lunes, 23 de junio de 2014

Sobre el Kevlar, en la muerte de Stephanie Kwolek

Durante el primer año de vida de este Blog (2006) escribí la friolera de más de 90 entradas o posts, algo que luego se ha ido decelerando, como es lógico en casi todos los Blogs. Esas primeras entradas las publicaba en una aplicación que Apple me proporcionaba por estar abonado a algo similar a lo que hoy se ha venido en llamar "nube" y que entonces no era de regaliz. Intuyo que casi nadie leyó esas entradas, excepto unos pocos amigos a los que comuniqué individualmente que dedicaba parte de mi tiempo a esta pérdida del idem. Despues me cerraron esa aplicación y tuve que ingeniármelas para aprender más sobre el blogging y sus armas, con las ventajas que ello tiene en cuanto a mayor difusión. Así que hace tiempo que vengo pensando en reeditar algunas de aquellas primeras entradas que siguen teniendo vigencia, aunque a todas les vendría bien una puesta al día. Y puestos a elegir, la muerte de Stephanie Kwolek la pasada semana me da pie a reconsiderar la entrada que escribí  en fecha tan lejana como el 28 de mayo de 2006. Estos días se están publicando muchas cosas  sobre ella, aunque la mayoría en inglés. Así que una versión en castellano no está mal. La entrada original seguirá ocupando el lugar que ocupaba en mi Blog, pero sin el texto inicial, que desaparecerá para siempre jamás en beneficio de lo que ahora podeis leer. Así que, allá vamos.

La fibra Kevlar es conocida hoy en día como sinónimo de un material de alta tecnología, incluso por mucha gente que no tiene ni idea de polímeros o plásticos. De hecho, la mayoría no conceptúa esas fibras como polímeros. Cinco veces más fuerte que el propio acero y más ligera que la fibra de vidrio, se usa en multitud de aplicaciones como ropa y guantes protectores contra el fuego, cascos superresistentes, pastillas de frenos especiales, elementos deportivos o cables de altísima tenacidad. Aunque quizás su empleo más conocido es el de los chalecos antibalas fabricados con ella. La relevancia en este campo es tal que en EEUU hay hasta un Club de supervivientes gracias al Kevlar (Kevlar Survivors Club), lo cual tampoco es extraño, dada la manía de los yankies por andar a tiros con todo hijo de vecino.

Cuando Stephanie Kwolek terminó sus estudios en el College femenino de la hoy Carnegie Mellon University, las cosas no habían estado muy claras para las mujeres en el pasado y en el ámbito de la Química, un negocio controlado casi en exclusiva por hombres. Sin embargo, estamos en los años de la postguerra (1946) y muchos americanos habían dedicado sus últimos años al ejército, por lo que no habían tenido tiempo para progresar en carreras universitarias. Así que había incipientes posibilidades para las mujeres y la Kwolek las supo aprovechar, consiguiendo un puesto de trabajo en las instalaciones que la DuPont tenía cerca de Nueva York.

La DuPont estaba en aquella época en plena actividad en torno a las fibras sintéticas que Carothers, el genio suicida (ver entrada), había desarrollado en los años precedentes. Así que a Stephanie la pusieron a explorar nuevos tipos de fibras. Algo más tarde, en torno a mediados de los sesenta, se produjo una creciente preocupación por la escasez de gasolina (algo que parece cíclico) y en el ámbito de la investigación se manejaron alternativas tecnológicas para reducir el consumo de la misma. Entre las posibilidades que manejó DuPont estaba la de conseguir fibras poliméricas que fueran tan resistentes como las metálicas empleadas para reforzar neumáticos. La idea era que, como todo material plástico, la densidad de esas fibras es varias veces menor a las de los metales, con lo que el peso total de los neumáticos se reduciría y, sobre todo en grandes camiones, el consumo también. Sin embargo, las cosas de la ciencia no van siempre al ritmo que uno quiere y, en este caso, el éxito final llegó cuando la preocupación por la gasolina casi había desaparecido.

La fibra Kevlar es una poliamida. En este sentido y como el nylon de Carothers, surge de una reacción química entre un diácido y una diamina que se unen uno a uno dando lugar a muchos grupos amida, de ahí el nombre. La diferencia fundamental entre la poliamida de Carothers y la de Kowlek es que la de ésta última parte de un diácido y una diamina ambos de carácter aromatico, es decir, conteniendo en su estructura el anillo de benceno. Aquellos que tengais una formación lejana a la Química seguro que decís: ¿Y?.

El carácter aromático de los dos componentes de la poliamida que hoy conocemos como Kevlar condiciona que sus propiedades no tengan nada que ver con las propiedades de las poliamidas no aromáticas como los Nylons de Carothers. Por ejemplo, para hacer fibras de Nylon basta con fundir el material a temperaturas cercanas a los 200 ºC y hacer salir ese fundido por una especie de multichurrera con agujeros muy pequeños. De cada agujero o espinerete saldrá continuamente una fibra. Las fibras de Kevlar no se hilan así sino desde una disolución del material de partida (la poliamida en este caso) en un disolvente. Pero el proceso de buscar el disolvente y las condiciones adecuadas fue tan largo en el caso del Kevlar que sólo la tenacidad de los investigadores de DuPont, y la confianza de la empresa en que lo que estaban persiguiendo podría tener aplicaciones de alto valor añadido, consiguió que el proceso se llevara a buen fín.

La poliamida Kevlar es lo que los químicos llamamos un polímero cristal líquido. Los cristales líquidos son materiales en un estado a caballo entre líquido y sólido. Eso complicó al principio la vida de la Kwolek y sus amigos de la foto, que no sabían de ese carácter de sus fibras. Por ejemplo, estos materiales son difíciles de disolver. Los científicos de la DuPont acabaron encontrando el disolvente ideal para sus fines, aunque no precisamente una perita en dulce: el acido sulfúrico 100% puro. Incluso los estudiantes más bisoños de Química saben que con el sulfúrico concentrado (el del laboratorio tiene entre un 2-4% de agua) hay que andarse con ojo, porque el accidente está a la vuelta de la esquina. Así que ¡qué será el sulfúrico 100% puro!..... Sorprendentemente, sin embargo, la ausencia de ese 2-4% de agua hace a ese ácido menos corrosivo y permite que las disoluciones en él de la poliamida puedan pasarse a través de los espineretes con cuidado pero sin excesivos riesgos de corrosión continua.

Pero (¡otro problema!) las disoluciones así preparadas, a ciertas concentraciones son turbias. Este hecho amargó a Stephanie los primeros tiempos del desarrollo del Kevlar. Los técnicos que tenían que procesar las disoluciones en las máquinas para obtener las fibras se negaban a ello, con el argumento lógico de que si aquello estaba turbio algo tenía en suspensión que, al pasar por el minúsculo agujero del espinerete, lo acabarían por cegar, y vete luego tú a limpiar una máquina llena de sulfúrico.

La Kwolek era pequeña (ver foto) pero corredora de fondo. La turbidez se pudo solucionar también cuando se fueron entendiendo las propiedades de los polímeros cristales líquidos en disolución. Ajustando adecuadamente la concentración y la temperatura del hilado, la disolución se hacía transparente y el técnico protestón calló para siempre.

¿De dónde nacen las extraordinarias propiedades de las fibras Kevlar?. Pues precisamente de ese carácter de cristal líquido. Las largas moléculas de la poliamida aromática, mientras son forzadas a pasar por el espinerete se alinean unas con otras de forma casi perfecta, como se alinean los spaghetti sólidos en un envase de supermercado, haciendo que sean extraordinariamente resistentes pues las diferentes cadenas están, además de ordenadas, unidas unas a otras por lo que los químicos llamamos enlaces de hidrógeno. El resultado es algo sumamente tenaz que la hace superior a metales o las fibras inorgánicas de vidrio.

¿Un poco duro para no iniciados?. Bueno, como decía Einstein, las cosas se pueden explicar tan fácil como sea posible.......pero no más, y vulgarizar lo que es un polímero cristal líquido y las razones de sus propiedades no es una obviedad. Lo que si queda claro despues de lo que os he contado, como bien me apuntaba esta mañana mi amigo Antxon Santamaría, es que las enciclopedias de polímeros deberían ir revisando aquello de "Man made fibers".

4 comentarios:

gabriela dijo...

Esto está perfectamente entendible, Búho. Eres muy buen profesor.

Me surge una pregunta: Este Kevlar ¿se usa en el espacio?¿tiene alguna propiedad especial, aprovechable con las exigencias espaciales?

Javier dijo...

Hola, Búho, nunca me decido a intervenir en tu blog, por mucho que alguna vez me he quedado con las ganas, pero lo del Kevlar lo llevo ya en las tripas después de andar jugando media vida o más con las poliamias aromáticas, y no voy a dejar pasar la oportunidad. Nada que añadir o corregir a tu descripción, como bien dices, mejor no vulgarizar algo tan especializado como el hilado de disoluciones liotrópicas en ácido sulfúrico, pero por folclorizar algo semejante tema para especialistas quiero añadir que una de las aplicaciones más generalizadas del Kevlar es la fabricación de petos para caballos de picador (!!), algo que poca gente sabe y que ha venido a aligerar mucho el peso de los antiguos petos de los pobres caballos.

El Búho dijo...

Anda y que no me gusta la aportación de Javier. Un colega y amigo del alma.

El Búho dijo...

Hola Gabriela,

Hay bastantes cosas en la red sobre usos de Kevalr en el mundo del espacio. Por solo poner un ejemplo:
http://www.spacemart.com/reports/DuPont_And_NASA_To_Develop_Kevlar_Reinforced_Insulation_For_Next_Gen_Space_Vehicles_999.html

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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.