Por José Manuel Rodríguez Rodríguez

Si a alguien le pidiésemos que nos hablara algo sobre la historia de la humanidad, seguramente nos empezaría a hablar de civilizaciones y de sus organizaciones sociopolíticas, emperadores, reyes, guerras y batallas, ... La importancia de todos estos factores a lo largo de los siglos creo que debe de estar fuera de toda duda, pero sin exagerarlos, ya que a menudo nos olvidemos de lo que realmente ha cambiado el modo de vida de las gentes de este planeta y eso no ha sido otra cosa que el avance tecnológico. Porque, ¿ alguien se imagina el mundo sin redes de comunicaciones, aviones, artilugios electrónicos, medicina ( aunque si con brujos ), ..., o sin tan siquiera metales? Pero si cuando hacemos “memoria histórica” nos solemos olvidar de quienes realmente consiguieron mejorar nuestra forma de vida, hay todo un submundo dentro de la ciencia que ha sido uno de los grandes cimientos del progreso tecnológico y sigue teniendo una importancia capital: La ciencia de los materiales. Todo un mundo en incesante desarrollo pero que casi siempre permanece en el anonimato. Pero, ¿porqué es tal la importancia del desarrollo de esta ciencia? Bueno, las razones son incontables: En transportes se ahorra el consumo de energía con materiales más ligeros ( el A-380 consume 5.5 litros de queroseno por pasajero cada 100 Km ), en electrónica se reduce el consumo con materiales de mayor conductividad, se consiguen mejores aislamientos con pesos y costes cada vez menores, ..., y hay casos de dipositivos muy avanzados que no se han podido poner en funcionamieno hasta que se lograron desarrollar materiales que cumplieran con los requerimientos necesarios ( caso de las turbinas de gas ).
Pero para entender mejor la importancia de los materiales en la historia retrocedamos hasta los oríginos mismos del hombre sobre la tierra:


EDAD DE PIEDRA:
Estamos en los orígenes de la humanidad y el hombre aún hace poco que ha bajado de los árboles pero ya ha comenzado ha usar rústicos útiles que al principio no eran más que pequeñas piedras. Con el paso del tiempo comenzarían a fabricar los primeros utensilios de la historia al afilar las piedras para proveerlas de superficies de corte con las que desgarrar carne, cortar pieles, afilar palos,... Poco a poco fueron perfeccionando estos útiles hasta dotarlos de mangos de madera y construír hachas y otras herramientas similares. También se comenzaron a utilizar herramientas hechas de huesos de animales así como a confeccionar rudimentarias vestimentas con las pieles de los animales que cazaban. Uno de los grandes ( tal vez el mayor ) desarrollo de la humanidad surge en esta época: el dominio del fuego que inicialmente se logra haciendo chispas entre dos piedras y posteriormente frotando palos entre sí.
La mejora de las herramientas así obtenidas permitió comenzar a trabajar las tierras, con lo que los pueblos comenzaron a transformarse de nómadas a sedentarios. De una de las necesidades que les surgieron, almacenar los excedentes de las cosechas, surgió un nuevo material: La cerámica.
Las primeras cerámicas se fabricaron humedeciendo tierra, moldeándola a mano y luego dejándola secar al sol, allí donde era posible ( oriente medio y zonas desérticas ), o bien secándolas con la ayuda del fuego. Poco a poco al nuevo material se le fueron dando nuevos usos como paredes, ladrillos, ..., y se fue mejorando seleccionando mejor las arcillas y los métodos de obtención.

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Rudimentaria hierramienta de piedra

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Vasija de arcilla fabricada en el antiguo egipto-->vasija.jpg
Pero tendrían que pasar unos cuantos siglos más para que llegara la gran revolución en el empleo de materiales, la aparición de los metales:


EDAD DEL COBRE:
Unos cuantos siglos después de que el hombre comenzar a usar las primeras herramientas, allá por el año 9500 adC a alguien de las proximidades de la antigua Mesopotamia se le ocurrió calentar hasta fundir unas piedras que encontró, obteniendo así, tras darle forma y dejarlas solidificar, la primera pieza metálica de la historia, que fue de cobre, y de paso, llevó a cabo el primer proceso industrial, por muy rudimentario que fuese. Sin embargo, el inicio de la edad del cobre no se data aficialmente hasta el año 5000 adC, fecha a partir de la cual se considera que su uso ya era frecuente en la mayoria de las culturas de la época. Puede resultar sorprendente para nosotros que fuera precisamente el cobre el primer metal es ser usado, más aun teniendo en cuenta que las propiedades que presentaba entonces eran bastante pobres, pero la explicación radica en la sencillez del proceso de obtención en comparación con el hierro ( algo que sin duda en la siderurgia moderna ocurre totalmente al contrario ). Para la obtención de piezas de cobre bastaba con calentar la mena hasta fundirla, verter el mineral en un molde y dejarlo enfriar. Lógicamente, en un principio no había ninguna operación de afino y sólo se eliminaba la ganga. Las piezas así obtenidas tenían una cierta resistencia ( pero muy poca tenacidad ya que eran muy frágiles ) sin necesidad de forja y por ello era bastante sencillo operar con él. Ese cobre iva mezclado con una gran cantidad de aleantes e impurezas, pero el término bronce se reserva para cuando ya se comenzó a añadir estaño de forma intencionada.
Fue con el empleo del cobre cuando se comenzaron a desarrollar hornos especiales que alcanzaban elevadas temperaturas, necesarias para fundir la mena: Los más avanzados tenían un crisol cerámico de forma trococónica invertida en el cual se depositaba el mineral y se mezclaba con algo de carbón de leña, pues se había descubierto que así se mejoraba el producto final ( con el calor, parte de las impurezas se liberan como monóxido y dióxido de carbono consiguiéndose un importante afino del metal y una mejora de sus propiedades ). Por medio de largos tubos o fuelles se insuflaba aire al fuego para alcanzar temperaturas de unos 1000 ºC necesarias para fundirlo. Por un agujero practicado en el fondo del crisol iba cayendo el caldo líquido que se llevaba hasta los moldes, en donde se dejaba solidificar. La escoria se retiraba fácilmete ya que al tener menor densidad flota sobre el cobre.
Es en esta época, hacia el año 4500 adC cuando se comienza a trabajar el oro, metal que sería desde el principio muy apreciado por su belleza y rareza, al igual que para nosotros.

EDAD DEL BRONCE:
El desarrollo del bronce surge con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del cobre. Aunque no hay datos demasiado fiables, se cree que fueron los egipcios los primeros que añadieron estaño al cobre ( 3000 adC ) al observar que así se mejoraban sus propiedades, creando así la primera aleación “intencionada”. Las proporciones inicialmente usadas solían rondar el 10% de estaño . Se comprobó como aumentaba la dureza, disminuía el punto de fusión y aumentaba la resitencia a la corrosión. También se comprobó que el bronce era reciclable, es decir, se podían fundir las piezas ya obtenidas y volver a obtener otras de idénticas propiedades. La técnica de obtención del bronce es idéntica a la del cobre, con la salvedad de que se emplea una menor temperatura de fusión,
teniendo cuidado de no excederla en exceso para evitar la oxidación, y que hay que añadir el estaño.

EDAD DEL HIERRO:
Y, por fin, con casi 7000 años de retraso respecto al cobre, llegó la hora de que la humanidad comenzara a usar el “rey de todos los materiales”, el hierro. Como se indicó más arriba, no fue por problemas de abundancia ( es el segundo mineral más común en la corteza terrestre, tras el
aluminio ), ni de desconociminto, sinó puramente tecnológico. Como curiosidad, en un principio el hierro era considerado la joya más preciada, pues se trataba de hierro meteórico, procedente de meteoritos, por lo que era muy escaso.
Según antiquísimos escritos, los precursores del empleo del hierro habrían sido los hititas, que habrían comenzado a fundirlo a partir del año 2000 adC.
Fabricar hierro requería un procedimiento muy distinto al del cobre y el bronce ( no se fundía ), primero porque había que conseguir con gran capacidad calorífica: el mineral machacado debía estar totalmente rodeado de carbón de leña ( que se consumía en grandes cantidades ) y numerosos fuelles que, a través de toberas, insuflaban oxígeno continuamente. El mineral debía ser precalentado en un horno y por medio de golpes se eliminaban algunas impurezas; luego se llevaba al estado incandescente, en un segundo horno, hasta obtener una masa denominada hierro esponjoso, altamente impuro, por lo que volvía a ser golpeado en caliente para refinarlo. Después de un largo y repetitivo proceso de martilleo y calentamiento, evitando que el hierro se enfriase, se obtenía una barra forjada, bastante pura, resistente y maleable. Para las armas y ciertas herramientas, el hierro se templaba enfriándolo bruscamente en agua.


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Primitivo crisol para la obtención de hierro
Primitivo crisol para la obtención de hierro

Y también en esta epoca, hacia el año 700 adC, los etruscos comenzaron a usar unas mezclas de puzolana y cal para hacer un mortero. Aunque desde varios milenios antes ya se habían usado diversas mezclas para aportar algo de rigidez y adherencia a las distintas partes de ciertas estructuras, como barro mezclado con paja para unir las piedras de las casas, este mortero es el que considera como el precursor del actual cemento.

Llegados a este punto, quizás sea un buen momento para hacer un alto en este pequeño viaje histórico-tecnológico. Hemos arrancado cuando el hombre sólo usaba pidras y apenas se vestía y terminamos prácticamente en el año cero. La evolución debida simplemente a los nuevos materiales que se ivan descubriendo fue muy grande: herramientas que permitieron trabajar las tierras, apareciron los gérmenes de las primeras siderurgias, nuevas y mejores armas y un sinfín de nuevos utensilios de todo tipo. Pero como dije al inicio, los cambios experimentados durante este período también fueron debidos en gran parte al avance del pensamiento y la cultura, a los primeros científicos y hombres de ciencia y como no, a las insaciables ganas de los humanos de matarnos entre nosotros.
Durante los próximos siglos los avances en el campo de los materiales fueron bastante modestos. Básicamente consistieron en el descubrimiento de nuevos elementos, a los que en la mayoría de los casos no se les encontró utilidad inmediata, y en el perfeccionamiento de los materiales ya existentes y de sus métodos de obtención. Un buen ejemplo fue lo obtención de acero de forma intencionada. Los artesanos del acero comenzaron a dominar la técnica en la alta edad media, y consistía en calentar hierro en presencia de carbón durante varios días de modo que el acero absorvía suficiente carbono hasta llegar a convertirse en acero. A partir del S XIV se comenzaron a aumentar el tamaño de los hornos empleados para fundir el acero y se construyeron los primeros hornos altos, que ya permitían una adecuada separación entre la escoria y el acero, que se obtenía directamente al ir absorviendo el arrabio líquido el carbono que contenían los gases que lo atravesaban. Otro paso de gran transcendencia en el procesado del acero lo dió Henry Bessemer en 1855. Bessemer ideó un dispositivo que permitía realizar un gran afino del acero mediante la inyección que un chorro de aire en el arrabio líquido, separándose de ese modo las escorias oxidadas del acero por diferencia de densidades.

Sería tambien en una fecha muy próxima al transcendental invento de H. Bessemer cuando se desarrolló un nuevo material que por fin, unos 10.000 años depués del desarrollo de los primeros metales, les iva a comenzar a disputar el dominio dentro del campo de los materiales industriales:
Los polímeros”.
El primer plástico se origina como resultado de un concurso en USA en 1860 cuando se ofrecieron 10.000$ a quien produjera un sustituto del marfil ( cuyas reservas se estaban agotando ). Ganó el concurso John Hyatt, quien inventó un tipo de plástico al que llamó celuloide.
El celuloide se fabricaba disolviendo celulosa, un hidrato de carbono obtenido de las plantas, en una solución de alcanfor y etanol. Con él se empezaron a fabricar distintos objetos como mangos de cuchillo, armazones de lentes y película cinematográfica. Sin el celuloide no hubiera podido iniciarse la industria cinematográfica a fines del siglo XIX. El celuloide puede ser ablandado repetidamente y moldeado de nuevo mediante calor, por lo que recibe el calificativo de termoplástico. En 1907 Leo Baekeland inventó la baquelita, el primer plástica calficado como termofijo o termoestable: plásticos que pueden ser fundidos o moldeados mientras están calientes, pero que no pueden ser ablandados por el calor y moldeados de nuevo una vez que han fraguado. La baquelita es aislante y resistente al agua, a los ácidos y al calor moderado. Debido a estas características se extendió rápidamente a numerosos objetos de uso doméstico y componetes eléctricos de uso general.
Los resultados alcanzados por los primeros plásticos incentivó a los químicos y a la industria a buscar otras moléculas sencillas que puedieran ancazarse para crear polímeros. En la década del 30, químicos inglese descubrieron que el gas etileno polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, formando un termoplástico al que llamaron polietileno ( PE ). Hacia los años 50 aparece el polipropileno ( PP ). Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro se produjo el cloruro de polivinilo ( PVC ), un plásticoduro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarles diversos aditivos se logra un material más blando, sustitutivo del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno ( PTFE ), conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sortenes antiadherentes. Otro de los plásticos desarrollados en los años 30 en Alemania fue el poliestireno ( PS ), un material muy transparente comúnmente utilizado para vasos, potes y hueveras. El poliestireno expandido ( EPS ), una espuma blanca y rígida, es usado básicamente para embalaje y aislante térmico. También en los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico Walace Carothers, que trabajaba para la empresa Du Pont. Descubrió que dos sustancias químicas como el hexametilendiamina y ácido adípico podían formar hilos que podían tejerse. Su primer uso fue la fabricación de parcaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, extendiéndose rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana. Al nylon le siguieron otras fibras sintéticas como por ejemplo el orlón y el acrilán. En la presente década, principalmente en lo que tiene que ver con el envasado en botellas y frascos, se ha desarrollado vertiginosamente el uso del tereftalato de polietileno ( PET ), material que viene desplazando al vidrio y al PVC en el mercado de envases.
Si el plástico se incorporó de inmediato a la industria, no le sucedió lo mismo a otra serie de materiales, elementos que originarían aleaciones en la mayoría de los casos, descubiertos alrededor del S. XIX y que tubieron que ver como pasaban décadas o hasta más de un siglo en algún caso hasta que pudiron ser aprovechados por la industria de un modo eficiente. Los más significativos posiblemente fueron el titanio, el aluminio y el uranio.
Alumnio: A pesar de ser el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre, no fue hasta 1825 cuando se consiguió aislar por primera vez. Para ello, el danés Hans Chirstian Oersted
usó una amalgama de potasio y cloruro de aluminio.
Entre 1827 y 1845, el químico alemán Friedrich Wöhler fue el primero en medir la densidad del aluminio y demostrar su ligereza. En 1854, Henri Sainte-Claire Deville obtuvo el metal en Francia reduciendo cloruro de aluminio con sodio. Con el apoyo financiero de Napoleón III, Deville estableció una planta experimental a gran escala y en la exposición de París de 1855 exhibió el aluminio puro.
Pero conocidas ya sus excelentes propiedades, no seria hasta los años 50 cuando se empezó a generalizar su uso, impulsado especialmente por la industria aeronáutica, que sacó gran partido de sus buenas propiedades mecánicas en relación con su densidad. Pero como la mayoría de los metales puros, se trató de mejorar algunas características mediante aleaciones, y más recientemente, formando materiales compestos. La aleación más conocida quizás sea el duralumnio: se trata de una aleación de base aluminio que tiene como aleantes un 3,4%-4% de Cu, 0,5% de Mg y ocasionalmente hasta un 0,8% de Fe y 0,8% de Si. El duralumnio se deforma bien y sus propiedades y sus propiedades se aproximan a las de muchos aceros pero 2,7 veces más ligero. Otro uso es la obtención de materiales compuestos junto con otros materiales, polímeros mayoritariamente, para la obtención de materiles con unas propiedades cada vez más avanzadas y con una densidad cada vez mejor.
Titanio: El titanio (llamado así por los Titanes, hijos de Urano y Gea en la mitología griega) fue descubierto en Inglaterra por William Gregor, en 1791, cuando estudiaba un metal de color gris-plata que había encontrado. Poco después, en 1795, el químico austríaco Martín Kalprotz, descubridor también del uranio, de dio el nombre de titanio.
Este elemento es, en cuanto a su abundancia, el noveno de los que forman la corteza terrestre. Virtualmente, todas las rocas ígneas, y sus sedimentos, así como muchos minerales, principalmente los que contienen hierro y todos los organismos vegetales y animales, contienen titanio.
El mineral más importante del que se extrae el titanio es el rutilo (óxido de titanio), muy abundante en las arenas costeras. Por su parte el titanio debe ser sometido previamente a un proceso metalúrgico de refinado, para prevenir su eventual reacción con sustancias gaseosas, tales como el nitrógeno, el oxígeno y el hidrógeno..
Matthew A. Hunter preparó por primera vez titanio metálico puro (con una pureza del 99,9%) calentando tetracloruro de titanio con sodio a 700-800 ºC en un reactor de acero.
El método de Kroll, que es el utilizdo aún hoy en día, el metal se mantiene cosntantemente en una atmosfera de gas inerte, como argón o helio, que inhibe la reacción con cualquier otro elemento.
Durante los años 50 y 60 la URSS promovió el empleo del titanio en usos militares y submarinos (Clase Alfa y Clase Miguel) como parte de sus programas militares relacionados con la Guerra Fría. En los EEUU, también se apoyó su comercialización, llegando a considerar al titanio como material estratégico. En 2006 la Agencia de Defensa estadounidense concedió 5,7 millones de dólares para desarrollar un nuevo proceso para fabricar polvo de metal de titanio. Bajo calor y presión, se puede usar en polvo para crear artículos fuertes, de peso ligero en las superficies de revestimeintos de armaduras o componentes para el espacio aéreo, el transporte e industrias de tratamiento químico.
Como principales propiedades podemos señalar su ligereza (4507 kg/m3), alto punto de fusión (1675 ºC), es refractario y paramagnético, no es buen conductor eléctrico y además presenta una extraordinaria resistencia a la corrosión y la oxidación. Desde el punto de vista mecánico sobresale su maleabilidad, ductilidad, dureza, resistencia a la tracción y tenacidad, permitiendo además la obtención de piezas por dundición y moldeo y se puede soldar. También tiene una alta memoria de forma.
Uranio: Seguro que todos hemos oído historias de objectos o reliquias que otorgarían a aquel que las ostentara un poder tal que lo haría invencible. Los más famosos sin duda alguna fueron El Santo Grial, La Lanza del Destino y el Arca de la Alianza. Aunque la Lanza del Destino si se conserva, por lo menos lo que Hitler creía que era (aunque de serlo su eficacia deja mucho que desear), las demás no dejan de ser piezas cuya existencia nunca pudo ser demostrada de forma científica, aunque los nazis e Indiana Jones se dejasen la vida en ello. Si bien todo esto, y a día de hoy, sólo se puede calificar de leyenda, si existe otro material que podríamos equiparar a cualquiera de estas reliquias y su eficacia como garante de invulneravilidad si que está más que demostrada: el uranio y su hijo aventajado, el plutonio. Para aquel que dude de los “poderes mágicos” que otorga su dominio puede preguntar por Corea del Norte o Israel (país este último que por cierto se gastó una fortuna en buscar el Arca de la Alianza en Jerusalén, y parece ser que aún siguen ...), y muchos otros sueñan con dominar las técnicas de procesado del uranio: enriquecimiento y obtención del plutonio básicamente, ya que su estracción no suele ser un problema dada su abundancia en la corteza terrestre.
El uranio fue descubieto como óxido en 1789 por el químico alemán Martin Heinrich Klaproth, mientras analizaba el mineral pechblenda extraído de una mina de oro de Bohemia. Pudo separar un polvo negro y creyendo haber descubierto un nuevo metal, lo añadió a los 14 ya conocidos con el nombre de uranio, en honor al descubrimeinto que años atrás había realizado su compatriota William Herschel: el planeta Urano, en 1781. Aunque Klaproth no lo sabía, lo que realmente acaba de descubrir era oxido de uranio, concretamente del isótopo U-238, que es la forma natural del uranio, aunque siempre contenga una pequeña pero muy importante parte del isótopo U-235, que suele ser de aproximadamente del 0,72%. El primero que consiguió aislar el uranio en estado metálico fue E.M. Peligot, en 1841, que redujo con potasio y cloruro anhidro el óxido de uranio. Con todo no sería hasta 1896 cuando el físico francés Antoine Henri Becquerel demostró las propiedades radiactivas del nuevo elemento. Para ello produjo, por la acción de una sal fluorescente de sulfato de potasio y uranio, una imagen sobre una placa fotográfica cubierta con una sustancia observente de luz. Las investigaciones sobre la radioactividad que siguieron a los experimentos
de Becquerel condujeron al descubrimiento del radio y a nuevos conceptos sobre la organización de la materia.
Dejando de lado las propiedades militares del uranio y plutonio en armas, el uranio desempeña un papel crucial en nuestra sociedad y es, a día de hoy, y por mucho ruído que hagan ciertos colectivos (una pena que no sepan tanto de ciencia como de hacer pancartas) completamente insustituible. Como combustible para la obtención de energía eléctrica, es, dejando de lado las energías renovables, cuya utilidad en la actualidad es más propagandística que otra cosa, la mejor, más barata, eficiente y ecológica forma de obtener eneria eléctrica (aunque suene chocante es así, de hecho una central térmica de combustibles fósiles arroja más residuos contaminates al ambiente en un día que combustible consume un reactor nuclear en una año de servicio). El gran inconveniente que presenta el uranio, y sus derivados, es el problema que suponen los residuos que generan, aunque esto se ve muy minimizado teniendo en cuenta la reducida cantidad que se generan, dado que el redimiento como fuente de energía es altísimo. De hecho un reactor como los que instalados en España consume unas 17 Tm de combustible al año.
Tambien en esta faceta el uranio se comporta como “Arca de la Alianza”, ya que debido a su abundancia (casi cualquier pais que disponga de la tecnología puede extrerlo de su territorio) y que además los yacimientos más importantes están en paises estables, aporta una independencia enérgética muy importante, que vistos los tiempos que corren no es nada desdeñable (a ver cuando nos enteramos por aquí).