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DE LAS CUERDAS DE CÁÑAMO A LOS HILOS DE ARAÑA.LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

MANUEL ELICES CALAFAT

Real Academia de Ciencias

INTRODUCCIÓN

Se ha dicho que el bienestar económico y social de unpaís depende de su nivel de ingeniería; no hay duda deque la Ingeniería de Materiales tiene un gran protagonis-mo en las industrias del automóvil, aeroespacial y elec-trónica. También parece claro que la velocidad de creci-miento de sectores clave en la economía está limitada porel progreso conseguido en la Ciencia e Ingeniería de los Ma-teriales. Esta joven disciplina es indispensable para po-tenciar la capacidad industrial y la innovación tecnológi-ca. Por estos motivos, la Ciencia de los Materiales estápresente en este Programa de Promoción de la Cultura Cien-tífica y Tecnológica.

La tecnología de los materiales está asociada a la evolu-ción de las sociedades y participa en todas las actividadeshumanas. Los materiales desempeñan un papel crítico enlos avances tecnológicos, y la madurez conseguida en estaciencia ya permite diseñar materiales a medida. Los ma-teriales biológicos —fruto de 4.000 millones de años deI+D de la Naturaleza- son, hoy, una fuente de inspira-ción para diseñar nuevos materiales. Todos estos aspectosse comentan a continuación.

Relevancia de los materiales en la sociedad

Los historiadores han clasificado las primeras edades dela humanidad según el impacto tecnológico de los mate-riales utilizados; así han surgido las clásicas edades de Pie-dra, del Bronce y del Hierro. La clasificación puede ex-tenderse y matizarse (figura 1).

No es difícil extender la clasificación hasta nuestros días.El siguiente período podría ser muy bien la Edad del Hor-migón; los romanos ya se sirvieron de él para sus obraspúblicas y ahora es el material que más se consume -en vo-lumen- en todo el mundo. El acero fue el siguiente ma-terial con una fuerte incidencia tecnológica y social, hizosu aparición en escena hace unos doscientos años. Despuésde la Edad del Acero podemos considerar que vino la Edaddel Silicio. El silicio es el acero de la industria de los se-miconductores. De la misma forma que el acero permitió

que la revolución industrial transformara el mundo desa-rrollado de su época, el silicio ha sido el soporte que ha per-mitido a la revolución de las tecnologías de la informacióntransformar el mundo actual.

Las edades del Acero y del Silicio ilustran el hecho deque la Ciencia e Ingeniería de los Materiales es una disci-plina importante que no sólo facilita el desarrollo de nue-vos productos e industrias, sino que además puede teneruna profunda repercusión en la sociedad. La Edad del Si-licio se inició alrededor de 1950 y representará, segura-mente, la última edad basada en un solo material. En es-tos momentos estamos entrando ya en la Edad de losNuevos Materiales porque la madurez de la Ciencia de losMateriales ya nos permite diseñar el material que necesi-tamos en vez de tener que seleccionar el más idóneo quenos ofrezca la naturaleza.

La ordenación de las edades también se puede enrique-cer si se tienen en cuenta ciertos matices entre ellas. Lahistoria nos enseña que la humanidad, al principio, seadaptó a los materiales que la Naturaleza le ofrecía selec-cionando el más apto para sus necesidades. Cuando no loencontraba, lo diseñaba empíricamente al principio y cien-tíficamente después.

En las edades de Piedra y del Hierro, el hombre se limi-tó a seleccionar los materiales líticos o férreos más adecua-dos. Después, diseñó empíricamente materiales que la Na-turaleza no le brindaba; aleó cobre con estaño y creó elbronce, mezcló piedras con argamasa y fabricó el hormigón,y la aleación del hierro con el carbono produjo el acero. Enlos últimos cincuenta años, sus conocimientos sobre la es-tructura de la materia le han permitido diseñar científicamentenuevos materiales. La tecnología de la microelectrónica sebasa en una deliberada y científicamente justificada intro-ducción de impurezas en cristales de silicio para diseñar se-miconductores con unas propiedades adecuadas.

La ciencia de los materiales participaen todas las actividades humanas

Difícilmente se encontrará una actividad humana don-de los materiales no tengan un cierto protagonismo; des-

1


DISEÑO BASADO EN LACIENCIA DE MATERIALES SILICIO

(REVOLUCIÓN TECNOLÓGICA

DE LA INFORMACIÓN)*

DISEÑODE

.MATERIALES

ACERO(REVOLUCIÓN INDUSTRIAL)

SELECCIÓNP - If PIEDRA

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2000

Fig. 1 . - Edades de la humanidad: ampliación de las edades clásicas y matización según la selección o el tipo de diseño del material.

de la flamante estación orbital ALFA hasta el humilde re-ceptor de radio de bolsillo, desde los trenes de levitaciónmagnética hasta el coche utilitario o desde un sofisticadoequipo de tomografía por emisión de positrones hasta unsencillo aparato de rayos X, los materiales nos facilitan lavivienda, la energía, el transporte, las comunicaciones, lasalud y el bienestar. Los siguientes ejemplos ilustran estaidea.

El primer cable telefónico que cruzó el Atlántico —elTAT 1— era de cobre, se componía solamente de unos po-cos cientos de circuitos telefónicos y cada uno de elloscostaba dos millones de dolares. En 1995 se puso en fun-cionamiento el primer cable transatlántico formado confibras ópticas. El diseño de nuevos materiales -sustitu-yendo el cobre por la fibra óptica- ha permitido aumen-tar la eficacia y disminuir el coste; el número de circuitosen un solo cable se ha multiplicado por mil, mientras quesu coste es dos millones de veces menor.

El nexo entre los materiales y la producción de energíaes indudable. De nuevo, al abaratar los costos, los mate-riales pueden hacer comercialmente viable un proceso deproducción de energía; por ejemplo, la energía fotovol-taica. Pero el papel de los materiales en este sector puedeser más trascendental: pueden frenar o impedir el desa-rrollo de algunas fuentes de energía —la obtenida por fi-sión o fusión nuclear— al no disponer de los materialesidóneos. Parece ser que la demanda mundial de energía semultiplicará por tres en los próximos veinte años, mien-tras que las principales fuentes de producción eléctrica-los combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo o elgas natural— deberán disminuir su contribución por lasexigencias del Convenio del Cambio Climático. La in-dustria nuclear podría ser una solución, que sería másatractiva si se hubieran resuelto algunos problemas rela-cionados con los materiales; como la corrosión bajo ten-sión y la fragilización por la radiación.

Las fuentes energéticas alternativas que propugnan los eco-logistas también ven su éxito comprometido al no saber di-señar materiales más eficientes y más baratos. La Cienciae Ingeniería de Materiales tiene, y tendrá, un gran prota-gonismo en el campo de la energía. El progreso es constante;hace pocos años un avión alimentado solamente con célulassolares de silicio amorfo cruzó el cielo de los Estados Uni-dos —desde San Diego, en California, hasta Kitty Hawk, enCarolina del Norte, donde los hermanos Wright volaronpor primera vez en 1903—. Este vuelo, al revés de lo que lesucedió a ícaro, fue posible gracias al Sol.

Los materiales también inciden en la sanidad, un as-pecto no tan conocido y poco valorado. Gracias al dise-ño de materiales muy específicos se han podido desarro-llar técnicas de auscultación no invasivas e indoloras,administrar potentes fármacos con un riesgo mínimo, yrealizar transplantes inimaginables hasta el momento. Latomografía por emisión de positrones, capaz de medir si-multáneamente en más de 60 secciones transversales conuna resolución de 3 mm, debe parte de su éxito al tubofotomultiplicador fabricado con unos materiales que po-seen una extraordinaria sensibilidad para detectar la luz.Otros materiales harán realidad la tomografía acústica eli-minando, por ejemplo, las molestas colonoscopias. La se-guridad y eficacia de un fármaco se puede mejorar si se en-capsula y se libera en el sitio adecuado. Para llevar a caboesta estrategia deben diseñarse materiales capaces de trans-portar la droga y descargarla al llegar al blanco; disol-viéndose, hinchándose para que se difunda, o degradán-dose (figura 2). Los materiales para implantes que se hanutilizado hasta hace poco eran materiales inertes. Desdehace unos años se diseñan materiales que son bioactivos,que cooperan con los tejidos vivos, que no los ignoran. Elobjetivo final es conseguir que crezcan —no que se trans-planten— los nuevos órganos, gracias a un feliz maridajeentre la Biología Molecular y la Ciencia de los Materiales.

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EL PAPEL CRITICO DE LOS MATERIALES

Los avances tecnológicos van, casi siempre, de la manocon el desarrollo de nuevos materiales y, otras veces, estánfrenados por no disponer de los materiales adecuados. Lastecnologías ligadas al transporte, a las comunicaciones, ala energía o a la salud, por citar algunas, nos ofrecen mu-chos ejemplos en este sentido. A continuación se comen-tan algunos casos extraídos del sector del transporte.

Materiales para el transporte

El 15 de octubre de 1997, durante un fresco amanecer enel desierto de Nevada, Andry Green -un piloto británico deaviones Tornado que gozaba de un permiso especial- fue elprimer hombre que superó la barrera del sonido pilotando uncoche. El bólido Thrust SSC (Super Sonic Car) superó ru-giendo los 1.228 kilómetros por hora —1.017 Mach— en doscarreras. Fue el final triunfal después de seis años de esfuer-zos del equipo Thrust SSC de. Farnborough (Reino Unido),dirigido por el entusiasta Richard Noble, quien también ba-tió un récord en su momento. Este éxito se debió, en gran par-te, a que se dispuso de los materiales adecuados.

El Thrust-SSCtiene una longitud de 16,5 m, una anchurade 3,7 m, pesa 9,3 toneladas y está propulsado por dos mo-tores turbohélice Spey 205 de Rolls-Royce (figura 3). Parasu construcción se ha recurrido a distintos materiales: ace-ro, aluminio, titanio y varios materiales compuestos. La uti-lización de un compuesto de matrix epoxy reforzada con fi-bras de grafito ha sido decisiva: este material ha permitidodisminuir el peso del vehículo y, a la vez, proporcionar lagran resistencia necesaria en los conductos de admisión delaire —fabricados de una sola pieza— en la cabina del piloto,en las góndolas de los motores y en el afilado morro.

Otras hazañas no pueden realizarse porque todavía nose dispone de los materiales adecuados. Este es el caso,por ejemplo, del Oriente Express.

El Oriente Express es el nombre coloquial que se ha dadoal avión suborbital, de Mach 8, que volará de Nueva Yorka Tokyo en tres horas. Durante la reentrada en la atmós-fera su piel puede alcanzar temperaturas próximas a los2.000 °C. Tanto la aeronave como sus motores -el com-bustible será hidrógeno- están diseñados, pero no se dis-pone de un material suficientemente dúctil y tenaz que pue-da soportar las altísimas temperaturas producidas por el rocecon la atmósfera al comenzar el descenso.

Esta delicada maniobra la suele iniciar el transborda-dor espacial cuando está sobre Madagascar, al inclinar elpiloto lateralmente la nave de forma que el borde de unala y el morro empiecen a hendir la tenue atmósfera. Lamaniobra debe efectuarse con mucha precisión: si no en-tra con el ángulo adecuado puede rebotar igual que unapiedra plana lanzada horizontalmente sobre el agua. Si lo-gra penetrar, cualquier pequeño error resulta difícil de co-rregir porque la nave no planea muy bien. Si se desviarade la ruta más de 1.300 kilómetros -una distancia que, or-bitando, recorre en menos de tres minutos- tendría gran-

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DISOLUCIÓN

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HINCHAMIENTO

Fig. 2.- Distintas estrategias -usando diferentes tipos de materiales-para liberar un fármaco en el sitio adecuado.

des dificultades para llegar a Cabo Cañaveral y, proba-blemente, se estrellaría en el suelo. Por si todo esto fuerapoco, cuando el transbordador golpea la atmósfera —a27.000 kilómetros por hora— su piel se calienta mucho, tan-to que el gas que lo rodea se ioniza formando un plasma.Las ondas de radio no pueden atravesar este plasma y lascomunicaciones permanecen interrumpidas durante variosagonizantes minutos.

El Oriente Express pretende eliminar estos problemascon otro diseño para que la nave planee mejor y puedaasí aterrizar en otro aeropuerto, y con un morro másaerodinámico que elimine prácticamente los minutos desilencio. Se estima que con el nuevo diseño más estiliza-do en el morro y en los bordes de ataque de las alas se al-canzarán temperaturas superiores a los 2.000 °C, muchomayores que las que puede soportar un material estructuralconvencional.

En el primer ejemplo -el coche supersónico-, el pro-blema se resolvió porque se supo diseñar un material ligeroy tenaz. En el segundo -el avión transatmosférico-, elproblema no se ha resuelto todavía porque no se sabe di-señar el material que pueda resistir una temperatura tanelevada. También puede darse una situación intermedia:


LFig. 3.- El Thrust SSC fue el primer coche que superó la barrera del sonido, el 15 de octubre de 1997. (A. Ernoult, cortesía de Nikon Pro.)

tener un material adecuado a escala de laboratorio y no sa-berlo fabricar a escala industrial de forma competitiva.Los trenes que funcionan por levitación magnética pue-den ilustrar este tercer ejemplo.

En el mes de octubre de 1829, la compañía del ferro-carril Liverpool-Manchester ofreció un premio de 500 li-bras -unos 18 millones de pesetas de ahora- alvehículo capaz de arrastrar una carga igual a tres veces supeso a una velocidad de 16 kilómetros por hora. El pre-mio lo ganó una locomotora a vapor, llamada eufemísti-camente el «cohete» — The Rocket—, en competición conotras tres máquinas de vapor, un vehículo tirado por ca-ballos y otro accionado por dos hombres.

La Rocketmarcó el inicio de una nueva era. Durante laspruebas, que duraron ocho días y a las que asistieron másde 15.000 espectadores, se alcanzaron velocidades cerca-nas a los 50 kilómetros por hora. El triunfo de la loco-motora se debió, en gran parte, a su caldera, cuyo diseñoy materiales fueron novedosos. A partir de esta fecha, lasdiligencias tuvieron sus días contados. No obstante, eltren inspiraba pánico a mucha gente; la gran velocidad-20 kilómetros por hora-, el traqueteo y el humo, queen los túneles era irrespirable y tiznaba a los pasajeros, ha-cían del tren un motivo de espanto. Ocho años despuésse inauguró en Cuba el primer ferrocarril español, entreLa Habana y Güiness. En 1848 se inauguraba el primerferrocarril de la península, entre Barcelona y Mataró.

El ferrocarril del futuro, el Maglev, no se parecerá ennada al Rocket ni a sus descendientes, sólo conservará elnombre. Hasta las vías de hierro -el chemin defer— desa-parecerán. Este tren tampoco tendrá un motor tradicio-

nal, no tendrá ruedas convencionales, no rozará el suelo sinoque volará —levitará— a unos diez centímetros de altura de-bido a un fuerte campo magnético, de ahí su nombre: mag-lev. La velocidad media prevista, 500 kilómetros por hora,será un orden de magnitud superior a la máxima alcanza-da por el Rocket. La resistencia del aire limitará la veloci-dad más que la potencia de los motores electromagnéti-cos. Se alcanzarán velocidades superiores a 800 kilómetrospor hora y en túneles, con aire a baja presión, se cree quese podrán superar los 1.000 kilómetros por hora.

Para conseguir los fuertes campos magnéticos capaces dehacer levitar el tren hacen falta potentes electroimanes.La energía que se disiparía utilizando materiales conduc-tores convencionales —cobre— haría el proyecto inviable.El descubrimiento de materiales superconductores —don-de la disipación de energía es prácticamente nula— per-miten que el Maglev sea una realidad. Dos trenes de estetipo están en proyecto; el primero, previsto para el año2000, entre Tokio y Osaka, y el segundo, para el año 2005,entre Berlín y Hamburgo. Todas las bobinas de los elec-troimanes, para que sean superconductoras, deberán traba-jar a una temperatura extremadamente baja, 4o K (-269 °C)-la temperatura del helio líquido-, lo que implica un altocoste de refrigeración y mantenimiento.

Recientemente, se han descubierto materiales que sonsuperconductores a temperaturas menos bajas, alrededor de-150 °C. Ello permitirá refrigerar con nitrógeno líquido(-196 °C), que es muchísimo más barato que el helio lí-quido, haciendo más atractivo y viable el proyecto. El es-collo que ha surgido está en la fabricación industrial de lasbobinas superconductoras. Cuando se logre pasar de la es-

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cala del laboratorio, cuando se sepan fabricar estos mate-riales a escala industrial, los supertrenes nos harán los via-jes más cómodos; la ausencia de vías reducirá los ruidos yvibraciones, y la duración de los trayectos será mucho me-nor. La fabricación industrial de estos materiales super-conductores —o, quizá, superconductores a temperaturaambiente— es un apasionante desafío para el futuro.

MATERIALES A MEDIDA

Ya es posible diseñar materiales a medida. Antes, se se-leccionaba el material más adecuado que ofrecía la Natu-raleza. Si no se encontraba, se diseñaba empíricamente;con ingenio. En la actualidad, ya se puede diseñar-con cri-terios racionales basados en la Ciencia de los Materiales—el material que se necesita. Aunque todavía se está lejos detener soluciones para todos los casos, ya se ha trazado elcamino a seguir en el futuro.

Para comentar estas ideas basta observar la evolución deun componente estructural. El ejemplo elegido es uno delos más simples: el tendón. Los primeros cables se tuvieronque fabricar con fibras naturales, seleccionando las más ade-cuadas. El buen resultado obtenido ha permitido a las cuer-das de yute o de cáñamo sobrevivir hasta nuestros días. Bus-cando otras prestaciones, se diseñaron los cables metálicos

imitando los tendones naturales y su fabricación fue posi-ble gracias a la ductilidad de estos materiales. El progresoen el conocimiento de las relaciones entre la estructura delos materiales y sus propiedades ya permite diseñar materialesnuevos para fabricar tendones con unas prestaciones supe-riores a los cables de acero o las cuerdas de cáñamo.

Fibras materiales

Fibras seleccionadas

Hilar y tejer fueron unas de las primeras habilidades tec-nológicas de los humanos. Los restos arqueológicos indi-can que nuestros antepasados tuvieron una técnica refinaday que, hasta cierto punto, controlaban las propiedades delos tejidos utilizando distintos materiales y procedimien-tos. Se sabe que hace más de 4.000 años ya se utilizabanlas fibras proteínicas de los capullos de los gusanos de sedapara tejer delicadas prendas. Las fibras empleadas se se-leccionaron entre las fibras animales y vegetales disponibles:pelo y lana, cáñamo, lino o algodón, en regiones templa-das, yute en la India y China, y pita en América Central.

Con las fibras se fabricaron cuerdas y tejidos. Las cuer-das se han usado en construcción para unir estructuras demadera y en puentes colgantes (figura 4), en el aparejo debarcos y en distintos tipos de armas: arcos, ballestas y ca-

Fig. 4.- Puente colgante fabricado con fibras vegetales.


Fig. 5.- Puente colgante fabricado con fibras metálicas. El puente de Verrazano (EE. UU.) -con una luz de 1.298 m- fue récord mundial depuentes colgantes desde 1964 hasta 1981 (foto de M. Elices).

tapultas. Los tejidos han sido, y todavía son, la base de lavestimenta. Para los pueblos nómadas, la tela es un ele-mento esencial en sus tiendas, y para los marinos, el ma-terial de sus velas. En estos últimos años, las fibras natu-rales se están revalorizando -los primeros Levi's llevabanfibra de cáñamo- y compiten con productos de presta-ciones medias por su bajo coste, poco peso y facilidad dereciclado.

Fibras diseñadas empíricamente

La tendencia a imitar la naturaleza es, posiblemente,uno de los impulsos más primitivos de los seres huma-nos. Después de usar durante muchos siglos cuerdasfabricadas con fibras naturales y de haber aprendido a de-formar los metales blandos —oro y cobre—, el siguientepaso fue la fabricación de cordones con hilos metálicos,al principio como adornos y después con fines más uti-litarios. En nuestros días usamos hilos metálicos paracasi todo y su contribución a la moderna civilización estan discreta que suelen pasar casi desapercibidos. Sin loshilos metálicos, muchos de los logros de esta época -des-de los ingenios espaciales, o la distribución de la elec-tricidad, hasta el humilde muelle de un lapicero— noserían posibles.

La fabricación de hilos metálicos continuó de forma ar-tesanal hasta bien entrada la revolución industrial. Aprincipios del siglo XIX, la demanda de hilos de acerotodavía era escasa. El uso de cables empezó a generalizarsea partir de 1850, pero su crecimiento estuvo obstaculi-zado por la gran cantidad de uniones que debían hacer-se al ser pequeña la longitud de los alambres disponi-bles.

El puente de Brooklyn, abierto al tráfico en 1883 -con-siderado por los americanos de aquella época la octavamaravilla del mundo, después del de Niágara que, paraellos, era la séptima—, estaba soportado por cuatro gran-des cables de 400 mm de diámetro. Cada cable estaba for-mado por 19 cordones y cada cordón por 278 alambres.En total se utilizaron 24.000 km de alambre de acero. El5 de abril de 1998 se abrió al tráfico el puente de AkashiKaikyo, cerca de Kobe. Con una luz entre apoyos centra-les de 1.990 m batió el récord mundial de puentes col-gantes. Está soportado por dos grandes cables de1 m de diámetro. Cada cable está formado por 290 cor-dones y cada cordón por 127 alambres de 5 mm de diá-metro. Con el alambre utilizado se podría dar siete vecesla vuelta al mundo. Esta proeza se ha conseguido, en par-te, por la gran resistencia de los alambres de acero, más de1.800 MPa (figura 5).


El hilo de acero es el elemento básico del cable. El pro-ceso central en la fabricación del alambre es el trefilado, queva acompañado de una etapa previa de preparación y deuna etapa posterior de acabado. Durante el trefilado, elalambre pasa a través de una hilera y sufre una deforma-ción plástica brutal con el propósito de aumentar su límiteelástico y carga de rotura.

Si se comparan las propiedades de los tendones obteni-dos seleccionando fibras naturales -las cuerdas de cáñamo,por ejemplo- con los tendones diseñados por intuición -loscables de acero, en nuestro caso—, se observan ventajas yalgunos inconvenientes; la resistencia de los cables de ace-ro (1.000 MPa) es muy superior a la del cáñamo (85 MPa).También lo es la resistencia específica, aunque no tanto.(225 MN m/kg para el acero y 120 MN m/kg para el cá-ñamo). La energía elástica que son capaces de almacenarpor unidad de volumen es, prácticamente, la misma (al-rededor de 4 J/cm3). La deformación que pueden sopor-tar hasta la rotura es mucho mayor en la cuerda de cáña-mo (10% frente al 1 %), lo cual puede ser una ventaja enalgunos casos o un inconveniente para otras aplicaciones.Los cables de acero son más pesados (la densidad relativaes de 4 frente a 0,7), y ambos tendones se deterioran enambientes húmedos; las cuerdas de cáñamo se pudren ylos cables de acero se corroen. En el futuro, un diseño másracional —basado en un mejor conocimiento de los mate-riales— permitirá mejorar las propiedades y subsanar los in-convenientes.

Se está cerca de alcanzar el límite teórico de la resisten-cia en algunos materiales; en el hierro, por ejemplo, se creeque la resistencia a tracción puede llegar a 14.000 MPa yya se han conseguido 5.000 MPa en hilos muy finos de ace-ro trefilado. La Ciencia de los Materiales nos ha enseña-do que la presencia de defectos en los cristales disminuyesu resistencia. Cuando los cristales son muy pequeños—por ejemplo, las fibras cristalinas llamadas whiskers- esmás difícil que tengan defectos, y se ha comprobado queestos microcristales son enormemente resistentes. La for-ma de aprovechar las excelentes propiedades de las fibrases fabricando un material compuesto, arropándolas enuna matriz adecuada. El diseño de materiales compuestospara fines determinados será, en el futuro, una de las prin-cipales actividades del ingeniero de materiales.

Fibras diseñadas científicamente

El nilón puede considerarse la primera fibra diseñadacientíficamente. Es una poliamida inventada por WallaceCarothers en 1934, cuando trabajaba en los laboratoriosde I+D de Du Pont tratando de imitar las fibras de seda.No le había encontrado ninguna aplicación y lo arrinco-nó dentro de un bote en el almacén, aunque se había dadocuenta de que si se introducía la punta de una varilla devidrio dentro del bote y después se extraía, se formabanunos filamentos de apariencia sedosa. Un día en el queCarothers no estaba en el laboratorio, Julián Hill y otrosquímicos del equipo intentaron ver lo lejos que se podía

llegar estirando uno de estos hilos; tomaron una peque-ña cantidad del producto en una varilla de vidrio y, co-rriendo por el vestíbulo, estiraron el filamento formandouna larga fibra. En este momento se dieron cuenta de lasposibilidades del polímero.

El estirado en frío del polímero produce una reorienta-ción de las cadenas de poliamida aumentando considera-blemente su resistencia a tracción. Por este procedimien-to se obtuvieron fibras finas y muy resistentes con las quese podían fabricar cuerdas y tejidos. Du Pont nunca tuvouna patente de la composición del nilón; sólo patentó elproceso de estirado en frío. Este proceso, descubierto ac-cidentalmente, dio lugar al producto más importante quela Du Pont puso en el mercado.

En la Feria Mundial de Nueva York de 1939, se lanzóal mercado la fibra de nilón. Du Pont hizo la presenta-ción del nuevo producto diciendo que se había sintetiza-do a partir de carbón, aire y agua, y que era tan fuertecomo el acero. Esta frase se interpretó por las mujeres queestaban presentes en el auditorio como si las medias denilón fueran indestructibles e interrumpieron el discursocon un fuerte aplauso. Junto a la sala de conferencias ha-bía una atractiva modelo dentro de un gigantesco tubode ensayo mostrando muy visiblemente sus nuevas medias.Cuando se ofrecieron a la venta, por primera vez, las me-dias de nilón -el 15 de mayo de 1940 en Nueva York-, sevendieron cuatro millones de pares en las primeras cincohoras.

En 1988, el avión del vuelo 104 de Pan Am explosio-nó en el aire cuando volaba sobre Lockerbie (Escocia) de-bido a una bomba dentro de una maleta. Los 270 pasa-jeros probablemente estarían vivos si el compartimentode equipajes hubiera estado protegido con paneles deKevlar.

El Kevlar es otra fibra diseñada científicamente con laque se fabrican chalecos antibala. El Ministerio de De-fensa británico (DERA) lleva gastados más de 1.250 mi-llones de pesetas para conocer hasta qué punto se puedeproteger un avión frente a estos atentados y ha realizadopruebas con aviones en el laboratorio que tiene en FortHalstead. Los resultados indican que los paneles de Kev-lar pueden deformarse, sin romperse, y absorber la metralla.Para proteger un avión comercial se necesitarían tres to-neladas de Kevlar, con un sobrecosió en combustible deunos 9 millones de pesetas al año.

Las fibras Kevlar y Spectra son dos ejemplos de diseñobasado en la Ciencia de los Materiales. El Kevlar es elnombre comercial (Du Pont, 1968) de las fibras sintéti-cas de aramida y Spectra es el nombre comercial (DutchState Mines, 1984) de unas fibras especiales de polietile-no. Si se compara la resistencia de estas fibras con las tra-dicionales, se observa que es muy superior a la de lasfibras naturales y similar a la del acero; la resistenciadel Kevlar 49 es de 3.100 MPa, la de Spectra 900 es de2.600 MPa, el algodón y el nilón sólo tienen una resistenciade alrededor de 600 MPa, y la de un cable fino de acero(la cuerda de piano) puede llegar a 3.000 MPa. El mó-

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dulo de elasticidad también es alto en estas fibras artificiales:unos 120 GPa para las dos fibras comentadas y menos de10 GPa para el algodón y el nilón.

La clave para entender las excepcionales prestaciones deestas fibras, en particular los grandes valores de la resistenciay módulo de elasticidad, está en el alto grado de orienta-ción de las cadenas del polímero. Una fibra con todas lascadenas orientadas paralelamente al eje es mucho más re-sistente y rígida que otra con las cadenas sin una orienta-ción preferente.

La flexibilidad de las cadenas alifáticas en el nilón favo-rece que se enreden y que el grado de alineación con el ejede la fibra no sea muy grande. En el Kevlar, por el contrario,las cadenas de aramida se comportan como varillas rígidasy al extrusionarlas a través de la hilera se alinean más fá-cilmente con el eje de la fibra (figura 6). Algo parecidoocurre con los espaguetis; es fácil alinear un mazo de es-paguetis cuando están secos, sin cocinar. Si intentamos ali-nearlos cuando ya están servidos en el plato es casi impo-sible porque están blandos, son más flexibles y se enredan.

La gran resistencia de los enlaces carbono-carbono con-tinúa excitando la imaginación de los ingenieros de ma-teriales, que han encontrado en los nanotubos de carbono—uno de los jóvenes parientes de la molécula del fullere-no— un candidato para la fibra ideal. Los nanotubos sonvariantes tubulares de la molécula esférica de 60 átomosde carbono. La gran resistencia de los nanotubos —que al-gunos investigadores cifran en uno o dos órdenes de mag-nitud superior a la de las mejores fibras conocidas- pro-viene de la estabilidad de los enlaces carbono-carbono yde la casi perfección de estos minúsculos cilindros. Lasextraordinarias propiedades, electrónicas y mecánicas,auguran un futuro muy prometedor para estos nuevosmateriales.

Materiales para electrónica

El diseño de materiales a medida es el objetivo final dela Ciencia de los Materiales. El diseño de fibras ha sido unejemplo en el campo de los materiales estructurales. En elcampo de la electrónica, la ingeniería de bandas (bandgapengineering) nos ofrece otro ejemplo de esta filosofía alpermitir diseñar un material con una anchura de banda pre-determinada; las super-redes son estructuras periódicasformadas por muchos pozos cuánticos en serie. Variandola anchura de los pozos o la altura de las barreras, o gra-duando la cantidad de impurezas, se pueden conseguirdispositivos que respondan con más rapidez o que emitanradiación de una determinada longitud de onda y modi-ficar la masa efectiva de los portadores de carga. En unapalabra, fabricar materiales electrónicos «a medida».

LECCIONES PARA EL FUTURO

Los conocimientos logrados por la Ciencia de los Ma-teriales ya permiten diseñar fibras sintéticas con muy al-

í IM oc

Fig. 6.- Estructura molecular (esquemática) de una fibra de una po-liamida alifálica (nilón) y de una poliamida aromática (Kevlar).

tas prestaciones; se fabrican fibras de polímeros, de ma-teriales metálicos, o cerámicos, que se acercan a los valo-res teóricos de un cristal perfecto. Pero esto no es todo, por-que un material -y las fibras, en particular- casi nuncadesempeña una sola función; un material, además de re-sistente puede interesar que sea flexible (o rígido), trans-parente (u opaco), aislante (o conductor), que soportetemperaturas altas (o bajas), que sea reciclable o que po-sea otras características. Todo ello hace que el diseño secomplique, porque se pretende concebir un material op-timizando varias propiedades; este concepto de multifun-cionalidadparece que tendrá una gran relevancia en el fu-turo. Otro aspecto, íntimamente ligado al material, es elde su fabricación; de poco sirve concebir un excelente ma-terial si después no se puede fabricar, o su producción noes rentable. Las tres caras de un material —estructura, pro-piedades y fabricación- están íntimamente relacionadas.La Naturaleza sigue siendo una buena fuente de inspira-ción para el diseño de materiales, y el hilo que fabrican lasarañas es un paradigma de los tres aspectos anteriormen-te mencionados.

El hilo de seda de la tela de araña

Todas las arañas poseen glándulas que segregan hilos deseda para fabricar los capullos, descolgarse de un sitio a otroy tejer trampas (figura 7). Aunque tienen distintas clasesde glándulas -que funcionan como si fueran hileras- ca-paces de producir distintos tipos de seda, todos los hilosson biopolímeros (el monómero es una proteína forma-da por una cadena de aminoácidos). El hilo de la araña Ne-phila clavipes que le sirve para descolgarse contiene una


proteína con un peso molecular de alrededor de 300.000.La transición de la seda desde el estado líquido -antes deser hilada a través de la glándula- al hilo de seda sólido,no se conoce muy bien y es un paso tremendamente im-portante para la fabricación industrial de la fibra. Apa-rentemente, una parte de la proteína cambia de configu-ración durante este proceso, pasando de una estructurahelicoidal (llamada tipo a), que es soluble en agua, a otraestructura en forma de una hoja plegada (llamada tipo P),que es insoluble. En algunas especies se cree que la tran-sición se produce por causas mecánicas durante el paso através de la hilera.

El hilo de seda de las arañas tiene un diámetro de apro-ximadamente una miera y posee una estructura que re-cuerda a los materiales compuestos. Está formado por unamaraña de cadenas de aminoácidos -con estructura ot-en la que están embebidos pequeños paquetes (cuyas di-mensiones son de aproximadamente 10 nm) de cadenasordenadas —con estructura p—. Estos paquetes se com-portan como cristales y son los responsables de la rigidezde la fibra, mientras que las regiones amorfas le propor-cionan la elasticidad.

La elasticidad de los hilos depende, también, del gradode humedad. Una fibra seca no puede deformarse másallá del 30% sin romperse, mientras que una fibra hú-meda puede extenderse diez veces más. En muchas telas

de araña se puede comprobar que se utilizan hilos secos parafabricar el bastidor de la tela porque son más rígidos, yque los hilos húmedos, más deformables, se reservan paraatrapar las presas.

Las propiedades mecánicas de estos hilos de seda sonimpresionantes cuando se comparan con las de otras fibrasde altas prestaciones, como el Kevlar 49 o el hilo de ace-ro: la resistencia para los dos últimos está alrededor de3.000 MPa y la resistencia del hilo de la araña Araneus al-canza 5.000 MPa. Además, es mucho más flexible; el mó-dulo de elasticidad inicial vale alrededor de 10 GPa, mien-tras que los módulos para el Kevlar y el acero son120 GPa y 210 GPa, respectivamente. Gracias a estos dosatributos, su capacidad para almacenar energía elástica esenorme; 100 kj/kg para el hilo de araña frente a 30 kj/kgdel Kevlar y 1 kj/kg para el acero. Esta propiedad no es deextrañar porque la tela de araña debe ser capaz de sopor-tar sin romperse el impacto de un insecto. Se ha dichoque si se pudiera fabricar una red de pesca con hilo dearaña, se podría cazar un avión en pleno vuelo sin rom-per la red.

Los hilos de la tela de araña tienen otras propiedadessorprendentes: las fibras de seda están protegidas por unaespecie de vaina -como en algunos cables y fibras ópticas-que tiene, entre otros cometidos, la misión de evitar quese dañe la superficie de la fibra. Una pequeña fisura su-

Fig. 7.- Una araña Argiope y su tela adornada con rocío (foto de M. Eüces).

MANUEL ELIGES CALAFAT

perficial disminuiría la capacidad resistente de la fibra;basta imaginar lo que sucedería si a un hilo de goma ti-rante se le hiciera un pequeño corte con una hoja de afei-tar. El recubrimiento de los hilos radiales —que suelenmantenerse secos- es una fina capa de lípidos, mientras quelos hilos de la espiral -los llamados hilos de captura que con-viene que sean muy deformables- poseen un revestimientoacuoso. Las vainas también incorporan fungicidas y bac-tericidas para defender los hilos contra bacterias y hongosque podrían deleitarse con las nutritivas proteínas del re-cubrimiento. Esta cualidad antiséptica de la tela de arañapodría justificar que se la usara antiguamente para vendarlas heridas. Todas estas propiedades ilustran el conceptode multifuncionalidad que, sin duda, estará cada vez máspresente en el diseño de nuevos materiales.

Los hilos de araña también nos pueden orientar sobreel otro aspecto mencionado anteriormente; la fabricacióny el reciclado del material. Las arañas han desarrollado unprocedimiento original para reciclar sus hilos, que, pro-bablemente, se pueda imitar. Se ha observado que las pro-teínas de la seda de las telas de araña se reciclan. La arañaAraneus antes de fabricar una nueva tela se come la anti-gua. Se han hecho experimentos marcando radiactiva-mente un aminoácido de la proteína —la alanina, con tri-tio— y se ha observado que alrededor del 90% de laradiactividad reaparece en la nueva tela. Puesto que estoocurre al cabo de unos 30 minutos, o bien la seda de la telaantigua no se ha roto del todo por las enzimas digestivas,o los aminoácidos se absorben tan rápidamente por el epi-telio glandular que muy pocos de ellos se utilizan para fa-bricar proteínas del cuerpo de la araña. En cualquier caso,parece ser que la araña reacia la seda con rapidez y que ape-nas la usa para su sustento.

La fabricación, en cantidades industriales, de seda dearaña no es un problema sencillo, pero hay indicios deque está en vías de solución. Las arañas no se han podidodomesticar, como los gusanos de seda, porque es muy di-fícil que crezcan juntas en cautividad, debido a que tienenuna naturaleza solitaria y depredadora. Además, las telasde araña no se pueden devanar como se hace con los hi-los de los capullos de seda. El camino que se sigue es: pri-mero, identificar los genes de las arañas responsables de lafabricación de las proteínas de la seda; después sintetizarestos genes, y, finalmente, expresarlos en microorganis-mos o en plantas -girasoles, por ejemplo-. Si estas técni-cas de bioingeniería tienen éxito, el siguiente paso será fa-bricar nuevos tipos de seda modificando los genes. Noestá muy lejano el día en que las humeantes fábricas de fi-bras se transformen en dorados campos de girasoles.

EPÍLOGO

La diversidad de materiales estructurales que nos ofre-ce la Naturaleza es el resultado de 4.000 millones de añosde investigación y desarrollo. Casi siempre, estos mate-riales son multifuncionales e inteligentes-ion tolerantes aldaño y capaces de autorrepararse-, se fabrican en condi-ciones no agresivas -medios acuosos y a temperatura am-biente— y son biodegradables. La habilidad para apreciarlas lecciones que nos enseña la Naturaleza ha progresadogracias a los avances de la Ciencia de los Materiales y dela Biología Molecular, y ya se pueden imitar -e inclusomejorar— algunos aspectos de los materiales biológicos.No obstante, estos materiales seguirán siendo una fuentede inspiración para las futuras generaciones.

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de las cuerdas de cÁÑamo a los hilos de araÑa. la …hace unos años se diseñan materiales que...

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