Poniendo los átomos (o iones) en orden: la química del estado sólido

J.M.PORTO LÓPEZ

Rosario, Argentina

Taller; XIII Reunión de Educadores en Química y I Jornadas Internacionales; 2006

Asociación de Educadores en Química de la Rep. Argentina (ADEQRA) - U.N. de Rosario

PONIENDO LOS ÁTOMOS (O IONES) EN ORDEN: LA QUÍMICA DEL ESTADO SÓLIDO Porto López, José Manuel Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA) (CONICET - UNMdP) Av. J.B.Justo 4302 (B7608FDQ) Mar del Plata - Fax: (0223) 481-0046 Porto López, José Manuel Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA) (CONICET - UNMdP) Av. J.B.Justo 4302 (B7608FDQ) Mar del Plata - Fax: (0223) 481-0046 jmplopez@fi.mdp.edu.ar En la segunda mitad del siglo pasado, el mundo ha presenciado un explosivo desarrollo de tecnologías que, para bien y para mal, han cambiado drásticamente el modo de vida de la humanidad: informática, carrera armamentista, materiales bioactivos, desarrollos aeroespaciales, comunicaciones, ingeniería genética, y muchas más. Está claro que este cambio acelerado es la característica distintiva de la época, y que la situación en un momento dado sólo cambia para ser superada por novedades aún más radicales. Y también está claro que, para quien está dedicado a una actividad técnica, sea como docente o como profesional, es indispensable acompañar estos cambios, so pena de quedar excluido no ya de la comprensión, sino además del uso, de las tecnologías que dictan nuestro modo de vida. En los años posteriores a la segunda guerra mundial, la progresiva especialización de las aplicaciones técnicas chocó contra las limitaciones impuestas por los materiales con que se contaba. Ello resultó en la necesidad de mejorar sus propiedades (mecánicas, químicas, térmicas, biológicas, eléctricas, magnéticas...), y en muchos casos, exigió el desarrollo de materiales completamente nuevos. Esto, obviamente, no fue factible sin contar con un conocimiento profundo y detallado de los factores que determinan las propiedades y comportamiento de esos materiales. Y aquí se hizo evidente que el comportamiento de un material sólido no puede conocerse a partir del solo conocimiento de su composición química y de las propiedades de los elementos que lo constituyen. Compuestos químicamente similares tienen propiedades magnéticas, biológicas, aun químicas, diferentes, dependiendo de la estructura cristalina que posean, y aun de defectos en las mismas que se encuentren en concentraciones imposibles de detectar con las técnicas experimentales de hace cincuenta/treinta/diez... años. Así, para comprender y predecir el comportamiento de estos materiales, fue necesario replantear su estudio, basándolo en el hecho de que ese comportamiento está regido por una química en la cual los aspectos colectivos son dominantes. Del mismo modo que un individuo no se comporta igual cuando está solo, o participando en una fiesta, o formando parte de un equipo deportivo, o en el orden cerrado de un desfile militar, especies químicas nominalmente iguales presentes en un sólido tendrán comportamientos químicos diferentes de acuerdo a la estructura de dicho sólido. En otras palabras, se deben conocer las relaciones entre composición química, propiedades y estructura, y se debe contar con métodos de procesamiento que permitan obtener las estructuras deseadas, y métodos de caracterización que permitan analizarlas. Y lo que es más importante, ese conocimiento debe permitir, a partir de los requerimientos para una aplicación dada, diseñar el material capaz de satisfacerlos. Este es el campo de la química del estado sólido (QdS). Obviamente, tiene muchas áreas de solapamiento con otras ciencias del estado sólido -física de la materia condensada, mineralogía-, y con disciplinas más desplazadas hacia el campo de las aplicaciones -ciencia de materiales, ingeniería cerámica, ingeniería de materiales poliméricos, metalurgia, ingeniería de materiales compuestos-. La QdS está referida a la síntesis, estructura, propiedades y aplicaciones de materiales sólidos. Estos materiales son frecuentemente, pero no necesariamente, inorgánicos. Los sólidos inorgánicos son, en su gran mayoría, no moleculares, y su estructura está determinada por la manera en que los átomos o iones que los constituyen están empaquetados en tres dimensiones. En contraste, en las sustancias moleculares la estructura y las propiedades son las de las moléculas individuales. Así, la QdS está referida fundamentalmente a materiales no moleculares. Un aspecto estructural adicional -y muy importante- es la estructura de defectos de los sólidos. Todos ellos contienen defectos de algún tipo, y a menudo éstos tienen gran influencia en propiedades como conductividad eléctrica, resistencia mecánica y reactividad química. El tema de las soluciones sólidas está estrechamente relacionado con este. Las mismas permiten que la composición de los sólidos varíe significativamente manteniendo la misma estructura cristalina, lo que puede resultar en la modificación y control de muchas propiedades. Los métodos de síntesis de sólidos incluyen, por ejemplo, reacciones heterogéneas, transporte en fase vapor, precipitación y métodos electroquímicos. El sólido puede ser preparado en una diversidad de formas: monocristales, polvo, piezas policristalinas, películas. Muchos de los métodos usados son exclusivos de la QdS, y no se los encuentra en otras ramas de la química. Los métodos y técnicas que se usan para analizar y estudiar los sólidos son también diferentes a los de otras ramas de la química. Así, hay menos énfasis en los métodos espectroscópicos, y más en las difracciones y en las microscopías. Esto no quiere decir que los métodos espectroscópicos no sean importantes en QdS; sólo que no se los usa para la caracterización de sólidos, o para la determinación de estructuras. Esta "nueva" química es, entonces, paralela a la química "convencional", y no es extrapolable de ella. Si bien comparten conceptos fundamentales como equilibrio y energía libre, el escenario es diferente: en la mayoría de las reacciones heterogéneas no se alcanza el estado de equilibrio; la energía libre es función de la curvatura superficial y de las energías interfaciales. Magnitudes como energía de activación, constante de velocidad de reacción, coeficiente de difusión, exigen una reconsideración, ya que dependen de factores que no están presentes en la química clásica. En este punto, entonces, y en este ámbito como el que nos encontramos reunidos, surgen diversas cuestiones: · Qué cambio de paradigma representa para el alumno el punto de vista de la QdS? · Y para el docente, casi siempre formado en términos de las químicas "homogéneas" clásicas (orgánica e inorgánica) y libres de contexto? · Cómo entendernos con la multidisciplinariedad inherente a esta disciplina (sus profundas interacciones con la física, la biología, las ingenierías...), lo que sugiere que la QdS debe estar incluida en más de una ciencia, y debe ser enseñada a los estudiantes de todas ellas? · Habida cuenta de su importancia, a la luz de la orientación que tiene actualmente el desarrollo de la ciencia de materiales y de las aplicaciones tecnológicas que están sosteniendo (y amenazando...) esta civilización, cómo encarar su enseñanza en los distintos niveles? · Dada la velocidad de cambio de los conocimientos, y la poca abundancia y rápida obsolescencia de los textos, qué importancia se debe dar a la actividad de investigación por parte de los docentes? Estos son sólo unos pocos ejemplos, pero de la respuesta que tengan dependerá la calidad de nuestros graduados, su capacidad para desenvolverse en el medio científico-tecnológico, y en último caso, el grado de protagonismo de nuestra región en la creación de conocimientos y en el futuro de la especie.