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PLÁSTICOS Y FIBRASCIENCIAS NATURALES

Introducción. La ciencia de materiales | La estructura de los materiales | Propiedades y estructura | Propiedades,enlaces e interacciones | Plásticos y fibras: materiales versátiles | Propiedades y estructura molecular de los polímeros |La producción de polímeros | Polimerización en cadena | Polimerización por etapas | Algunos polímeros importan-tes | Plásticos | Fibras | Siliconas

Autores: Dr. Fabio Doctorovich (UBA y CONICET ) y Dra. Sara Aldabe Bilmes (UBA y CONICET) | Coordinación Autoral: Dr. Alberto Kornblihtt(UBA y CONICET)

PROGRAMA

DE CAPACITACIÓN

MULTIMEDIALEXPLORALAS CIENCIAS EN EL MUNDO CONTEMPORÁNEO

ciencia de materiales.qxd 22/03/2007 10:39 a.m. PÆgina 1

2 EXPLORA CIENCIAS NATURALES

E n los últimos sesenta años hemospresenciado un desarrollo formi-

dable de nuevos dispositivos y mate-riales. Sin remontarnos tan atrás, enlas últimas décadas hemos asistido a laexpansión de las computadoras perso-nales (PC) cada vez más veloces, de losdiscos compactos (CD), de los láseres.También hemos asistido al crecientereemplazo de fibras naturales, como lalana o el algodón, por otras sintéticaspara fabricar tejidos impermeablesque permitan transpirar y conservaruna temperatura constante. Día a díasalen al mercado nuevos adhesivos,nuevas tintas de colores, nuevos mate-riales para la construcción.

Las bases de los materiales que com-ponen gran parte de los objetos y dis-positivos que nos rodean cotidiana-mente fueron desarrolladas en la pri-mera mitad del siglo XX, pero fue apartir de la finalización de la SegundaGuerra Mundial que se masificó elconsumo y aumentaron el desarrollo yla producción de una gran diversidadde materiales con mayor especificidadpara un uso particular. Este impulso encierto modo disparó la necesidad deconvergencia de distintas disciplinastradicionales en lo que hoy llamamosciencia de materiales.

les tradicionales como el vidrio, el ce-mento, el acero, la cerámica, la lana,el algodón o la seda. Sin embargo,suele hacerse una distinción entre losnuevos materiales, más específicos, ylos tradicionales que se intentan susti-tuir y mejorar para fabricar objetosmás livianos y más resistentes a la vez,o dispositivos de dimensiones cadavez más pequeñas.

En esta disciplina convergen los con-ceptos de estructura y composición, esdecir, el ordenamiento y la identidadde los átomos; de síntesis y procesa-miento; de propiedades: ópticas, eléc-tricas, térmicas, magnéticas, mecáni-cas, entre otras. Esta convergenciaestá directamente relacionada con elcomportamiento de los materiales ysus posibles usos.

En este fascículo y el siguiente abor-daremos una descripción de la estruc-tura y algunas propiedades de los ma-teriales, haciendo hincapié en aquelloscon baja cristalinidad y en los sólidoscristalinos.

El término ciencia de materiales seemplea en un sentido amplio paradescribir el comportamiento de lossólidos desde un punto de vista quecombina la mirada de la química, de lafísica, de la ingeniería y de la biología−esta última cuando se trata de bio-materiales−.

La ciencia de materiales, en princi-pio, no excluye los llamados materia-

Ciencia de materiales: convergencia de disciplinas

en relación con el diseño y la producción

de nuevos materiales.

INTRODUCCIÓN. LA CIENCIA DE MATERIALES

Microscopía electrónica de fibras de nailon y poliéster.

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3PLÁSTICOS Y FIBRAS

LA ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

chón o una capa aislante para un te-cho. En el primer caso, se realiza unproceso que provee mayor densidadde poros que en el segundo, lo que leotorga más flexibilidad al colchón queal aislante. Por otra parte, la menordensidad de poros del aislante le con-fiere mejores propiedades térmicas.

Cualquier objeto que contenga po-liuretano debe estar protegido de laluz solar ya que se descompone fácil-mente por acción de la radiaciónultravioleta. Esta degradación del ma-terial se puede observar por el cre-ciente color marrón y el aspecto pul-verulento que adquiere. Por estemotivo, el aislamiento de techos serecubre con una pintura reflectanteque lo protege del sol.

COLCHONES

En los colchones sesuele utilizar comoparámetro de calidadla relación poliureta-no / aire. A menorcantidad de aire(menor densidad deporos), el colchón esmenos deformable.

P ara comenzar a comprender laconvergencia de disciplinas en

la ciencia de materiales, tomemos elejemplo de los poliuretanos, polímerosque se sintetizan a partir de diisociana-tos y dioles de distinta naturaleza.

La reacción es muy rápida y en gene-ral se obtiene por inyección en unmolde de los reactivos, el catalizador,los aditivos y un agente espumante: elproducto final que se obtiene es unmaterial cuya estructura puede repre-sentarse como un esqueleto que con-tiene poros en su interior, similar a unaesponja. Así se producen suelas de za-patos, colchones, capas aislantes paratechos o heladeras. Sin embargo, lascondiciones de síntesis y de procesadoson diferentes para obtener un col-

PROPIEDADES Y ESTRUCTURA

El primer factor a tener en cuentaal analizar las propiedades de losmateriales es cómo se entrelazan lasunidades estructurales que los compo-nen. Estas unidades estructurales pue-den ser átomos, como en el argón, ogrupos de átomos, como [-CH2-CH2-],que pueden formar enlaces químicosgenerando una estructura extendida.Cuanto más fuertes son los enlacesentre estas unidades y cuantos másenlaces hay entre ellas, más duro ymás rígido es el material.

La secuencia de enlaces entre uni-dades estructurales puede dar lugar aestructuras lineales como el polietile-no, bidimensionales como la mica, o

1. Estructura lineal delpolietileno de alta densidad.

2. Estructura bidimensio-nal de la mica.

3. Estructura tridimensio-nal del poliuretano.

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Estructura de una unidad de uncristal de cloruro de sodio.

Estructura de dióxido de silicio.

tridimensionales como el diamante oel poliuretano.

Los compuestos formados por unaúnica unidad estructural son gases olíquidos a temperatura ambiente, co-mo el nitrógeno (N2), el dióxido de car-bono (CO2) o el agua (H2O), o son sóli-dos con temperatura de fusión baja(por debajo de los 300 °C) como elyodo (I2). Las estructuras extendidastienden a ser sólidos aun a altas tem-peraturas. Cuando se trata de polí-meros lineales, como el polietileno,las interacciones entre cadenas no sontan fuertes como los enlaces químicos;estos materiales tienden a ser mecáni-camente blandos y con temperatura defusión baja. Algunos son líquidos atemperatura ambiente, generalmenteviscosos, pues las cadenas se "enro-llan" como tallarines, lo que producemayor resistencia al fluir. Los polímerosbidimensionales, como el grafito o lamica, se separan fácilmente en capas,mientras que las estructuras extendidastridimensionales, como la baquelita, el

cuarzo o la sal de mesa (cloruro desodio, NaCl), son generalmente rígidas,con temperatura de fusión alta.

Otro aspecto importante en cuantoa las propiedades de los materiales esel orden o desorden de la estructuraextendida. Esta puede ser desordena-da, como en un líquido viscoso (queno es totalmente desordenado comoun gas ideal), o extremadamente or-denada, como en los sólidos cristali-nos, en los que hay una repeticiónperiódica de una unidad conformadapor un cierto número de átomos. Elejemplo más simple de un sólido cris-talino es NaCl, en el que cada cristalestá formado por una secuencia deunidades cúbicas donde cada catiónsodio está rodeado por seis anionescloruro y cada anión cloruro estárodeado por seis cationes sodio.

Entre estos dos extremos encontra-mos situaciones con distinto grado deorden, semicristalinos o amorfos, don-de hay dominios de unidades repetiti-vas y dominios de unidades desorde-

nadas. La cristalinidad de un materiales importante tanto para las propie-dades mecánicas como para las eléc-tricas, térmicas, ópticas o magnéticas.Un material muy desordenado es máselástico que un material cristalino yeste tiene mayor conductividad eléc-trica que uno amorfo.

En realidad, los materiales siempretienen cierto grado de orden y de de-sorden, y la mayor o menor cristalini-dad se logra variando las condicionesde síntesis y procesamiento. Por ejem-plo, el enfriamiento del dióxido de sili-cio (SiO2) fundido puede dar un mate-rial muy cristalino como el cuarzo si elenfriamiento es muy lento, o bastanteamorfo como el vidrio si el enfriamien-to es rápido. En el caso del cuarzo, lacristalinidad no es total −a menos quese trate de un único cristal o mono-cristal− y a escala atómica encontra-mos dominios cristalinos (también lla-mados granos). La interfaz entre dosdominios cristalinos usualmente es depocos átomos que tratan de ubicarse

Imagen de mica por AFM.

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Representaciones de la molécula de hexafluoruro de hierro (FeF6). En la primera,las esferas representan la densidad electrónica alrededor de cada átomo; en lasegunda, las rayas representan la zona de mayor densidad electrónica.

ORBITALES Y ENLACES

Un orbital es la región del espacio donde hayuna alta probabilidad de encontrar un elec-trón. Cada orbital tiene asociada una energía ypor el Principio de Exclusión de Pauli, no pue-de haber más de dos electrones en un orbital.Los enlaces polares pueden pensarse como undipolo eléctrico: dos cargas opuestas separa-das por la distancia entre los átomos.El enlace totalmente iónico es una idealiza-ción válida sólo para ciertas estructurasextendidas, ya que siempre hay un ciertogrado de solapamiento de los orbitales ató-micos involucrados en el enlace.

El solapamiento es efectivo cuandolos orbitales atómicos están orienta-dos de modo tal de superponerse enel espacio y cuando tienen energíassimilares. Cuando los átomos son dis-tintos, los orbitales moleculares tien-den a parecerse a los orbitales atómi-cos de menor energía, que son los delátomo con mayor electronegatividad.Esto significa que en un enlace entreátomos con electronegatividades muydiferentes, los electrones tienden aestar más cerca del átomo más elec-tronegativo y los orbitales molecularesno son simétricos. En consecuencia,estos enlaces son polares. En el límite,cuando la diferencia de electronegati-vidad es muy grande, podemos consi-derar que los electrones de valenciadel átomo más electropositivo son"transferidos" al más electronegativo.En este último caso, el enlace se pue-de describir con un modelo iónico deinteracciones entre cargas opuestas.

Salvo en las escasas moléculas diató-micas, un átomo está enlazado con 2,3 y hasta 12 átomos más. El enlace

entre dos átomos está afectado porla presencia de los átomos vecinos, ylos electrones de valencia de todos losátomos que forman parte de una mo-lécula no están localizados sobre unátomo en particular, sino que se distri-buyen por todo el espacio que ocupala molécula, como se ve en la figura dela molécula de hexafluoruro de hierro.

entre las dos direcciones de cada cris-tal. En estos bordes de grano no hayuna repetición periódica de unidades,son zonas amorfas donde, además, losenlaces están distorsionados, pudien-do incluso quedar enlaces "sueltos",es decir, átomos no enlazados a otros.¿Cuál es la diferencia entre el cuarzo yel vidrio? En el vidrio los dominios cris-talinos son mucho menores y entre doscristales hay una amplia zona amorfasin periodicidad.

PROPIEDADES, ENLACES E INTERACCIONES

En las estructuras extendidas, los enla-ces pueden ser covalentes, como en elpolietileno o en el cuarzo, o con unfuerte carácter iónico, como en elNaCl. En el enlace covalente, los elec-trones de valencia de cada átomopasan a estar entre y alrededor de losátomos. La forma más sencilla de vi-sualizar el enlace covalente es comosolapamiento de los orbitales atómicosde cada uno de los átomos que for-man la molécula. El solapamiento dedos orbitales atómicos da como resul-tado dos orbitales moleculares cuyaforma y dirección dependen del tipo deorbitales atómicos involucrados.

Tomemos como ejemplo la molé-cula de hidrógeno, H2. Cada átomode hidrógeno tiene en su capa unelectrón de valencia en un orbital,1s. El solapamiento de los orbitalesatómicos nos da la configuraciónelectrónica de la molécula de H2,como se puede ver en la figura deesta página.



Esta distribución en el espacio siemprepresenta mayor densidad en la zonacomprendida entre dos átomos, comose representa en la figura.

Los electrones son partículas con car-ga eléctrica y espacialmente tienden adistribuirse de modo tal de hacer míni-ma la repulsión entre ellos. Se estable-ce así una dirección preferencial parala posición de un átomo con respectoa los restantes. Esta direccionalidad delenlace en una molécula poliatómicadetermina cómo están distribuidos losátomos en el espacio, o, dicho en tér-minos geométricos, cuál es la forma deuna molécula.

La distribución espacial de los áto-mos en una molécula determina suforma. Sin embargo, moléculas con lamisma composición y la misma formapueden tener distinta distribución deátomos (configuración), lo que se ma-nifiesta principalmente en las diferen-cias de reactividad. Los compuestosque con la misma fórmula molecularpresentan varias alternativas configu-racionales se llaman esteroisómeros ysu distinción es muy importante en eldiseño de fármacos.

Los materiales cuyo enlace puede re-presentarse con el modelo iónico songeneralmente cristalinos, como es elcaso de la mayoría de los óxidos de los

metales de transición o de los halurosalcalinos. Por otra parte, los materia-les cuyo enlace es muy covalente pue-den ser cristalinos, como el cuarzo(SiO2), el yoduro de plata (AgI) y eldióxido de plomo (PbO2,) hasta líqui-dos viscosos, como el polietileno.

Los materiales menos cristalinos sepueden pensar como formados porcadenas que pueden unirse por reac-ción entre grupos de cadenas próxi-mas, formando un retículo tridimen-sional similar a una esponja, como enel caso del poliuretano. En los casosen que la formación de nuevos enla-ces no está favorecida, las cadenas sevinculan entre sí por interacciones detipo electrostático entre dipolos −porejemplo, dipolo-dipolo, puente hidró-geno, Van der Waals−. Estas interac-ciones, más débiles que un enlace,mantienen las cadenas cohesionadas,pero con posibilidad de redistribuirlasaplicando una fuerza externa. Estosmateriales son plásticos, como el po-lietileno y varias de las fibras que vere-mos más adelante.

Abordaremos a continuación (y en elfascículo siguiente) una descripción dela estructura y algunas propiedadesde los materiales. Para facilitar el aná-lisis, los hemos clasificado según el or-den, en materiales con baja cristalini-

Esteroisómeros del ibuprofeno (C13H18O2).

Ambas moléculas tienen lamisma estructura, pero unaes la imagen especular de laotra. Esta diferenciación esimportante en cuanto a la

reactividad. Por ejemplo, el(s) - ibuprofeno es activo

como analgésico y antinflamatorio; el otro, no.

dad, como los polímeros con esquele-tos de carbono o de silicio (siliconas), yen sólidos cristalinos, como el cuarzo.Esta clasificación se basa en los prin-cipales usos de los materiales de ca-da conjunto. Los materiales con bajacristalinidad generalmente se em-plean para hacer recubrimientos, fi-bras, adhesivos, envoltorios, es decir,por sus propiedades mecánicas, prin-cipalmente plasticidad y elasticidad,que facilitan enormemente la posibili-dad de utilizar moldes para obtenerobjetos con una determinada forma,de laminarlos o extrusionarlos. Por otraparte, los materiales cristalinos tienenmayores usos por sus propiedadeseléctricas, ópticas, magnéticas más quepor sus propiedades mecánicas (nosestamos refiriendo a los nuevos mate-riales y no al acero o al cemento).Como cualquier clasificación, pode-mos encontrar zonas comunes a am-bos conjuntos, como el poliacetileno,que es un plástico conductor.

Esta clasificación de materiales noexcluye la presencia de dominios or-denados en los materiales de bajacristalinidad, ni la presencia de domi-nios amorfos en los sólidos cristalinosque, como veremos en cada caso,juegan un rol importante en el com-portamiento de un material.

(s) - ibuprofeno (r) - ibuprofeno



PLÁSTICOS Y FIBRAS: MATERIALES VERSÁTILES

L as sillas en las que nos sentamos,la ropa que usamos, las compu-

tadoras, los juguetes, los CD, las he-laderas y miles de otros productosque nos rodean cotidianamente seencuentran total o parcialmente cons-tituidos por plásticos y fibras. Estospueden describirse como polímeros,macromoléculas fabricadas por elhombre, que contienen decenas ocientos de miles de átomos. El términopolímero deriva del griego poli (mu-chas) y mero (partes). En muchoscasos, las partes son pequeñas molécu-las (monómeros) que reaccionan entresí y se unen para dar cadenas forma-das a partir de miles de ellas. Es comoentrelazar clips de papel, que repre-sentarían los monómeros, para for-mar largas cadenas. Por ejemplo, lasmasas de las moléculas de polietilenode alta densidad se encuentran entre100.000 y 1.000.000 de unidades demasa atómica.

La vida tal como la conocemos nopodría existir sin polímeros. Las proteí-nas, formadas a partir de un grannúmero de aminoácidos unidos porenlaces peptídicos (-N-C(O), llevan acabo un sinnúmero de funciones vita-les en bacterias, animales y plantas.Las fibras naturales son también polí-

meros, formados por hidratos de car-bono o por proteínas. Algunas de ellasproceden de plantas que sintetizancelulosa (un polímero de glucosa): li-no, sisal, algodón. Otras son cadenasproteicas que se encuentran en ani-males: lana, seda, cabello. Las propie-dades de estas fibras se encuentranlimitadas por su estructura natural.Además, algunas como la seda o ellino son difíciles de aislar de sus fuen-tes naturales, lo que las hace costosas.Si bien hay muchas otras fuentes deproteínas o de celulosa, como la pulpade madera, los polímeros naturalesresultan difíciles de modelar para for-mar fibras. Los polímeros sintéticosofrecen más posibilidades porquepueden ser diseñados con las estruc-turas moleculares adecuadas para losusos que se les pretende dar.

El polietileno, el polipropileno y elpoliestireno son polímeros sintéticosmuy importantes formados a partir dehidrocarburos. Los átomos de carbo-no representan la columna vertebralde la molécula, y los átomos de hidró-geno se encuentran unidos a lo largocomo si se tratara de vértebras. Otrospolímeros contienen, además de car-bono e hidrógeno, elementos comooxígeno, flúor, cloro, nitrógeno, fósfo-

ro, azufre o silicio; el PVC (policlorurode vinilo) contiene cloro; el nailon (sunombre comercial es Nylon), nitróge-no; el teflón, flúor; el policarbonato,oxígeno. En las siliconas, la columnavertebral está formada por unidadesSi-O en vez de cadenas de carbono.

Los polímeros sintéticos se clasificanen plásticos, elastómeros y fibras, deacuerdo con sus propiedades. Otraclasificación los divide según el pro-ceso de polimerización utilizado enpolímeros de adición y polímeros decondensación. La mayoría de los polí-meros es resistente a muchos agentesquímicos, y algunos pueden actuarcomo aislantes eléctricos y térmicos,por lo que los encontramos en enchu-fes y manijas de ollas. Son muy livia-nos y gracias a sus propiedades mecá-nicas diversas pueden fabricarse conellos desde juguetes hasta materialesestructurales de estaciones espaciales,desde medias de nailon hasta chale-cos antibalas de Kevlar. Los plásticosse deterioran, pero nunca se descom-ponen completamente (la mayoría noson biodegradables), por lo que cadadía más son reciclados. Algunos polí-meros son extremadamente flexibles(elastómeros, como Spandex), otrospueden utilizarse en forma de espuma

FABRICACIÓN DE FIBRAS

Las fibras manufacturadas se clasi-fican en celulósicas (sintetizadaspor modificación de celulosa prove-niente de árboles o plantas), comorayón, acetato y Lyocell, y sintéticas(producidas a partir de compuestosquímicos obtenidos del petróleo oel gas natural), como poliéster, nai-lon, fibra acrílica, poliolefina ySpandex. Más de la mitad de lasfibras que se usan en el mundo son

manufacturadas. La mayoría de lasfibras se forman por extrusión.Inicialmente, los polímeros sólidosse funden o disuelven para llevarlosa un estado fluido. Este líquido vis-coso es forzado a través de lospequeños agujeros de un dispositi-vo especial para tal fin (llamadoespinerete y similar a la flor de laducha) para formar filamentos depolímero semisólido.

Pueden tener uno o cientos de agujeros que se obturan con muchafacilidad debido a las impurezas, porlo que el líquido que pasa por éldebe filtrarse cuidadosamente. Amedida que los filamentos salen porlos agujeros, el polímero líquido seconvierte primero en una especie degoma y luego solidifica. Este procesode extrusión y solidificación se deno-mina hilado (spinning).



(esponja de poliuretano). Los que sefunden o se disuelven pueden ser ex-truidos en filamentos largos y delga-dos. Se obtienen así fibras sintéticascon estructuras regulares, lo que per-mite que las cadenas se empaquetenbien y formen fibras muy fuertes, aunmás fuertes y livianas que el acero.

Esta variedad de comportamientosque presentan los polímeros se relacio-na con el gran tamaño de sus molécu-las, lo que les otorga una cierta com-plejidad, no sólo a nivel molecular, sinotambién con respecto a cómo se dis-ponen las moléculas entre sí.

PROPIEDADES Y ESTRUCTURA MOLECULAR DE LOS POLÍMEROS

Las unidades estructurales de un sólidocristalino semejan ladrillos que tiendena acomodarse en un arreglo geométri-co ordenado, regular y simétrico quese repite una y otra vez. Una moléculalarga sólo puede acomodarse de estemodo si tiene forma de zigzag regular;no puede hacerlo si se encuentra enro-llada como una madeja.

Las cadenas de polímeros en obje-tos opacos o traslúcidos están cristali-zadas, ordenadas estructuralmente enuna matriz tridimensional uniforme,en forma similar a los tallarines secosen el paquete original. Sin embargo,es raro que un polímero se encuentreen forma totalmente cristalina, ya queal ir solidificando, la viscosidad del

material aumenta y eso impide que lasmacromoléculas puedan moverse yordenarse en un cristal. En consecuen-cia, los polímeros forman sólidos conzonas de cristalinidad alojadas entrematerial amorfo (no cristalino).

La estructura de los polímeros amor-fos se asimila a la forma de los tallari-nes cocidos sobre un plato, con lascadenas distribuidas al azar. Estosmateriales son generalmente transpa-rentes, lo que es importante en aplica-ciones como envoltorios para alimen-tos, ventanas y lentes de contacto. Engeneral, al aumentar la cristalinidadno sólo aumenta la opacidad sinotambién la rigidez y la resistencia a latracción −estiramiento− de los políme-ros debido a las fuerzas intermolecula-res que actúan entre las cadenas. Lasfibras se caracterizan particularmentepor una gran resistencia a la traccióna lo largo de ellas que puede ser enor-me: algunas fibras rivalizan con el ace-ro. El aspecto exterior de las fibras serefleja a nivel molecular: también lasmoléculas son largas, delgadas y fili-formes. Además se hallan estiradasuna al lado de la otra, alineadas en ladirección de la fibra. La resistencia dela fibra reside en la fuerza de los enla-ces de las cadenas poliméricas. El ali-neamiento se logra por estiramientodel material polimerizado: una vez ali-neadas, las moléculas permanecen así;la tendencia a doblarse y enrollarse essuperada por las fuertes atracciones

intermoleculares que mantienen la ali-neación de las fibras y evitan que lasmoléculas se deslicen entre sí.Para ejemplificar lo anterior, compare-mos las propiedades del polietileno dealta densidad y del de baja densi-dad, ambos derivados del gas etileno(CH2=CH2), con dos polímeros natura-les: goma y celulosa.

El polietileno de alta densidad(PAD) es un sólido rígido translúcidoque se ablanda por calentamiento ypuede ser moldeado en formas diver-sas, incluyendo películas delgadas yenvases. A temperatura ambiente nose deforma ni estira con facilidad. Sevuelve quebradizo a -80 °C. Es insolu-ble en agua y en la mayoría de los sol-ventes orgánicos.

El polietileno de baja densidad(PBD) es un sólido blando translúcidoque se deforma completamente porcalentamiento. Sus películas se esti-ran con facilidad, por lo que se usancomúnmente para envoltorios (decomida, por ejemplo). Es insoluble enagua, pero se ablanda e hincha en pre-sencia de solventes hidrocarbonados.También se vuelve quebradizo a -80 °C.

La goma natural es un sólido opa-co, blando y fácilmente deformableque se vuelve pegajoso al calentarlo yquebradizo al enfriarlo. Es impermea-ble al agua, pero puede disolverse ensolventes orgánicos. Puede pensarsecomo derivado del monómero isopre-no, que es un líquido volátil.

Fibras de tela de algodón, ampliadas 30x pormicroscopía de fluorescencia.

Máquina para la extrusión de un polímero para su hilado.

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cadenas están ramificadas y enrolla-das en configuraciones casi esféricas.

En cuanto a la goma, es un políme-ro completamente amorfo ya que suscadenas hidrocarbonadas adoptanformas "enrolladas". Sin embargo, silas cadenas se unen covalentementeentre sí por puentes -S-S- (vulcaniza-ción, proceso desarrollado por CharlesGoodyear en 1839), se obtiene un elas-tómero. Los elastómeros poseen ungrado alto de elasticidad: pueden serestirados hasta diez veces su longitud yvuelven a su forma original. En general,las cadenas del elástomero no calzan

bien entre sí, con lo que las fuerzasintermoleculares son débiles, pero seencuentran conectadas por unos pocosenlaces transversales que evitan el des-lizamiento de las moléculas sin privarlasde cierta flexibilidad y movimiento.

Cuando las cadenas se encuentranunidas por muchos enlaces transver-sales (entrecruzados), los polímerosforman estructuras tridimensionalesrígidas que no se ablandan por calen-tamiento, por lo cual se denominantermorrígidos; un ejemplo es la baque-lita, un polímero sintético derivado delos monómeros fenol y formaldehído.

Baquelita, un material utilizado para confeccionarlos antiguos teléfonos analógicos y los modernosinterruptores trifásicos.

La celulosa, en forma de algodón,es una fibra blanda y flexible, que nocambia entre -70 y 80 °C. Absorbeagua con facilidad, pero no es afectadapor inmersión en la mayoría de los sol-ventes orgánicos. Las fibras de celulosapueden doblarse, pero no pueden esti-rarse mucho sin que se rompan. Sumonómero es D-glucosa, un sólidosoluble en agua. En cambio, el almi-dón, que presenta las mismas unidadesmonoméricas aunque unidas de mane-ra diferente, no forma fibras útiles.

Para poder explicar las diferencias enlas propiedades descritas, debemostener en cuenta la estructura del agre-gado molecular, es decir, la morfología.Los factores que influyen en el gradode cristalinidad de un agregado se rela-cionan con la longitud y ramificaciónde las cadenas y con las fuerzas inter-moleculares entre ellas. Los dos prime-ros factores explican las diferenciasentre el PAD y el PBD. El PAD está com-puesto por cadenas muy largas y pocoramificadas que se acomodan fácil-mente en dominios cristalinos, alterna-dos con segmentos amorfos. Esto haceque el material sea duro pero con ciertogrado de flexibilidad. El PBD está for-mado por cadenas más cortas y ramifi-cadas, las que no adoptan estructurascristalinas con facilidad. El material re-sultante es más blando, menos densoy más fácilmente deformable que elPAD. La posibilidad de ablandarse ypoder ser moldeados por calentamien-to hace que estos polímeros pertenez-can a la familia de los termoplásticos.

La naturaleza de la celulosa ilustrala importancia del tercer factor (fuer-zas intermoleculares entre cadenas).Las cadenas de celulosa adoptan unaconformación cilíndrica y pueden ali-nearse en fibras estabilizadas por puen-tes hidrógeno O-H---O entre cadenasdebido a la presencia de los gruposoxhidrilo (-OH). Estos grupos tambiénfacilitan la absorción de agua. Las fi-bras son cristalinas y las moléculas nose deslizan fácilmente una respectode la otra. El segundo factor (rami-ficción de las cadenas) explica por quéel almidón no forma fibras útiles: sus

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LA PRODUCCIÓN DE POLÍMEROS

E n el proceso de polimerización seunen muchas moléculas de una

misma sustancia (monómero) paragenerar otras más grandes (macro-moléculas). En la copolimerización seunen moléculas de dos o más monó-meros diferentes para formar políme-ros mixtos.

La producción de polímeros sintéti-cos se inicia con la obtención −a partirdel petróleo− de monómeros hidrocar-bonados, por ejemplo, etileno o propi-leno, mediante el proceso de craqueo,que fragmenta hidrocarburos de cade-na larga en unidades más pequeñas.Esto puede hacerse por calentamientoo en presencia de catalizadores, comozeolitas o bauxitas. Otros monómeros−como estireno, cloruro de vinilo, eti-lenglicol y ácido tereftálico− se ob-

tienen por modificación química delos anteriores. Los monómeros sonpolimerizados para formar cadenasmediante el agregado de pequeñascantidades de sustancias llamadas ini-ciadores. Una vez obtenido el polímerose le agregan aditivos para mejorar suspropiedades mecánicas, físicas o quí-micas. Los aditivos proveen protecciónde los efectos degradantes de la luz, elcalor y las bacterias, les dan color ymejoran la apariencia de la superficie.Finalmente se moldean por diferentesprocesos mecánicos (extrusión, inyec-ción, soplado). Tanto los monómeroscomo la mayoría de los polímeros sonproducidos por la industria petroquí-mica, que en la Argentina produjo en2003 casi siete millones de toneladas.Existen diferentes métodos para sin-

tetizar polímeros, cuya utilización de-pende de la reactividad de los monó-meros y de las propiedades con que sedesea obtener el material. El conoci-miento de los mecanismos por los queocurren estas reacciones provee unaherramienta fundamental para poderentender cómo se relaciona el métodopreparativo utilizado con la estructuradel material sintético y, en definitiva,con sus propiedades y usos.

POLIMERIZACIÓN EN CADENA

En el proceso de la polimerización encadena tiene lugar una serie de reaccio-nes sucesivas, cada una de las cualesconsume una partícula reactiva (radical,anión o catión) y genera otra similar.

Polimerización por radicales li-bres: ocurre en presencia de un ini-ciador, por ejemplo, un peróxido(R-O-O-R). De esta forma se obtienenpolietileno de baja densidad, PVC,poliacrilonitrilo, poliestireno y polime-tacrilato de metilo (Plexiglás). Los polí-meros obtenidos por este método songeneralmente ramificados debido a lasreacciones de transferencia de cadena.

Polimerización iónica y políme-ros vivos: la polimerización catiónicaes generada por ácidos como el sulfú-rico. El isobutileno se polimeriza catió-nicamente para obtener un materialpegajoso que se emplea en adhesivos.

EL DESARROLLO DE LAS MACROMOLÉCULAS

Karl Ziegler y Giulio Natta recibie-ron en 1963 el Premio Nobel deQuímica por descubrir la polimeri-zación organometálica. La revistaScientific American publicó en1957 un artículo de Natta queincluía la frase siguiente: "Un quí-mico que se dispone a construir

una molécula gigante se encuen-tra en la misma situación que unarquitecto que diseña un edificio.Tiene una cantidad de bloques deconstrucción, siendo su tarea lade unirlos en una estructura quesirva a un propósito [...]. Lo quehace más estimulante la química

de los grandes polímeros es que dela noche a la mañana se han des-cubierto nuevos métodos parajuntar esos bloques, descubri-mientos que prometen grandescosechas de materiales que nuncaantes han existido sobre la faz dela Tierra".

Tubos de PVC.

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La polimerización aniónica se iniciacon bases como amiduro de litio(LiNH2) o butil-litio (CH3(CH2)3Li).Debido a que a baja temperatura lasreacciones de transferencia de cadenason escasas, por este método puedenobtenerse polímeros lineales. Estasreacciones suelen detenerse una vezque se ha consumido todo el monó-mero, pero se mantienen "vivas", yaque si se las alimenta con más monó-mero, las moléculas de polímerosiguen creciendo.

Polimerización organometálica:los catalizadores de Ziegler-Natta se

forman por reacción de halogenurosde metales de transición con compues-tos organometálicos: por ejemplo, eltetracloruro de titanio (TiCl4) con trie-tilaluminio ((CH3CH2)3Al). La polimeri-zación resulta por inserción del alque-no entre el metal y el grupo alquilo,como en el polietileno. Este tipo de po-limerización tiene como ventaja pro-ducir polímeros lineales y con controlde su estereoquímica. Esto hace que,por ejemplo, el polietileno fabricadopor este método tenga un alto gradode cristalinidad, lo que le confiere ma-yor punto de fusión, resistencia mecá-

nica y densidad que el polietileno ob-tenido con los métodos más antiguos.

POLIMERIZACIÓN POR ETAPAS

En la polimerización por etapas, lasreacciones no ocurren en cadena, sinoque se dan secuencialmente gracias aque cada monómero posee más de ungrupo funcional. Por ejemplo, un ácidoque contiene más de un grupo carboxi-lo (-COOH), reacciona con una diamina(R(NH2)2), produciendo poliamidas. Seobtienen así el nailon, la baquelita (ofenol-formaldehído) y los poliuretanos.



El primer componente del pega-mento epoxi en dos pomos es unpolímero de baja masa molecularcon grupos epoxi en sus extremos,mientras que el segundo compo-nente es una diamina (H2N-R-NH2).Cuando se mezclan ambas partes,el diepoxi y la diamina reaccionanentre sí mediante el ataque del parelectrónico libre del grupo aminoa uno de los átomos de carbonounido al átomo de oxígeno del

epóxido. No sólo el mismo grupoamino puede volver a reaccionar,sino que tanto el grupo aminocomo el epóxido que aún no hanreaccionado pueden hacerlo, y porsucesivas reacciones las moléculasse enlazan para formar una redentrecruzada gigantesca. El resul-tado de esto es que gracias a laformación de los enlaces covalen-tes se produce un material rígidomuy resistente que no puede ser

moldeado ni fundido. La rigidezdel polímero dependerá del tama-ño de la red (grado de entrecruza-miento), y esto a su vez de la rela-ción amina-epóxido que se utilice.Por eso, es posible regular la dure-za del Poxipol de acuerdo con lacantidad de material que se tomede cada pomo. Si los dos pomosestuvieran mezclados de antema-no, formarían un sólido que noserviría como pegamento.

¿POR QUÉ EL PEGAMENTO EPOXI (POXIPOL) VIENE EN DOS POMOS DIFERENTESQUE SE MEZCLAN ANTES DE USARLO?

ALGUNOS POLÍMEROS IMPORTANTES

una al lado de la otra y así las fuerzasintermoleculares las mantengan uni-das. Se puede obtener con un ampliorango de colores y lustres; es suave,seca rápidamente, es resistente a lahumedad y a las polillas, no encoge.Se usa en, telas, películas fotográficas,filtros de cigarrillo, almohadas, etc.

Acrílico: está compuesto por uni-dades repetitivas (-CH2-CH(CN)-)n. Lasmoléculas se encuentran unidas entresí principalmente gracias a las interac-ciones dipolo-dipolo de los grupos -CN.Es suave, de aspecto similar a la lana,retiene su forma, es resistente a laspolillas, la luz solar, el aceite y diversosagentes químicos. Se usa en frazadas,alfombras, buzos, medias, etc.

Aramida: contiene anillos aromáti-cos en su cadena. Debido a la estabili-dad de la estructura aromática y laconjugación de los grupos amida,posee gran estabilidad química y tér-mica, incluyendo resistencia al fuego,por lo que se utiliza en ropa de protec-ción para bomberos y policías. Sususos industriales están limitados porsu alto punto de fusión e insolubilidaden solventes comunes. Es más livianay más dura que el acero, por lo que un

que se utiliza en bandejas de super-mercado para carnes, quesos u otrosalimentos, contenedores de huevos,vasos para café y envases de helado.

Polietilen-tereftalato (PET): estransparente y debido a su estructuracompacta no deja pasar los gases, porlo cual es ideal para contener gaseo-sas. Es reciclable.

FIBRAS

Acetato: la celulosa está formadapor cadenas de glucosa que poseentres grupos oxhidrilo factibles de reac-cionar para formar ésteres. El acetatose prepara a partir de celulosa extraídade pulpa de madera por una reac-ción de esterificación con ácido acéti-co y anhídrido acético en presencia deácido sulfúrico. Luego se hidroliza par-cialmente para acortar las cadenas yeliminar el sulfato, y obtener una can-tidad de grupos acetato suficientecomo para lograr un producto a partirdel que se puedan formar fibras opelículas delgadas. La resistencia delas fibras está dada por la linealidad delas moléculas (poca ramificación), loque hace que puedan encajarse bien

PLÁSTICOS

Polietileno: la densidad es, en estecaso, una buena medida del grado decristalinidad del material. El polietilenode baja densidad posee cadenas rami-ficadas que impiden la cristalización.Debido a esto es flexible, lo que, su-mado a su resistencia química graciasa la fortaleza de sus enlaces C-C y C-Hy a su transparencia, hace que se loutilice predominantemente como film.El polietileno de alta densidad es másrígido debido a la mayor linealidadde sus moléculas, pero está limitadoa aplicaciones que no requieran unabarrera contra el paso del oxígeno o eldióxido de carbono. Se utiliza, entreotras, cosas en paquetes de papas fri-tas, sachets de leche y envases paradetergentes.

Policloruro de vinilo (PVC): estransparente, muy resistente química-mente y presenta gran estabilidad alpaso del tiempo, por lo que se utilizaen cañerías y ventanas.

Poliestireno: puede prepararse enforma rígida o como esponja. Elpoliestireno expandido es muy livianoy un excelente aislante térmico, por lo



LA CONSOLIDACIÓN DEL CAMPO: LOS PREMIOS NOBEL

Luego de la Segunda GuerraMundial, se han entregado pre-mios Nobel de Química en el cam-po de los polímeros sintéticos arazón de uno cada diez años, loque muestra el continuo desarrollodel campo.

En 1953, a Hermann Staudingerpor el estudio de la polimerizaciónen cadena.

En 1963, a Karl Ziegler y GiulioNatta por sus descubrimientos enel campo de la química y la tecno-logía de polímeros, en particular laobtención catalítica de polietilenoy polipropileno.

En 1974, a Paul J. Flory por suslogros, tanto teóricos como experi-mentales, en el campo de la fisico-química de macromoléculas.

En 1984, a Robert BruceMerrifield por la preparación de poli-péptidos en matrices sólidas.

En 1991, a Pierre-Gilles de Gennespor la aplicación a polímeros y cris-tales líquidos de métodos de estu-dio desarrollados para sistemasmás simples.

En 2000, a Alan J. Heeger, AlanG. MacDiarmid y Hideki Shirakawapor el descubrimiento y desarrollode polímeros conductores de elec-tricidad.

En 2005, a Yves Chauvin, RobertGrubbs y Richard Shrock por el de-sarrollo de la metátesis de olefinar,método utilizado para polimerizaralquenos, además de otros usos ensíntesis orgánica.

chaleco antibalas de poco más de unkilogramo de peso puede detener unabala calibre 38 disparada desde 3metros de distancia.

Microfibra: es una fibra superfinade poliéster, nailon, acrílico o rayón quetiene la apariencia y el tacto de la seda.

Nailon: se obtiene por polimeriza-ción en etapas de un monómero quecontiene un grupo amino en uno desus extremos y un carboxilo en el otro,formando cadenas con unidades repe-titivas (-NH-[CH2]n-CO-)x. Al igual quelos poliésteres tiene una estructuraregular que permite que actúen lospuentes de hidrógeno -C=O----H-N-,dándole mucha resistencia a la trac-ción y la abrasión. También es resisten-te al daño por aceite y agentes quími-cos. Es brillante y, debido a la escasezde grupos hidrofílicos, tiende a absor-ber poca humedad. Pese a esto, comolas funciones amida de las cadenaspueden formar puentes de hidrógenocon el agua (N-H---O-H), puede serpenetrado por las moléculas de agua,

1. Redes de pesca de nailon.2. Medias de nailon.3. Moldes de silicona.

Estos son algunos usos cotidianosde los nuevos materiales.

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lo que facilita su tintura en medioacuoso, a diferencia del poliéster. Seusa en lencería, pilotos, cinturones deseguridad, paracaídas, cuerdas de ra-quetas, bolsas de dormir, alfombrasresistentes a las manchas, etc.

Poliéster: es la fibra manufactura-da más vendida y también la másreciclada. Está formada por ésterestipo (-RO-CO-C6H4-CO-O-)n y (-RO-CO-C6H4-O-)n. Es resistente al estira-miento debido a las fuertes interac-ciones dipolo-dipolo entre sus cade-nas, que se dan principalmente entrelos grupos carbonilo (-CO). Tambiénresiste a los agentes químicos, lasarrugas y la abrasión. Se usa en ropa,cortinas, sábanas, neumáticos, man-gueras, cuerdas, redes, etc.

Spandex (un poliuretano): se pue-de estirar repetidamente hasta 500 %sin romperse y luego recuperar el largooriginal. Sus cadenas se encuentranunidas por puentes de hidrógeno.Usos: trajes de baño (Lycra), pantalo-nes para esquí.

SILICONAS

El silicio forma una variedad de polí-meros naturales inorgánicos, los sili-catos, que contienen unidades SiO4.La gran afinidad del silicio con el oxí-geno y la fuerza del enlace Si-O expli-ca la existencia de una vasta familiade silicatos minerales que van desdemateriales fibrosos y granulares, comoel asbesto y el talco, hasta rocas y pie-dras preciosas, como la esmeralda y eljade, sin olvidar los vidrios.

En las siliconas, dos de los átomosde oxígeno de la unidad SiO4 hansido reemplazados por grupos hidro-carbonados R (por ejemplo, CH3), dan-do lugar a polímeros con estructura(-O-SiR2-)n. El reemplazo de los áto-mos de oxígeno evita la formación demacromoléculas bidimensionales y tri-dimensionales que ocurre vía forma-ción de enlaces Si-O-Si, por lo que lassiliconas presentan propiedades muydiferentes de las de los silicatos, y sepueden obtener materiales flexibles e,incluso, líquidos. Además, la presencia

de grupos hidrocarbonados les otorgaafinidad con los solventes orgánicos,con lo que muchas de ellas son solu-bles en aceites e hidrocarburos.

Estos polímeros se preparan común-mente por reacción de un clorosilanocon agua. Poseen alta estabilidad tér-mica y resistencia a los agentes quími-cos debido a la intensa fuerza delenlace Si-O. Otra propiedad importan-te es su flexibilidad a bajas temperatu-

ras debido a la movilidad angular delgrupo Si-O-Si. Las siliconas que con-tienen nitrilos (CN) o flúor en reempla-zo de algunos de los grupos orgánicosR son resistentes a los aceites y solven-tes, debido a su baja solubilidad.

Las aplicaciones de las siliconas sonnumerosas: tapas de bujías, cables,mangueras de calefacción, burletes deventanas, tubos para diálisis y transfu-siones, catéteres e implantes.

Película de acetato.

Sonda de silicona.

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La emergencia de la llamada cien-cia de materiales es un buen ejem-plo de la aparición de nuevosdominios científicos a lo largo delsiglo XX. Podríamos decir que esta'ciencia' es en realidad un conjun-to de estudios multidisciplinariossobre un mismo objeto de análisis:los materiales. Cada disciplina par-ticipante (principalmente: la física,la química, la biología y la ingenie-ría) aporta su mirada teórica y susmetodologías particulares.

El hecho de que la ciencia demateriales sea en realidad uncampo donde convergen múlti-ples disciplinas ilustra una ideaepistemológica importante: lasdisciplinas científicas no se distin-guen fundamentalmente por suobjeto de estudio, sino más bienpor la mirada teórica con la cualinterpretan este objeto y por lasintervenciones (observaciones yexperimentaciones) que quierenrealizar sobre él. Esta es la noción

de carga teórica, que ya había-mos adelantado.

Las disciplinas que convergenpara constituir la ciencia de mate-riales se dirigen todas a una mismafinalidad global de intervenciónsobre el mundo: diseñar y producirmateriales útiles. Pero cada discipli-na mantiene finalidades parcialespara cuya consecución generaideas teóricas y estrategias meto-dológicas particulares que le otor-gan su identidad.

Por ejemplo, los plásticos, loselastómeros y las fibras comonuevos materiales son estudiadosdesde la física, la química y laingeniería, que se hacen diferen-tes preguntas sobre ellos y em-plean muy diferentes modelos yestrategias para contestar a esaspreguntas. Este fascículo exponeel "enfoque químico" en el estu-dio de los polímeros.

Las ideas teóricas y estrategiasmetodológicas de la químicageneran un tipo característico deexplicaciones sobre los fenóme-nos estudiados: en este caso,sobre la estructura, las propieda-

des y el comportamiento de cier-tos materiales. Así, vemos en elfascículo cómo los polímeros sonexaminados mirando sus unida-des estructurales, y las unionesque se establecen dentro y entreellas. Las propiedades de los polí-meros son luego relacionadas enforma de explicación o de predic-ción con los modelos químicosgenerados.

Se parte de postular que "laspropiedades de los polímerosguardan una estrecha relación consu estructura molecular": esta fra-se expone la esencia de lo quehemos llamado el "enfoque quími-co" en el estudio científico y tec-nológico de los polímeros. Habrá,por su parte, otros enfoques (físico,biológico e ingenieril) complemen-tarios y convergentes con el de laquímica. Este "enfoque químico"se expone extensamente en la sec-ción media del fascículo. De la es-tructura submicroscópica de losmateriales (a nivel molecular) se in-fieren (es decir, se "extraen" me-diante operaciones lógicas) algunasde sus propiedades macroscópicas,

como la flexibilidad, la elasticidad,la opacidad... Estas propiedades,clasificadas en categorías (como"termorrígido" o "termoplástico")determinan la utilidad que se pue-de dar a los materiales. Podemosver entonces que los elementosteóricos de la química de materia-les interactúan significativamentecon la voluntad de diseñar.

Para conseguir las diversas finali-dades que se propone el campo dela ciencia de materiales se ponenen marcha distintos procedimien-tos, de entre los muchos que haydisponibles en el vasto campo delas ciencias naturales. Es por elloque actualmente hablamos demetodología científica, entendidacomo el conjunto de procesos,estrategias, abordajes y herramien-tas utilizados para generar y validarconocimiento científico. La idea deun método científico único, decarácter algorítmico y apoyado enla lógica inductiva o deductiva esobsoleta porque no captura ladiversidad de recursos a los que loscientíficos echan mano para llevaradelante su labor.

EPISTEMOLOGÍA Agustín Adúriz-Bravo

Bibliografía Aldabe, S., P. Aramendía y L. Lacreu: Química I. Fundamentos,

Buenos Aires, Colihue, 1999. Aldabe, S., P. Aramendía, C. Buonazzola y L. Lacreu: Química II. Química

en acción, Buenos Aires, Colihue, 2005. Morrison, R. T. y R. N. Boyd: Química orgánica, Madrid, Addison-Wesley

Iberoamericana, 1996. Carey, F. A.: Química orgánica, Madrid, McGraw-Hill,1999.Shriver, D. F., P. W. Atkins y C. H. Langford: Química inorgánica,

Barcelona, Reverté, 1998.

AgradecimientosEl equipo de Publicaciones de la Dirección Nacional de Gestión Curriculary Formación Docente agradece a las siguientes instituciones y personaspor permitirnos reproducir material fotográfico y colaborar en la docu-mentación de imágenes: DoITPoMS Micrograph Library, University ofCambridge (Inglaterra); Ministerio de Educación y Ciencia (España); R.Carpick y R. Cannara, Univertsity of Wisconsin-Madison (EE.UU.); RyanRapp, Cornell University (EE.UU).

Coordinadora del Área de CienciasNaturales, Lic. Nora BahamondeCoordinadora del Área de DesarrolloProfesional, Lic. Silvia StorinoCoordinadora del Programa deCapacitación Explora, Lic. Viviana CelsoCoordinadora de Publicaciones,Lic. Raquel Franco

Coordinación y documentación, Lic. Rafael BlancoEdición, Lic. Gonzalo BlancoDiseño y diagramación, DG María Eugenia MásCorrección, Norma A. Sosa Pereyra

www.me.gov.ar

Ministro de Educación, Ciencia y Tecnología, Lic. Daniel Filmus

Secretario de Educación, Lic. Juan Carlos Tedesco

Subsecretaria de Equidad y Calidad, Lic. Alejandra Birgin

Directora Nacional de Gestión Curricular y Formación Docente,

Lic. Laura Pitman


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