Durante los últimos cien años las actividades humanas han estado sujetas a continuos cambios como resultado entre otros factores, de la incorporación de innovaciones tecnológicas bajo la forma de productos, procesos y técnicas en las labores productivas y de servicios que se realizan en el mundo.

Sin embargo, no siempre se comprende que detrás de casi todas estas técnicas, productos y procesos industriales, que hacen posible tales avances, se encuentra el desarrollo o el perfeccionamiento de algunos materiales, que es realmente lo que hace posible la innovación. Esto último se ha evidenciado desde el uso de la piedra, hasta el desarrollo moderno de los circuitos y dispositivos electrónicos de nuestros actuales equipos de alta fidelidad, televisión a color y la bomba atómica misma.


Ciencia de los materiales

En el presente, los científicos e ingenieros producen sistemáticamente una gran cantidad de materiales nuevos o mejorados en laboratorios y plantas industriales, los que continúan alterando el mundo en que vivimos; de esta forma, la ciencia de los materiales ha pasado a ser uno de los pilares vitales del desarrollo moderno. La gestación de esta disciplina surgió como una necesidad del concurso de metalurgistas, electroquímicos y físicos del sólido, entre otros profesionales.

Su importancia ha sido implícitamente comprendida por los historiadores, que nombran las etapas de la civilización por medio de los materiales utilizados prioritariamente por el hombre durante ciertos períodos. Así encontramos una Edad de Piedra, seguida por una Edad del Bronce y una Edad del Hierro. Algunos también consideran que la moderna Edad del Acero data desde mediados del siglo XIX.

Los materiales industriales pueden ser clasificados en tres grandes categorías: a) los metales, como el hierro, el cobre, el estaño; b) los materiales orgánicos, caracterizados por contener carbono e hidrógeno, como los plásticos y los compuestos de acetato (nylon celofán, rayón, etc.) y, c) los materiales cerámicos, que son compuestos químicos de elementos metálicos con ciertos elementos no metálicos (loza, vidrio, cerámica electrónica, etc.). Estos últimos incluyen todos los materiales inorgánicos desde el punto de vista químico, excepto los metales y sus aleaciones. Todas las cerámicas se adaptan a la definición de ser inorgánicas, no metálicas y producidas o usadas a temperaturas elevadas.


Compuestos orgánicos

La diversificación de los compuestos orgánicos que llenan la vida cotidiana surge de los recursos de la ingeniería del carbono y sus interminables modelos arquitectónicos. En efecto, los científicos, formando cadenas o anillos de átomos de carbono han sintetizado más de dos millones de sustancias orgánicas que se emplean como fibras, recubrimientos, adhesivos, fármacos, gomas sintéticas, plásticos, etc. La experiencia que existe en sistemas basados en el carbono, ofrece al diseñador de moléculas una extensa colección de materias primas y un arsenal de técnicas experimentales, con las cuales se pueden crear nuevos materiales. Anticipemos ya que en los últimos años se ha logrado crear una serie de materiales orgánicos que exhiben superconductividad, o capacidad para conducir una corriente eléctrica sin resistencia.


Superconductividad

La resistividad eléctrica de muchos metales o compuestos metálicos, cae repentinamente a cero cuando el material se enfría a una temperatura suficientemente baja, lo que ocurre en el rango de temperatura suficientemente baja, lo que ocurre en el rango de temperatura correspondiente al helio líquido. Es decir, al disminuir paulatinamente la temperatura, y a una temperatura crítica Tc, el material sufre un cambio de fase, desde un estado de resistividad nula o de superconductor. La resistividad de un superconductor no es simplemente pequeña, sino que es exactamente cero y en este caso una corriente inducida en él no se disipa en la forma de calor, como ocurre en un conductor normal.

Desde su descubrimiento en 1911 por J.K. Onnes, en la Universidad de Leiden, la superconductividad se ha considerado como un fenómeno que se produce sólo a temperaturas bajas, ya que este descubrimiento fue consecuencia del éxito tecnológico en la licuación del helio. A la presión atmosférica, el helio se condensa a 4,2º K (0ºK corresponde a aproximadamente - 273ºC), y Onnes lo empleó como refrigerante para estudiar las propiedades de varios materiales a bajas temperaturas.

De este modo se observó que la superconductividad del mercurio se iniciaba a 4,2ºK, en el plomo a 7,2ºK y en el estaño a 3,7ºK. En 1973 se encontró que una aleación de niobio y germanio tenía temperatura crítica de 23,2ºK.
Desde el descubrimiento de la superconductividad se evidenció el potencial tecnológico de este fenómeno. Se pensó que se podría transmitir la energía sin pérdidas y lograr disponer de motores eléctricos más eficaces y de electroimanes de enorme potencial.

Por otra parte, la superconductividad se caracteriza también por un efecto magnético llamado efecto Meissner, que se produce en el material cuando se coloca en un campo magnético en cuyo caso el material genera su propio campo interno que tiende a rechazar el campo exterior. Las líneas de fuerza del campo magnético externo se desvían alrededor de la superficie del superconductor. Este efecto ha sugerido una nueva aplicación tecnológica en la cual una pista constituida con un material superconductor repelería el campo magnético generado por un vehículo, flotando así sobre un colchón magnético, y por ello se desplazaría prácticamente sin fricción alguna. La búsqueda de la superconductividad a temperaturas altas ha sido por consiguiente una de las motivaciones fundamentales de los investigadores en las últimas dos décadas Así y a pesar de los incentivos tecnológicos y económicos implicados, no se logró comprender el fenómeno de la superconductividad de los metales hasta casi medio siglo después, cuando se observó por primera vez esta propiedad.


Pares de Cooper

La teoría microscópica de la superconductividad de los metales fue formulada por J. Bardeen, L.M. Cooper y J.P. Schieffer, en 1957 por lo cual se les otorgó el Premio Nobel en 1972. Está basada en la suposición de que debido a una fuerza de interacción atractiva entre los electrones más energéticos, dentro del material, éstos se condensan en un estado de menor energía en el cual forman pares denominados pares de Cooper. La atracción entre ellos es debida a una interacción a través de la red cristalina. Es decir, es una interacción electrón-vibración de la red-electrón. El estado condensado de estos pares de electrones tiene una energía tal que se requiere una energía mínima finita, propia de cada material, para transformar estos pares en electrones normales. Esto implica las propiedades térmicas y electromagnéticas que manifiestan los superconductores.

Puesto que la condensación de los electrones que se produce al formarse los pares de Cooper depende de las deformaciones del retículo atómico, la temperatura crítica de un superconductor depende de la rigidez de este retículo, es decir, de su resistencia a la deformación producida por un electrón en movimiento, en su cercanía. Si los átomos del retículo tienen masas pequeñas y, además, los enlaces entre átomos son relativamente `blandos", entonces las deformaciones son grandes en comparación con aquellas causadas por las vibraciones térmicas, que son las que producen la dispersión y la disipación de energía de los electrones normales y, por tanto, la temperatura crítica es elevada. Se puede demostrar que la temperatura crítica varía en forma inversa a la raíz cuadrada de la masa de los iones del retículo.

Por otra parte, cuando un retículo se ablanda, su frecuencia de vibración disminuye y una menor frecuencia tiende a inhibir la formación de pares de Cooper. Mac Millan sugiere que este efecto explica por qué puede ser posible encontrar sustancias con una temperatura crítica superior a la del niobio-germanio.

En 1964, W.A. Little. de la Universidad de Stanford, propuso un mecanismo alternativo para la formación de pares de Cooper y que no depende de las deformaciones reticulares. De acuerdo a este modelo podría fabricarse un superconductor, aún a temperaturas ambiente, con una cadena de moléculas orgánicas que actuaría como pista para los pares de Cooper al reemplazar el rol del retículo deformable. Aunque los conceptos de Little, que no se entregan en el presente artículo, han sido muy controvertidos, despertaron gran interés en cuanto al desarrollo de los superconductores orgánicos.

La estructura de cualquier conductor orgánico está asociada a dos condiciones básicas. En primer término, sus unidades moleculares deben acoplarse estrechamente a fin de que los electrones de conducción puedan moverse sin dificultad de una molécula a otra. Enseguida, la energía necesaria para ocupar o desocupar parcialmente una banda de energía debe ser baja. Todas las moléculas investigadas hasta ahora tienen una estructura molecular grande y plana, formada por átomos de carbono, hidrógeno y otros, como nitrógeno, azufre y selenio. De este modo las moléculas se pueden apilar apretadamente, una sobre otras, y los electrones pueden propagar una corriente de plano en plano por toda la pila de moléculas planas.


Superconductores orgánicos

Los compuestos orgánicos livianos, con propiedades eléctricas parecidas a los metales, han mantenido una expectante promesa tecnológica durante los últimos 20 anos. Es así como los denominados metales sintéticos han sido propuestos como componentes en motores eléctricos compactos de alta eficiencia, en líneas de transmisión sin pérdidas y en circuitos de computadores ultramodernos. Hasta hace pocos años estas metas habían sido evasivas,principalmente, porque ellas requieren de superconductores que operan a bajas temperaturas, lo que encarece su costo de operación. Varios materiales de este tipo han sido desarrollados en la actualidad con la esperanza de que puedan ser introducidos en los procesos industriales.

Los metales sintéticos bautizados como synmetal en inglés son también interesantes debido a su escaso peso, el que frecuentemente es cercano a la mitad del de un metal ordinario. Ellos podrían ser ideales en aplicaciones de circuitos electrónicos utilizados en naves espaciales, y en motores que usen magnetos superconductores, los que serían más pequeños, livianos y eficientes que los actuales.

En efecto, a pesar de que estos metales sintéticos inicialmente debían ser enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto (-2713ºC), para que se convirtieran en superconductores, los investigadores en la actualidad han ido aumentando paulatinamente la temperatura crítica. o temperatura de transición, a la cual se alcanza el estado superconductor.

También se han hecho notorios progresos para bajar las presiones necesarias para transformar los metales sintéticos en superconductores. Mientras que inicialmente, presiones de 12 000 atmósferas eran a veces necesarias para que estos materiales enfriados alcanzaran el estado superconductor, algunas remodelaciones moleculares efectuadas recientemente han hecho posible transformar algunos de ellos en superconductores a presión atmosférica.

La temperatura crítica debe subir a -243ºC para hacer que estos metales desarrollados sean una alternativa práctica para competir con los materiales existentes, y aunque el alto costo de los metales sintéticos probablemente disminuya, según las aplicaciones se amplíen, la rapidez y significación de esta disminución permanecen inciertas.

Los metales sintéticos se fabrican mezclando dos diferentes tipos de compuestos. Una molécula, usualmente de constitución orgánica con estructura en forma de anillo conteniendo carbón, selenio o azufre, se carga positivamente al entregar un electrón: la otra molécula que puede ser orgánica o inorgánica, alcanza una carga negativa al captar electrones. Debido a esta transferencia, los químicos llaman a estos materiales "metales sintéticos donante-aceptor" o de "transferencia de carga en sales".

El resultado es una serie de iones positivos y negativos alternados (cationes y aniones, respectivamente).
La conducción se produce primeramente en los cationes (átomos cargados positivamente). cuyos electrones orbitales tienden a formar una banda de valencia a través de la cual los electrones pueden desplazarse hacia arriba o hacía abajo de las hileras de moléculas planas. La superconductividad, aparentemente, se produce porque ciertos tipos de cationes pueden estar tan juntos como para permitir que los electrones se muevan no sólo verticalmente, sino que también lateralmente.

Las primeras sales orgánicas con transferencia de carga fueron echas por la Compañía Du Pont, alrededor de 1960. Consistían de la molécula aceptora de electrones 7, 7, 8 -tetraciano-p- quinodimetano (TCHQ), combinada con donantes tales como el metal cesio. Durante la década del setenta, investigadores de los laboratorios Bell (Estados Unidos) y otros combinaron el TCHQ con una molécula plana donante llamada tetratioful-valeno (TTF) y se encontró que las sales con transferencia de carga eran aún mayores conductoras que aquellas con donantes metálicos.

Debido a que las propiedades conductoras de los metales sintéticos se parecen a aquéllas de ciertos compuestos metálicos que son superconductores a bajas temperaturas, muchos investigadores especularon que los nuevos compuestos con transferencia de carga deberían tener esas características. Sin embargo se demostró posteriormente que esto no ocurría en el caso de la combinación TTF-TCHQ, la que por razones desconocidas se transforma en un aislador cuando se enfría. A pesar de ello se produjo una intensiva búsqueda de metales sintéticos que pudieran ser superconductores investigando muchas combinaciones de nuevas moléculas donantes y aceptoras.


Nuevos materiales

Como resultado de lo anterior, los investigadores europeos encontraron en 1979 el primer material orgánico superconductor, un compuesto en que el donante lo constituía una molécula que contenía selenio. el tetrametiltetraselenofulvaleno (TMTSF), y el aceptor era el anión hexafluorofosfato.

Este material alcanzaba la superconductividad a -272ºC y a 12 000 atmósferas, presión suficientemente alta como para acercar los cationes Este descubrimiento desencadenó una gran cantidad de investigaciones de materiales que pudieran ser potenciales superconductores. La mayor parte de ellos consistieron en compuestos de TMTSF combinado con aniones de diferentes tipos. A principios de 1983 un grupo de investigadores, conducidos por E.M. Engler y Richard Greene, en el Centro de Investigación San José de la IBM, descubrió un compuesto que se hacía superconductor a -271ºC y a 4 000 atmósferas. En este caso el donante era una molécula que contenía azufre, el bis (etililenoditiolo) tetratiofulvaleno (BEDTTTF), bautizado como "ET", siendo el aceptor el anión perrenato (ReO4).

La meta ahora es crear moléculas con temperaturas de transición más altas. Esto es, a pesar de que la búsqueda infructuosa para poder desarrollar un superconductor con Temperatura de transición a temperatura ambiente postulada por Little, ha sido abandonada, los investigadores se encuentran optimistas de poder producir metales sintéticos y metales con temperaturas críticas de hasta -232ºC. Por ahora, la temperatura crítica más alta conocida es de -250ºC, para el compuesto metálico de niobio y germanio. Un metal sintético con temperatura crítica de 232ºC o más, con toda seguridad tendría múltiples aplicaciones puesto que en tal caso, el hidrógeno líquido con temperatura crítica de -242ºC podría ser usado como refrigerante.

A pesar de que el hidrógeno líquido presenta riesgos al ser utilizado, incluido aquel de su explosión. tiene la ventaja de ser mucho más barato y fácil de emplear que el helio líquido (-271°C). el cual es usado actualmente para enfriar metales sintéticos superconductores.

Se han probado dos tipos de materiales para ser enfriados utilizando hidrógeno líquido como refrigerante. Los primeros consisten en nuevas variaciones con TMTSF y ET, las dos familias de metales sintéticos que se sabe que poseen propiedades superconductoras. La otra forma es el estudio de metales sintéticos con estructura molecular completamente diferente, con anillos que contengan carbono y telurio introducido en la estructura.

Debido a que el tamaño de los aniones (átomos cargados negativamente) influye en la distancia entre cationes y que de este modo se controla también la conductividad, se utilizan aniones más pequeños para disminuir la energía mínima que se debe entregar al electrón para liberarlo de la molécula. Algunos de los esfuerzos más intensos se han centrado en el ET. El grupo de Williams, de Argonne (EE.UU.), por ejemplo, ha encontrado que un ET derivado con yodo ionizado y aniones que contienen bromo (Ibr2), se convierte en superconductor a 270ºC y a presión atmosférica. Recientemente, Williams comunicó haber encontrado otro derivado del ET (basado en oro y yodo), que alcanza la superconductividad a -268ºC y a presión atmosférica.

En 1984, I. F. Shchegelov, del Instituto de Física-Química de Moscú, informó que el yodo triple (13), derivado del ET, tiene una temperatura de transición de -265ºC, aunque se requirió alguna presión adicional. Diferentes grupos de investigación de Argonne, en el Laboratorio Nacional de Sandia (Alburquerque) y en Japón. están también experimentando con el I3.


Aplicaciones

Existe prácticamente consenso en que los metales sintéticos tendrán pronto usos tecnológicos, aunque todavía existen algunas variables desconocidas, como ser su costo y fragilidad. Respecto a esto último, algunos investigadores indican que a ciertos compuestos quebradizos ha sido posible darles la forma de alambres, anillos u otras estructuras utilizables.

Las aplicaciones más probables para metales sintéticos, sin embargo, están en tareas especializadas, donde ellos tengan una ventaja nítida sobre los metales. Así por ejemplo, Williams argumenta que, debido a su escaso peso, los metales sintéticos superconductores pueden algún día ser utilizados en la circuitería de los vehículos espaciales.

Los magnetos o motores eléctricos son otra aplicación potencial que pueden tener estos materiales, puesto que mientras los motores fabricados con metales superconductores pesarían sólo un cuarto de un motor convencional, aquellos hechos de metales sintéticos serían aún más livianos.

Las líneas de transmisión hechas de metales sintéticos podrían aumentar enormemente la eficiencia de las redes nacionales de energías eléctrica, puesto que las pérdidas normales debido a la resistencia no se producirán aún en líneas de longitudes de cientos de kilómetros. En computadores, más aún, la muy escasa producción de calor de los metales sintéticos superconductores haría posible diseñar circuitos de gran densidad de componentes y eventualmente, el corazón del computador, las láminas de memoria, podrían hacerse también de estos materiales.

En la actualidad ha sido posible construir dispositivos interruptores simples, en los cuales un campo eléctrico, o radiación, produce regiones en un cristal de metal sintético que cambia entre dos estados resistivos estables(resistencia eléctrica en dos diferentes direcciones).

Estos dispositivos han sido patentados y los autores visualizan el día en que tales interruptores sean fabricados industrialmente.

Debido a que las hileras de moléculas planas conductoras en estos cristales pueden interactuar, se cree que la memoria de almacenaje será tridimensional, posiblemente conduciendo a dispositivos de memoria de más capacidad que aquellas de láminas de silicio que se usan actualmente, las cuales almacenan información sólo en dos dimensiones.

Algunos metales sintéticos han sido también puestos en servicio como fotorresistores para fabricar algunas memorias existentes. en una forma de mayor eficiencia. Es así como la compañía IBM ha experimentado con algunos metales sintéticos llamados haluros TTF (cloruros y bromuros), como materiales para fotorresistores. Cuando un haz electrónico. programado para inscribir un circuito determinado, es lanzado sobre una capa de haluro TTF, depositado sobre una lámina de silicio, el haluro expuesto se descompone y se evapora, dejando formado el circuito que se desea imprimir, en tanto el haluro no expuesto al rayo no es afectado. Contrariamente a lo que ocurre con los fotorresistores normales, en los cuales la parte expuesta debe ser usualmente lavada o revelada, en el proceso desarrollado por la IBM se consigue todo en una sola etapa, puesto que el material se evapora. En este contexto, la IBM reconoce que se ha completado la base científica del trabajo.

A pesar de los obstáculos que se han tenido para enfrentar el desarrollo de estos metales sintéticos, se han hecho significativos progresos en los últimos años y las perspectivas futuras son promisorias.



Para saber más


1. Gordon Graff. Synthetic Metals Near Reality.
High Technology, noviembre
1985.