Descubriendo un nuevo material

La revista +Ciencia de la Facultad de Ingeniería nos comparte un interesante artículo sobre el descubrimiento del vidrio.

El número 24 de la revista +Ciencia de la Facultad de Ingeniería nos trae interesantes artículos sobre Inteligencia artificial: un parteaguas en el tratamiento de Párkinson, el empleo de la seguridad y a qué costo, además de uno sobre el descubrimiento del vidrio a partir de la arena.

Descubriendo un nuevo material

Vivimos en un mundo muy cómodo. Únicamente hace falta estirar la mano y tomamos un objeto que va a cumplir cualquiera de miles de funciones. Tenemos a disposición el cepillo para el pelo, la rasuradora, los cubiertos en la mesa, los platos y las tazas y yendo más allá, el celular, la laptop, los cuadernos, los lápices, los bolígrafos, el automóvil, el transporte público, etcétera. No nos damos cuenta, pero la evolución cultural, social y tecnológica nos ha colocado en una posición de mucho bienestar.

Pero ¿cómo es que llegaron todos estos objetos a formar parte de nuestra vida cotidiana?
Imaginemos que esta noche nos acostamos a dormir y en la mañana despertamos en el suelo de una caverna y por cobija tenemos únicamente un poco de hierba seca o, en el mejor de los casos, la piel reseca y mugrosa de un animal que murió ya hace algún tiempo. Un sabio loco (y bromista) nos hizo el favor de transportarnos por medio de su máquina del tiempo al año 33791 a.C. y tenemos la inmensa fortuna de pertenecer a una tribu de paisanos cromañones.

Si logramos acordarnos con nostalgia de nuestros tiempos siglo-veintiuneros (no sé si la máquina del tiempo borra la memoria), veremos que perdimos muchas de las comodidades con las que contábamos. Se podría repetir la lista del párrafo anterior; sin embargo, si reflexionamos un poco nos daremos cuenta de que la gran ventaja que perdimos, la gran herencia que nos han dejado todos los siglos de estudio de muchas generaciones se reduce a una palabra que podría parecer simple, pero que tiene un gran significado: materiales.

iPerdimos los materiales!

Un material se puede definir como una sustancia que posee peso, o volumen, o incluso forma, dependiendo del estado de agregación en el que se encuentre, pero que además cuenta con características específicas que le pueden dar una determinada utilidad. Entonces, en nuestro viaje a la casa de los abuelos perdimos las aleaciones con las que están hechos los cubiertos o muchas partes de los automóviles o del transporte colectivo, los plásticos de las cubiertas de los utensilios domésticos, el celular, las pantallas, la cerámica de nuestros trastos o dientes postizos, además de otros materiales que no tenemos tan en cuenta por desconocimiento, como los cristales líquidos de las pantallas, los pares iónicos de las baterías o los semiconductores de los circuitos integrados.

Ir a la caverna nos costó muy caro y, si tenemos la posibilidad de recordar nuestra vida en la época actual y todas sus comodidades, seguramente nos pondremos muy tristes. Pero deprimirse no es buena idea en la Edad de Piedra. Debemos estar alerta porque en cualquier momento un tigre dientes de sable podría convertirnos en su sabrosa cena. Para aliviar la nostalgia vamos a reflexionar cuánto hemos ganado en tantos siglos de experiencia. Afortunadamente en el transcurso de todo ese tiempo ha habido varios señores muy inteligentes o con mucha suerte que han puesto los materiales a nuestra disposición porque por alguna razón los descubrieron. Y justo ahora, en la Edad de Piedra, tendremos la gran oportunidad de presenciar un momento de gran trascendencia, el descubrimiento de un material nuevo. Así que pongámonos cómodos y preparémonos para la gran hazaña.

La caverna donde hemos aparecido es hogar de Truk, un joven troglodita que gusta de ir a pasear junto al mar. Por ser paseador no era muy buen trabajador y ya varios miembros de la tribu lo ven con malos ojos por su actitud displicente (es una manera de llamar a la holgazanería). Esta mañana Truk decidió escabullirse para no ayudar a mover piedras junto a la caverna y se fue por la selva hacia su playa favorita. Después de un par de horas de disfrutar de las olas y el sol, súbitamente vio llegar a un visitante. De entre la vegetación de la selva surgió un inmenso mamut.

Truk no era tonto (era nada más flojo), su cerebro empezó a funcionar a gran velocidad (dicen que esa característica del hombre de Cromañón es la que le permitió sobrevivir hasta la época actual), regresó rápidamente a la caverna y comunicó a los demás habitantes de la presencia del exquisito y enorme filete. Dando a entender que él había pasado la mañana entera consiguiendo la cena para la tribu. Ser el héroe del cuento es siempre muy tentador.

Como resultado, la playa y el mamut recibieron la visita de una treintena de huéspedes armados de lanzas, piedras y mucha hambre. Saldo final: algunos muertos, varios heridos y un descomunal mamut que brindará alimento por semanas. Truk ha pasado de ser el perezoso del grupo al gran campeón que alimentó a la tribu. Aunque hemos de decir que pasó la mayor parte de la hazaña brincando, gritando y dando ánimo desde lejos a sus compañeros que libraban la batalla. A nuestro campeón le falta un poco de valor, pero esa es otra historia.

En la actualidad es un problema cargar algo que pesa cinco toneladas y en las épocas de Truk también, entonces se decidió llamar a las muchachas de la tribu con todos sus pedernales de cocina para condimentar "el pollo" en la misma playa. Entre todos y con mucha inventiva idearon unas horquetas, le atravesaron al mamut un tronco de lado a lado y lo pusieron a dar vueltas sobre una inmensa hoguera. Utilizaron medio bosque para que alcanzara (en la Edad de Piedra no había ningún tipo de control ambiental). ¡El mamut quedó delicioso!

Al día siguiente toda la gente se quedó en la caverna digiriendo el suculento banquete. Además se propusieron clasificar y guardar todo aquello aprovechable que quedó del mamut. Truk comió como cinco Truks el día del festín y después durmió por treinta horas seguidas.

Dejemos que el campeón Truk continúe descansando de su gran aventura y conozcamos a otras integrantes del grupo.

Entre las mujeres de la tribu vivían Chila y Nala, dos jóvenes muy amigas: Chila era venerada y asediada por todos los hombres de la tribu por poseer una espléndida figura. Recordemos que nos hemos trasladado a la prehistoria y el prototipo de mujer ideal de entonces es aquella con un cuerpo exuberante, justo como el de Chila; su amiga Nala distaba mucho de ser una Venus prehistórica, su figura era más bien delgada y fina y por eso pasaba más o menos desapercibida para la tribu (hasta para su mamá). Sin embargo, eso no desanimaba a Nala, quien era muy trabajadora, inteligente y sumamente curiosa.

Y es precisamente su curiosidad la que está a punto de cambiar su vida y la de toda su tribu. El día posterior a la gran comilona había relativamente poco trabajo en la caverna y Nala decidió ir a ver los restos de la fogata. La mañana era muy fresca y el viento frío se colaba entre sus piernas haciéndola estornudar, se dio cuenta de que en donde había estado la fogata la arena aún se sentía caliente, se recostó en ese sitio y comenzó a juguetear con la arena tibia que le daba una sensación de agradable calor.

En un momento dado introdujo su mano entre la arena y sintió un objeto muy duro, pero al mismo tiempo muy suave. Lo tomó con fuerza y lo extrajo del lugar donde estaba sepultado. El asombro de Nala no tuvo límites, en su mano tenía el objeto más hermoso que hubiera visto en su vida, era un cristal transparente con lados definidos como caras de gran tersura y vértices marcados y ocupaba la mitad del hueco de su mano. Por alguna extraña razón Nala sintió que tenía algo valioso en su mano.

Al principio pensó en esconderlo en la playa e ir a contemplarlo cada vez que pudiera escapar por un rato, comenzó a dar vueltas alrededor del sitio buscando algún buen escondite. Sin embargo, había una fuerza irresistible que la obligaba a voltear a verlo constantemente. Dejó la búsqueda de un escondite y reflexionó: ella quería seguirlo viendo y tenerlo con ella por siempre.

Con los dientes cortó una liana delgada que colgaba de un árbol de la selva cercana, se las ingenió durante un par de horas en alguna forma de amarrar su cristal sólidamente con la liana y después de lograrlo se lo ató al cuello a manera de collar. Sintiéndose feliz, regreso a la caverna.

Al día siguiente lo que había sido simplemente un gusto (eso sí, un súper gusto) de Nala se volvió todo un acontecimiento en la caverna. Todos admiraban el brillante objeto que Nala llevaba colgado en el cuello. Ese hipnotizante brillo solo podía ser producto de algún tipo de magia. Eso era, ¡iNala llevaba un amuleto mágico en el cuello!

Todos querían ver la maravilla, inclusive trataron en repetidas ocasiones de tocar el colgante y de hecho dos o tres impertinentes (de ambos sexos) se acercaron a ella con malas intenciones. La pequeña Nala pasó de ser prácticamente invisible a alguien importante y sin saber de dónde, surgieron guardias que la cuidaban y acompañaban a todos lados (hasta para ir al baño). Y la pobre Chila vio cómo de un día para otro desaparecía su popularidad: su consuelo fue convertirse en la confidente de la persona más importante del clan.

Obviamente se le interrogó, pero debemos comprender que en aquella época el lenguaje era muy limitado a diferencia de la imaginación, que era inmensa. Pronto existieron diversas versiones acerca del origen del amuleto mágico: en una Nala había dado a luz al cristal y debía considerársele como algo sagrado; en otra la Luna se lo había regalado y entonces creían que ella mantenía relaciones interplanetarias. Algunos descabellados pensaban que no era mala idea poner a ambos (el cristal y Nala) en una hoguera para aplacar la ira divina. Nala con sus cortos medios únicamente repetía la verdad, ella extrajo el cristal de los restos de la hoguera donde cocinaron el mamut. No podremos saber hasta dónde hubieran llegado las cosas porque todas las especulaciones cesaron al arribar visitas a la caverna. El aroma del mamut rostizado y la historia de la cacería se habían diseminado rápidamente y tribus vecinas de otras cavernas mandaron embajadores en busca de negociaciones para poder obtener al menos una costilla del enorme mamut. Una tribu en particular que era muy grande (y agresiva) pretendía llegar y tomar sin más todo lo que quedaba del mamut y estaban dispuestos a todo para conseguirlo. En un momento muy tenso ambos jefes se enfrentaron cara a cara con todos los integrantes de su tribu detrás de ellos, armada y lista para el combate.

De pronto, los miembros de la tribu vecina repararon en el cristal de Nala y como había sucedido antes, quedaron hipnotizados por su esplendor. Inició la segunda ronda de especulaciones y una mujer de los invasores mencionó que la niña llevaba un trozo de cielo en el cuello y que debía ser hechicera. Súbitamente los miembros de la tribu invasora tiraron sus armas y se inclinaron ante la sacerdotisa del cielo.

El jefe de la tribu de Nala se dio cuenta de todo el partido que podía sacar de su niña maravillosa y su cristal mágico (la astucia era un requisito para sobrevivir en esta salvaje era) y aprovechando el momento se acercó a Nala, la abrazó y la llamó su amada hija.

La situación cambió completamente, se establecieron verdaderas negociaciones, se intercambiaron armas, regalos y alimentos y a la larga se llegó a formar una especie de asociación entre ambos grupos porque todos querían pertenecer al clan de los hijos del cielo, todo esto gracias al cristal de Nala.

Y ahora reflexionemos un poco en el gran suceso de la playa. ¿Qué era ese cristal maravilloso que Nala descubrió?
La respuesta es muy sencilla. iEra vidrio! Los miembros de la tribu nunca habían cocinado un mamut entero sobre el suelo de arena de la playa, nunca habían levantado una hoguera de esa magnitud (tamaño mamut) y sin darse cuenta al mismo tiempo que cocinaban al mamut cocinaron también la arena llevando a cabo la siguiente reacción:

SiO2+Na2CO3 → NaSiO3CO2

El compuesto dióxido de silicio (SiO2) se conoce como cuarzo de una manera elegante.

Sin embargo, en la calle o en la ferretería se le conoce como arena (o piedras, o de la manera más humilde como tierra). Es el compuesto más abundante en nuestro planeta y por lo mismo se le encuentra en todos lados y en muy diversas formas. Por ejemplo, algunos silicatos de berilio se conocen como esmeraldas y otros de manganeso o aluminio se llaman granates, esas son joyas muy apreciadas. Pero volviendo a nuestra historia, los miembros de la tribu de Nala hicieron la reacción de cuarzo (SiO2) y carbonato de sodio (Na2CO) que son componentes comunes en la arena de las playas y sin darse cuenta descubrieron el primer material artificial: el vidrio.

Y ya que estamos entusiasmados describiendo al vidrio, vamos a hablar un poco de otro material que es muy similar e incluso comúnmente es tratado como un sinónimo del vidrio. Sin embargo, es de hecho bastante diferente: el cristal. El vidrio es un curioso misterio de la ciencia, su acomodo a nivel molecular puede llegar a ser inclusive amorfo.

En contraste, un cristal es una de las cosas más simétricas que hay en la naturaleza y es que el problema es bastante complejo: todos estamos acostumbrados a que la materia puede existir únicamente en tres estados de agregación: sólido, líquido o gas, pero la realidad que han encontrado los científicos es mucho más compleja. Existen otros estados que presentan peculiaridades únicas, por ejemplo el fuego, que justamente es otro estado de la materia diferente a los tres antes citados y al que se le denomina plasma. Por increíble que parezca, el humilde vidrio de la ventana de nuestro cuarto o del envase de nuestro refresco (o cerveza) no se encuentra en estado sólido, aunque a nuestra vista parece que sí. A este quinto estado de la materia se le denomina precisamente estado vítreo.

El estado vítreo se asemeja mucho al estado sólido (aunque es un poco más elástico). Sin embargo, presenta una característica importante del estado líquido a la que científicamente se le llama isotropía óptica y que en la calle se conoce como transparencia. Los científicos denominan a esta textura como la de un líquido sobre enfriado (de hecho, el vidrio fluye, aunque con una lentitud desesperante) y su estructura molecular no necesariamente es simétrica, puede tener muchos grados de desorden hasta llegar al estado amorfo.

En el otro extremo están los cristales que tienen marcadas diferencias respecto al vidrio que se describe arriba. Para empezar cualquier sustancia que pueda arreglar sus moléculas en patrones que se repitan en las tres dimensiones del espacio dará lugar a un cristal y este último puede ser desde una joya hasta una muestra de ADN (ácido desoxirribonucleico), o sea el portador de mensajes genéticos. Se podría decir que un cristal, más que una piedra, es un estado (pero no de ánimo sino de agregación). Una sustancia dada puede presentar dos estados de agregación en la misma fase: por ejemplo, el carbono se puede presentar como diamante (que es sólido y está en estado cristalino) o fulereno (que es un sólido no asociado que tiende a ser amorfo).

Como se indicó antes, para que se considere que una sustancia se encuentra en estado cristalino únicamente debe acomodar sus unidades discretas (átomos o moléculas) en patrones que se repiten, y estos tienden a formar poliedros regulares (cubos, prismas, etcétera). Aprovechando esos patrones se tallan gemas, se hacen cristales ópticos o dispositivos electrónicos.

Un vidrio puede encontrarse en estado cristalino (aunque es raro), pero en general no es lo mismo que un cristal y tampoco se estudian de la misma manera. Sin embargo, estamos acostumbrados a revolver ambos términos porque en la vida cotidiana así lo hemos visto desde niños: "Vamos a brindar con las copas de cristal cortado" (en realidad son de vidrio); "Se ha empañado el cristal del coche"; "¿Será un diamante? No creo, yo le veo cara de vidriante".

Únicamente a nivel científico se hace hincapié en la diferencia, en la calle podemos continuar confundiéndolos sin que haya mucho daño (a menos que se le quiera vender a alguien un florero en un millón de pesos porque es de cristal mágico).

Después de esta singular explicación, el Sol vuelve a salir, abrimos los ojos y con alegría nos damos cuenta de que estamos nuevamente en nuestra cómoda cama (y rodeados de nuestros maravillosos materiales a los que ahora amaremos más). Afortunadamente nuestra aventura ha sido solo un sueño. Sin embargo, hemos sido testigos de un fabuloso suceso que cambió la vida de Nala y probablemente también la nuestra: el descubrimiento de un material nuevo.

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*Colaboración de Roberto Salcedo y Citlalli Ríos, integrantes del Instituto de Investigación en Materiales de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).

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