Ciencia y Cómics. Los Cuatro Fantásticos, plásticos y elasticidad.

Siendo época de fiestas, alegría y merecidas vacaciones intentaré explicar Química usando los afamados y queridos personajes de los cómics. Recordemos una memorable escena de la película Los Cuatro Fantásticos donde el villano, Doctor Muerte (Dr Doom) amenaza al Dr Reed Richards, más conocido como Mister Fantástico o El Hombre Elástico. Mientras estamos pegados a nuestro asiento, se escucha el siguiente dialogo: «¿Recuerdas la clase de química básica? ¿Qué le pasa al plástico cuando se somete a temperaturas extremadamente frías?». Esta pregunta ocurre mientras el Dr Richards es torturado mediante una inyección que contiene nitrógeno líquido, que hace que su estructura plástica cambie completamente su naturaleza. Surgen las preguntas: ¿Qué es un plástico? ¿Por qué el Dr Richards siente pánico en tal situación? La solución a estos dilemas los tiene la química. Como siempre, empecemos desde el origen de la cuestión. Iniciaremos hablando del elemento constituyente de la gran mayoría de los plásticos: el carbono.

El carbono es un elemento extraordinario. Es uno de los seis átomos considerados trascendentales en los sistemas vivos (los otros son hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre). Su capacidad para unirse a otros átomos, que pueden ser de carbono o de otros elementos, hace que existan millones de combinaciones que llevan a la formación de igual número de compuestos que poseen diferentes formas, tamaños y estructuras.

La principal ventaja con respecto a otros elementos de la tabla periódica es el número de átomos enlazados que puede tener el carbono a su alrededor. Pueden ser cuatro si es que el carbono presenta compuestos con enlaces simples, tres cuando los compuestos contienen dobles enlaces y dos cuando la molécula muestra un enlace triple (A, B y C en los ejemplos del diagrama). Esto hace que la variedad en los compuestos del carbono sea muy amplia, en número y formas, ya que dependiendo del tipo de enlace existen diferentes disposiciones geométricas para sus moléculas. Así tenemos, geometría lineal cuando está presente un enlace triple, en donde el átomo de carbono central se asocia a dos átomos hacia sus extremos. Trigonal, con el carbono enlazado a tres átomos acompañantes y tetraédrica si el numero de átomos vecinos hacia el carbono central son cuatro. En la figura las moléculas A, B y C corresponden al metano, formaldehido (metanal) y cianuro de metilo respectivamente. 

Moléculas que contienen carbono (esfera central). Se muestran los enlaces simples, dobles, triples y el tipo de geometría (Adaptado de Química: La Ciencia Central).

Si un átomo de carbono forma cuatro enlaces simples, y la molécula solo contiene carbono e hidrógeno, se obtienen los compuestos más sencillos de la química orgánica. Estos compuestos se denominan hidrocarburos saturados (alcanos), cuyo primer representante es precisamente el metano (CH₄). Esta disposición permite conformar cadenas entre átomos de carbono saturados que no logran grandes longitudes, debido a la limitación de estabilidad molecular. El uso principal de los alcanos es como combustible.

Cuando el carbono se dispone hacia la formación de enlaces dobles o triples los compuestos que se forman se conocen como hidrocarburos insaturados cuyos representantes son los alquenos y alquinos (recuerda, estas moléculas solo contienen átomos de carbono e hidrógeno). Al contener enlaces múltiples estas moléculas presentan mayor densidad de electrones en torno al enlace carbono–carbono y por lo tanto tienen mucha mayor posibilidad de sufrir reacciones químicas que las moléculas con enlaces simples. Desde este punto de vista, los alquenos son sustancialmente importantes por que poseen la exclusiva característica de adicionarse entre si para formar moléculas gigantes que se llaman polímeros. Existen polímeros de origen natural como el almidón, las proteínas, el algodón, la lana, y la seda que se han usado desde tiempos inmemoriales. No obstante, la mayoría de los polímeros de uso actual son sintéticos. La carrera para emular a la naturaleza surge a fines de los 1800 e inicios de 1900. A partir de ese momento se han sintetizado gran cantidad de polímeros con igual número de aplicaciones.

Los polímeros hicieron su primera aparición práctica (ya en 1862 se había inventado el primer plástico, la Parkesina, sin éxito industrial y comercial) en 1869 cuando el inventor Estadounidense John Wesley Hyatt respondió al concurso de la Phelan and Collander, una gran industria fabricante de Nueva York, que premiaba con 10.000 dólares a quien proporcionara un material alternativo para la elaboración de bolas de billar. Resulta que en la época las bolas de billar así como las teclas de piano y las piezas de dominó se elaboraban a partir de marfil, que estaba adquiriendo precios exorbitantes, con el agravante que se asesinaban miles de elefantes cada año para conseguir la valiosa materia prima. Era una necesidad imperiosa sustituirlo por un material sintético, abundante y en consecuencia más barato. Hyatt encontró la manera de suavizar el nitrato de celulosa, que era muy frágil y rígido, tratándolo con alcohol etílico y alcanfor. El producto bautizado como celuloide se podía moldear para formar bolas duras y lisas. Aunque no resolvió completamente el problema de las bolas de billar, porque la nitrocelulosa es inestable y explosiva al impacto, el éxito comercial del producto se logró gracias a que en 1889 George Eastman decidió usar el celuloide para fabricar películas fotográficas, cinematográficas y para cuellos de camisa que no necesitaban almidonarse regularmente.

A partir de ese momento, los polímeros se convirtieron en una serie de materiales polifacéticos que nos acompañan en nuestras vidas sin que seamos enteramente consientes de ello, y sin los cuales no podríamos tener el estilo de vida del cual nos preciamos. Nuestra ropa, alfombras, cortinas, juguetes, partes de automóviles, cepillos de dientes, bolsas del supermercado, cuerdas para montañismo, accesorios deportivos, piezas de uso industrial, bolas de billar y muchos otros elementos de uso diario están elaborados a partir de polímeros.

Los polímeros son moléculas gigantes que se forman por la unión de varias unidades simples llamadas unidades repetitivas. Estas, a su vez, se derivan de un compuesto químico de estructura sencilla (un alqueno). La presencia del doble enlace permite, una vez que se rompe, que se puedan añadir unidades adicionales hacia los extremos de la estructura. Este proceso se repite muchísimas veces lo que permite formar cadenas de gran tamaño.

Formación de un polímero (Adaptado de Organic Chemistry. Solomons y Fryhle).

Una clasificación sencilla de los polímeros se relaciona con sus propiedades. Aquellos polímeros que se ablandan en presencia del calor, alteran su forma y se funden con facilidad se llaman termoplásticos. El ejemplo más conocido lo constituye el polietileno que se usa para manufacturar bolsas plásticas. Los polímeros que se endurecen en forma permanente una vez formados, y que no se pueden ablandar, ni moldearse nuevamente con calor son los termofijos, cuyo principal representante son las resinas usadas en la elaboración de paneles de madera aglomerada. Por otro lado están los polímeros que se pueden alargar o someter a cierta presión y recuperan su forma fácilmente. Este tipo especial de polímeros se llaman elastómeros debido a su propiedad elástica derivada de su estructura molecular. El principal representante de esta clase de polímeros es el caucho. El caucho puede ser natural o sintético. En cualquier caso, el monómero usado es el isopreno, un dialqueno (dos dobles enlaces) que se une por los extremos miles de veces para formar una nueva estructura gigantesca que contiene un doble enlace central.

Síntesis del caucho a partir del monómero isopreno (Adaptado de Organic Chemistry de Solomons y Fryhle).

Llegados a este punto retomemos a nuestro querido superhéroe. Recordemos la impresionante escena en donde el Dr. Richards toma un extremo de su barbilla, lo estira deformando su rostro, y realiza una magnifica afeitada. ¡El Dr. Richards es elástico! Esto nos lleva a pensar que su cuerpo debería estar conformado por cierto tipo de caucho que permita que se estire a voluntad y luego de realizado el trabajo recupere su forma original.

Las moléculas de cadena larga que forman la estructura del caucho poseen la capacidad de enroscarse, entrelazarse y torcerse unas con otras cuando el material esta en reposo. Así, un brazo del «hombre plástico» parecería un brazo normal. Cuando el caucho se somete a alargamiento o tensión, las moléculas retorcidas se enderezan, por lo cual el brazo del héroe podrá, sin problema, alcanzar un objeto que se encuentre lejos, a cierta distancia fuera del alcance para un ser humano normal. Sin embargo, el isopreno genera un material que es elástico hasta cierto punto, pero quebradizo debido a que las cadenas de polímero se deslizan unas con respecto a otras cuando el caucho se estira. Esto causaría un problema de singulares consecuencias para el «hombre elástico», pues podría ir dejando pedazos de su anatomía sueltos cada vez que se estira, lo cual no lo haría muy funcional que digamos. Su superpoder se transformaría en un superproblema sin solución. Por suerte los científicos ya han resuelto el dilema. Mediante un proceso que se llama vulcanización, se pueden formar enlaces cruzados entre las cadenas por medio de átomos de azufre. La nueva estructura que se forma, el caucho vulcanizado, se hace más duro y resistente, mejorando sorprendentemente la elasticidad. El efecto del azufre se plasma cuando el caucho vulcanizado se estira, los enlaces cruzados impiden que las cadenas se deslicen unas con respecto a otras, haciéndolo más resistente. Si se tiene la cantidad adecuada de átomos de azufre se genera el número apropiado de enlaces cruzados entre cadenas. En consecuencia, las cadenas individuales todavía conservan la libertad necesaria para alargarse y desenrollarse. Si la pierna del «hombre elástico» patea una pelota que está lejos de su alcance, las cadenas que forman el caucho de la pierna se estiran. Cuando la extremidad regresa a su tamaño normal, los enlaces cruzados tiran de las cadenas y las obligan a regresar a su disposición original. En definitiva, el material que parece el más idóneo para la estructura anatómica del superhéroe será definitivamente el caucho vulcanizado.

Proceso de vulcanización del caucho. Formación de enlaces cruzados de azufre entre las cadenas del polímero (Tomado de Química para el nuevo milenio. Hill y Kolb).

Ahora recordemos la escena planteada al inicio, evidentemente se generan dos cuestiones adicionales: ¿Hasta que temperatura podría Mr Fantástico ser realmente elástico? ¿Qué le pasa a su estructura corporal si se baja demasiado la temperatura?

La respuesta tiene que ver con una propiedad física de todos los polímeros, que se conoce como temperatura de transición vítrea. Esta propiedad se relaciona con la temperatura bajo la cual un determinado polímero se comporta como un material vítreo (parecido al vidrio), y por sobre la cual se comporta como un material elástico. Para explicar lo que sucede a nivel molecular se considera que conforme disminuye la temperatura se reduce el volumen libre (espacios entre moléculas) de vibración de las cadenas, las cuales tienen cada vez menos lugar para moverse. Al llegar a la temperatura de transición vítrea la vibración es mínima, las cadenas no pueden cambiar su posición y en consecuencia el material se vuelve frágil, ya que no puede amortiguar un impacto. Ahora un golpe puede fracturar fácilmente la estructura polimérica.

La temperatura de vaporización (paso de una sustancia en el estado liquido hacia el estado gaseoso) que alcanza el nitrógeno liquido acondiciones ambiente es de -196 °C. Así que lo que trata de realizar el malvado Doom al inyectar nitrógeno líquido al Dr. Richards, es terminar con la elasticidad de su cuerpo. La temperatura de transición vítrea del caucho es aproximadamente de -80 °C, la cual es supremamente más alta que la de vaporización del nitrógeno liquido. A esta temperatura el hombre elástico se convierte en una delicada pieza de porcelana que al más pequeño golpe se desmorona en pedazos. ¡Buena forma de terminar con el superhéroe! 

*Notas: Los Cuatro Fantásticos, y en particular el Dr. Reed Richards nombrado en este articulo, son personajes de Marvel Entertainment, Inc.

Esta entrada participa en la XX Edición del Carnaval de la Química que en esta ocasión se aloja en el blog La ciencia de Amara.

Para Saber más:

• Brown, T. L. LeMay, H. E. Bursten, B. E. y Murphy, C. J. (2009). Química: La Ciencia Central. México, D.F: Pearson Educación. 

• Hill, J. W. y Kolb, D. (2000). Química para el nuevo milenio. México, D. F: Pearson Editores. 

• Kakalios, J. (2005). La Física de los superhéroes. Barcelona. Ediciones Robinbook.

• Sánchez, A. (1994). Caracterización fisicoquímica de polímeros. México, D.F: Editorial Limusa.

• Solomons, T, G. And Fryhle, C, B. (2007). Organic Chemistry. New Jersey: John Wiley and Sons Inc.

Alexis Hidrobo

Invierto mi tiempo en la enseñanza de Química en la Universidad San Francisco de Quito. Además me apasiona la divulgación científica y la ciencia ficción.