incrementos en la función entalpia.Medir propiedades a alta temperatura por fluorescencia inducida por láser
Sinética de solidificación
Pb-Sn
Determinar origen, espaciamiento y diámetro de los canales de segregación. Estudiar los fenómenos básicos de la solidificación. Desarrollar un modelo simple del crecimiento dentrítico
Solidificación direccional
Succinonitrilo puro con y sin etanol
Estudiar efectos de gravedad y microgravedad en el flujo de fluidos y en la segregación

Aleación Sn-Bi
Estudiar mecanismos de desestabilización en la interfase de solidificación

Aleación Bi-Mn y Sm-Co
Estudiar la influencia gravitacional sobre la convección

Aleaciones Bi-Mn y Pb-Bi
Reducir o eliminar la influencia gravitacional en la convección aplicando un campo magnético transverso

Hierro colado
Estudiar los papeles de la nucleación homogénea, multiplicación de grano e inoculantes en la formación de la microestructura
Aleaciones no-misibles
Aleaciones Al-In, Cu-Pb, Te-Tl
Determinar cómo se desarrollan los hechos microestructurales de la fase líquida e la brecha de misibilidad de la aleación

Aleación Pb-Zn
Medir coeficientes de difusión en la región no misisble líquido-fase
Espumas metálicas
Cu-grafito y aleación Pb-Bi
Investigar formación de espuma metálica
Electroplateado
Varias aleaciones
Evaluar el electroplateado producido en el espacio para mejorar el plateado en la Tierra









¿Cuál es la mínima cantidad de aleante que modifica la estructura de un metal y sus propiedades? ¿Cuáles son los límites de sobreenfriamiento de los metales y aleaciones? ¿Cómo influyen en el proceso las corrientes de convección y su dependencia de la gravedad, la segregación y el crecimiento dendrítico? Éstas son sólo algunas de las preguntas que se pueden resolver con los resultados de los experimentos en el espacio.
Son muchos y muy variados los experimentos que se planean realizar o ya se han realizado en las primeras incursiones del hombre al espacio exterior. Los resultados son muy halagadores y en muchos casos se espera poder simular en la Tierra condiciones parecidas a las encontradas en el exterior.
Con las variantes del caso, los experimentos imaginados para el caso de metales y aleaciones son muy parecidos a los descritos en párrafos anteriores para los cerámicos y semiconductores. Se tiene en común la situación de microgravedad y de ultraalto vacío, con los efectos que esto conlleva.
El cuadro 9 muestra de manera resumida algunos de los experimentos ya realizados o planeados para futuros viajes al espacio exterior.
El colofón apropiado para este capítulo podrían ser, en mi opinión, las siguientes palabras que el doctor Robert Goddard, pionero de la investigación espacial, enviara en una carta a H. G. Wells en 1932:

No puede pensarse en terminar, porque apuntar a las estrellas, tanto en el sentido literal como en el figurado, es un problema que ocupará a varias generaciones; y así, por mucho que se avance, siempre se sentirá la emoción de estar apenas empezando.

Seguramente que la naturaleza nos tiene reservada una enorme cantidad de sorpresas e interrogantes. La humanidad, por su parte, también habrá de buscar las correspondientes respuestas, y sin duda para obtenerlas demandará materiales. Así pues, el libro que aquí termina seguirá vigente.


Fuente: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/069/htm/sec_4.htm

1 comentario:

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