domingo, 8 de febrero de 2009

Plastilina

Como perro viejo que soy en esto adoctrinar jovencitos en el ámbito de la Química Física y la Química de los polímeros, tengo una serie de trucos (los más finos los llamarían experiencias de cátedra) con los que cautivar la atención de los primerizos en la materia y llevármelos paulatinamente al huerto. Pero hay uno que, siempre que se me presenta la ocasión, acabo mostrándoselo a mi concurrencia. Es muy sencillo de hacer y sólo se necesita tener en el bolsillo la suficiente cantidad de plastilina como para formar con ella una bola del tamaño de una pelota de ping-pong. Con ese material en la mano, uno se puede convertir durante más de media hora en un divulgador científico con toques de charlatán de feria y de cejijunto investigador en materiales. Este post está dedicado a todos aquellos que piensan que nada motiva más a los estudiantes que la curiosidad ante un experimento impactante. Sacarle jugo a esa curiosidad en términos de conocimiento básico es la clave y si este post sirve mínimamente a los que se dedican a educar en el ámbito de las ciencias, doy por bien empleada la mañana temprana de otro p... domingo lluvioso.

Se puede encontrar plastilina en jugueterías pero lo mejor es comprarla en una tienda de prótesis, muletas, sillas de ruedas y similares, donde la venden en diferentes consistencias para recuperar lesiones óseas y musculares de handicapées y vejetes. Ese material es, en muchos casos, una silicona. Tiene otros "sacramentos" en su formulación, pero dejémoslo en que es un polímero constituido por largas cadenas de átomos de silicio y oxígeno unidos entre si, en las que una unidad sencilla se repite muchas veces. Una amiga, fiel lectora, pero de letras, me dice que siempre que empiezo a hablar de largas cadenas de polímeros parece perderse. El asunto está en que nosotros no somos capaces de ver con nuestros ojitos esas cadenas a nivel individual, pero allí están, como acreditan muchas pruebas indirectas.

A la hora de buscar un simil para explicar cómo están millones de esas cadenas en un poco de plastilina, o en la tubería de PVC que uso para regar mi terraza, a mi me gusta el que las compara con un buen montón de larguísimos y delgados fideos de spaghetti. Hoy es posible comprar bolsas refrigeradas de spaghetti en las que pueden verse muchos de ellos entrelazados entre si, formando una maraña difícil de desenredar cuando están prácticamente sólidos a la temperatura del frigorífico o el congelador. Otra cosa es cuando los cocemos. Los spaghetti se ablandan pero la maraña continúa, y hay que emplear un cierto ingenio en deshacerla, aunque con un poco de paciencia y deslizando unos sobre otros, se puede acabar con uno sólo de ellos en la mano o en el tenedor. Pues ese mismo comportamiento, aunque a nivel microscópico, es el que deberíamos tener en mente al pensar en las cosas que ocurren con la plastilina en nuestros manejos.

Cuando la plastilina la enfriamos en un congelador aquello se pone duro y estamos en presencia de lo que conocemos como un sólido amorfo. Siempre me ha llamado la atención el poco predicamento que tienen estos pobres sólidos amorfos en los libros de Química general o, incluso, en los de materias más avanzadas como los de Química Física. Por el contrario, sólidos cristalinos en los que los átomos, las moléculas o los iones se organizan en figuras geométricas tan atractivas visualmente como los cristales de hielo, la sal Maldom o minerales como la galena, aparecen en esos textos como prototipos del estado sólido de la materia.

A diferencia de esto últimos, los sólidos amorfos (y hay muchos e importantes en nuestra vida cotidiana, empezando por los vidrios de las ventanas) no presentan internamente un ordenamiento que se haga visible a nuestros ojos. Las cadenas de la plastilina fría están tan desordenadas, entrelazadas y quietas como los spaghetti congelados en su bolsa. Pero si sacamos la plastilina del frigo y empleamos un cierto tiempo en calentarla y manosearla en nuestras manos, se pone finalmente blandita y moldeable. Con nuestro nivel térmico de los 37º C hemos sobrepasado la llamada temperatura de transición vítrea, que es a un sólido amorfo lo que a un sólido cristalino, como los cristales de hielo, es su punto de fusión, esto es, la temperatura en la que el sólido se transforma en líquido. La diferencia está en que en los materiales cristalinos, la fusión implica la destrucción de las formas geométricas que adoptan, mientras que en el sólido amorfo, la temperatura de transición vítrea sólo implica pasar de que las cadenas estén quietas a que puedan moverse. Pero el desorden sigue siendo absoluto y similar al que ocurría en el sólido, como en los spaghetti congelados o en los cocidos. Fusión de sustancias cristalinas y transición vítrea de sólidos amorfos son, por tanto, dos procesos bien distintos, aunque el estado final es un líquido.

La temperatura de transición vítrea de la plastilina comercial suele estar unos poco grados por encima de cero grados centígrados, asegurando así que en nuestras manos se comporte como se comporta. Pero, la pregunta del millón es: ¿de verdad la plastilina blandita que tenemos entre manos es un líquido?.

Pues sí y, en cierta medida, no. Y vamos a ver si ilustramos la ambivalencia mediante un desfile de vídeos cortitos en el post. El primero, de poco más de un minuto, es un vídeo en el que un trozo de plastilina se coloca encima de un tubo hueco. Es evidente que la plastilina fluye y que al caer a la parte baja se va adaptando a las paredes del recipiente que la contiene (definición clásica de un líquido en los libros de texto más elementales). Si teneis plastilina a mano podeis configurarla en forma de bola e introducirla en un vasito un poco más grande que su diámetro, esperar un rato y comprobar que al final adopta la forma del vaso. Luego líquido parece que es. Si le cuesta adaptarse es porque es muy viscoso debido al gran tamaño de las moléculas que lo componen, miles de veces más grandes que una molécula convencional como el agua.

El segundo vídeo nos sirve para reafirmar ese carácter. Si lo vais a hacer con vuestra propia plastilina teneis que tener en cuenta que el vídeo tiene truco, ya que está registrado a velocidad doble de la real, pero con paciencia funciona igual. Y se puede hacer cogiendo un cilindro de plastilina entre las dos manos, estirarlo un poco y dejar que se vaya deformando y fluyendo bajo su propio peso, como ocurre en el vídeo. ¿Por qué va el asunto a ritmo caribeño?. Porque las cadenas, para fluir, tienen que desenredarse unas de otras y eso les lleva su tiempo (si cogeis spaghetti cocidos en la mano comprobareis que algunos se os escurren de las manos tras conseguir desenredarse de otros. No es exactamente igual de lento pero el símil vuelve a servir). Cuando la plastilina se estira tanto que solo unas pocas cadenas quedan en la zona central y éstas se sueltan unas de otras, aquello se divide en dos pedazos.

Pero vamos a complicar el asunto. Cojamos una bola de plastilina, bien amasada y blandita, y dejémosla caer contra el suelo (en este caso, el vídeo hay que echarlo a andar dándole al adecuado símbolo abajo a la izda). Aquello bota como una pelota. Evidentemente un líquido no bota, se desparrama. Así que algo chirría con nuestra líquida plastilina. En otro experimento alternativo, del que no he encontrado el vídeo adecuado, podemos coger un trozo de plastilina en forma de churro, algo más grueso que un dedo y estirarlo de los dos extremos con un esfuerzo rápido y seco. Veremos que el churro que teníamos en la mano se deforma un poco y se rompe enseguida, dejando dos superficies de rotura similares a las que deja un sólido al romperse. Más mosqueo, ¿no?.

De nuevo, son las largas cadenas enmarañadas las causantes del fenómeno. Tanto en el impacto contra el suelo como en el brusco estiramiento, estamos ejecutando agresiones muy rápidas contra el material. Ante las dos, su reacción es tratar de deformarse con la rapidez que lo hace un líquido normal, pero las largas cadenas y sus entrelazamientos hacen que esa deformación sea imposible en el corto intervalo de tiempo en el que el experimento ocurre. Ante esa imposibilidad, el material es como si fuera un sólido y bota y genera superficies de fractura tan nítidas como las de un jarron de porcelana que se rompe.

Los engolados académicos decimos que la plastilina es un material viscoelástico, conjugando términos ligados a la viscosidad, que es una propiedad asociada a los líquidos, con la elasticidad, propia de los sólidos. Así que nuestra plastilina (o Silly Putty) está a caballo entre ambas situaciones de referencia.

3 comentarios:

Flatólogo dijo...

Hola.
Nuevamente aprovecho para comentar las utilidades médicas de tus queridos polímeros. En oftalmología utilizamos materiales viscoelásticos durante algunas cirugías intraoculares. Se trata de geles de ácido hialurónico o de derivados de metilcelulosa, que son transparentes y se pueden inyectar dentro del ojo mediante jeringuilla, y una vez adentro permiten manipular intrumentos en el interior del globo sin que éste se colapse.

La aplicación más frecuente es en la cirugía de la catarata (hay varios videos en youtube, este es uno http://www.youtube.com/watch?v=kdJMeKqTpns&feature=related). En una primera fase de la intervención se llena la cámara anterior del ojo (espacio entre la córnea y el cristalino) con gel viscoelástico, el cual mantiene abierta esta cámara y permite trabajar sobre la catarata. El líquido acuoso que llena la cámara anterior se vacía fácilmente al pinchar el ojo, mientras que el viscoelástico permanece dentro. Al final de la operación, una vez extraida la catarata, se vuelve a llenar el espacio con viscoelástico y así se puede implantar la lente intraocular con seguridad.

De paso, las lentes intraoculares también se fabrican con polímeros, desde las antiguas de PMMA hasta las más modernas de hidrogel acrílico o de silicona transparente.

El gel de ácido hialurónico también se usa para rellenar arrugas y surcos cutáneos, pues gracias a su comportamiento viscoelástico se puede infiltrar con jeringuilla como un líquido, pero su viscosidad le permite permanecer en los tejidos como si fuera un relleno sólido (aunque con el tiempo se va disolviendo).

El Búho dijo...

Gracias amigo, tus comentarios son casi nuevas entradas y me da hasta pena que se queden en esa especie de cajón de sastre final. ¿Por que no me escribes algo?.

Flatólogo dijo...

Hombre, la verdad es que desde el punto de vista fisico-químico es poco más lo que puedo decir de los viscoelásticos, lo demás son historias puramente médicas.
Con frecuencia en tus posts me topo con sustancias que me son familiares en mi profesión pero que nunca había considerado desde este punto de vista, ni conocía otros usos industriales, por ejemplo los derivados de la silicona, los ubicuos polietileno y polipropileno, y hasta el pesado hexafluoruro de azufre. Por ello aprovecho para hacer tales comentarios. Encantado de colaborar contigo.

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Boredom is the highest mental state, según Einstein. Pero, a veces, aburrirse cansa. Y por eso ando en esto, persiguiendo quimiofóbicos.