Archivo de la categoría: Materiales

El material más oscuro conocido

Se ha inventado Vantablack, el material más negro creado hasta la fecha. Es tan oscuro que cualquier objeto cubierto con él parece bidimensional.

Para entender cómo funciona, veamos primero por qué vemos las cosas oscuras.

Aunque tendemos a representar el sol como una bola amarilla sonriente, en realidad la luz que nos llega desde él es blanca. La luz blanca, como bien sabemos por los arcoiris y el merchandising de Pink Floyd, puede ser descompuesta en el resto de colores (hablaba más a fondo sobre los colores y sus longitudes de onda en esta entrada sobre el color de los espejos),
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Patrañas (III): el cristal es en realidad un líquido.

Existe un mito bastante aceptado como una de estas curiosidades que se supone que poca gente sabe y que cuentas ante gente que no conoces mucho para hacerte el interesante: el cristal en realidad no es un sólido, sino un líquido súperenfriado a temperatura ambiente, tan viscoso que tarda años en deformarse y por eso lo vemos en estado aparentemente sólido en nuestro día a día, pero a lo largo de los siglos se puede notar que fluye.

La prueba, en teoría, es que los cristales de los ventanales de las catedrales antiguas son algo más gruesos por la base que por la parte superior, señal de que el cristal habría ido perdiendo integridad estructural a lo largo de los siglos debido a su (supuesta) viscosidad altísima y se habría ido deformando bajo su propio peso.

Esto es sólo un mito, por supuesto. Si esto fuera así, todas las copas que se han conservado desde hace miles de años estarían hechas un desastre. Esta jarra romana de entre los siglos III y IV a.C. es una prueba de lo contrario.

Se puede notar que no se ha derretido en más de 2.000 años. (Fuente)

Respuestas XLII: ¿Cual es el material más caro?

Victor Javier Vadillo envió un e-mail recientemente preguntando cuál es el material más caro que existe y, la verdad, me han sorprendido bastante las cifras que he encontrado. Determinemos un par de cosas, antes de empezar:

1) Hablamos de precio por unidad de masa del material en sí, sin transformarlo en un objeto. Lo mediremos en euros por kilogramo (€/kg) y dólares por kilogramo ($/kg).

2) El precio de algunos metales está sujeto a una gran variabilidad, así que si lees este artículo unos cuantos meses después de la fecha de su publicación a lo mejor habrá cambiado alguna cifra (el rodio, del que hablo luego, ha triplicado su precio en los últimos años, por ejemplo).

Empecemos echándole un vistazo a la tabla periódica, donde es posible distinguir dos grandes grupos de elementos: los que podemos encontrar en la naturaleza y los que no.

Rodeados en rojo, los que no podemos encontrar. (Fuente, Fuente)

La esfera más perfecta jamás creada

No suele gustarnos colgar vídeos que duren más de un par de minutos (de hecho, es el primero que os enseñamos tan largo), pero lo que hemos encontrado hoy nos ha gustado tanto que lo tenemos que compartir.

Los muchachos de Veritasium, un canal de ciencia de Youtube al que os podéis suscribir haciendo click sobre este texto han visitado el laboratorio donde se ha fabricado la esfera más perfecta hasta la fecha.

El objeto tiene la superficie más lisa jamás fabricada (es decir, con los bultos y grietas menos marcados): si pudiéramos inflar la esfera hasta que alcanzara el tamaño de nuestro planeta, el valle más profundo y el pico más alto estarían separados por sólo 14 metros. La esfera ha sido creada a partir de un sólo cristal perfecto de silicio-28 (que ya de por sí vale un millón de dólares) con el objetivo de definir el peso de un kilogramo exacto. Si no tenéis muy claro qué es un isótopo, lo explicábamos en esta entrada sobre el agua pesada.

Mejor nos callamos y dejamos que ellos expliquen os el resto, que para eso se han currado un vídeo excelente.

El (segundo) elemento más escaso

No todos los elementos químicos son igual de abundantes: el hidrógeno compone el 75% de la materia del universo , el helio un 23% y en el 2% restante encontramos los otros 96 que ocurren de manera natural (el resto hasta los 118 totales se sintetizan de manera artificial).

Casi toda la materia del universo es igual que el gas que hay en este botellín. Menudo chasco. (Fuente)

En nuestro planeta, las cosas son un poco diferentes (básicamente porque es sólido), pero sorprenden: un 46% de la masa de la corteza terrestre está compuesta por oxígeno. Esto es porque una enorme cantidad de los metales y demás elementos que la componen están oxidados. El silicio es el segundo elemento más común en la corteza terrestre (27,7%) seguido del aluminio (8%), el hierro (5%) y le siguen unos cuantos elementos comunes como el calcio, el sodio, el magnesio y el potasio. A partir del titanio (0,44%), las cosas empiezan a ser relativamente escasas.
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Grafeno

Si Dios, como entidad suprema omnipotente, existiera y tuviera que hacerse una casa, ¿de qué la construiría? ¿Acero? ¿Diamantes, tal vez? ¿Plumas de querubín? No, ninguno de ellos se acerca ni de lejos a lo que es capaz de hacer el grafeno.
Desde Ciencia de Sofá os animamos a renunciar a vuestra vida si a cambio alguien os ofreciera unos gramos de este material, y ahora os vamos a explicar por qué. En primer lugar, ¿Qué tienen en común los siguientes materiales?
El grafito (izquierda) es la sustancia blanda con la que se fabrican las minas de los lápices, mientras que el diamante (en bruto, derecha) es el material natural más duro que se conoce y se utiliza, además de como piedra ornamental una vez pulido, para trabajar las aleaciones más duras de acero o pulir otros diamantes.

Curiosamente, estos dos materiales tan diferentes son manifestaciones distintas del mismo elemento: el carbono. Por tanto, la única diferencia que existe entre ellos, pero que supone un cambio tan drástico, es la manera en la que sus átomos están ordenados

Por un lado, el grafito no es más que un montón de capas apiladas de carbono en forma de malla hexagonal que tienden a deslizarse entre ellas con lo que, a escala macroscópica, el material se presenta blando al tacto y es fácil de desmenuzar con los dedos. 
Estructura atómica del grafito.  Fuente.
El diamante, en cambio, ocupa el lugar más alto en la escala de dureza de Mohs con un valor de 10, mientras el grafito oscila entre el 1 y el 2. La escala se calibró teniendo en cuenta que un material es más duro que otro cuando el primero es capaz de rayarlo.
Fuente: www.wikipedia.es
El responsable de esto es su estructura atómica, una especie de tetraedros que terminan uniéndose en estructuras cúbicas, lo que les da una rigidez sin precedentes.
Modelo 3D de la estructura cristailna
del diamante. Fuente: www.webelements.com

Pero ya nos estamos yendo por las ramas.
Ocurre algo muy curioso cuando coges sólo una de las capas que componen el grafito y les haces mil perrerías para comprobar sus propiedades: una vez aisladas, estas capas de carbono son el material más resistente que se conoce.

Venga ya… ¿Cómo puede ser posible, entonces, que sea tan blando un material que está compuesto por pequeñas láminas de la cosa más resistente jamás descubierta?

Aquí entran en juego los dibujos cutres y las hipótesis sacadas de la manga. Imaginemos una placa de metal engrasada, algo pegajosa al tacto y resbaladiza.

Te has despertado despertado de resaca y estás desorientado/a. No sabes muy bien por qué, pero por algún motivo tienes la habitación llena de estos trozos de aluminio grasientos. Al ver que están dejando el suelo hecho un asco, decides que tienes que tirarlos a la basura, así que te levantas de la cama e intentas coger el máximo número de placas de metal posible. Eres tan hábil que consigues amontonarlas todas en una bola aprovechando que son relativamente pequeñas y que tienden a quedarse pegadas entre sí por estar impregnadas de un líquido viscoso.
En este punto empiezas a recordar que no querías coger un taxi 
y pasaste por delante de un edificio en obras.

Mientras bajas en el ascensor, llama tu atención que, en conjunto, pese a estar compuesta de sólidos fragmentos metálicos, la esfera en conjunto es muy endeble. A la mínima que la aprietas por un lado, las placas metálicas empiezan a resbalar entre sí y se abre un poco más la ventana que da al desastre. 

Llegas a la conclusión de que el mismo fenómeno ocurre con las láminas monoatómicas del grafeno, que se unen en grupos de miles de millones para manifestarse a lo grande en forma de grafito. Vuelves de tirar la basura con el pijama cubierto de grasa amarillenta y compadeciéndote del siguiente vecino que tenga que pulsar el botón de llamada del ascensor.

La comunidad científica llevaba años teorizando sobre la existencia de estas láminas de un átomo de grosor, soñando despiertos con sus propiedades e intentando replicarlas en laboratorios usando los últimos avances en nanotecnología, sin éxito… Hasta que, en 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov lo consiguieron usando un lápiz y celo.
Estos investigadores pegaron un trozo de celo a una mina de grafito y, al despegarlo, una fina capa de material quedó adherida. Repitieron el proceso de nuevo con más pedazos de cinta, arrancando láminas cada vez más finas y, finalmente, comprobaron, con ayuda de potentes microscopios electrónicos, que habían conseguido reducir algunas a un átomo de grosor. Tras estudiar las propiedades de este nuevo material se dieron cuenta de que, además de poseer unas propiedades térmicas, eléctricas y ópticas excelentes, es 200 veces más resistente que el acero.
Para ilustrar este descubrimiento sorprendente, suele decirse que una lámina de grafeno de un sólo átomo de grosor es capaz de resistir el peso de un elefante haciendo equilibrios encima de un lápiz.

Una de esas comparaciones científicas extrañas que aportan menos 
información que el propio dato numérico. Fuente de la imagen, aquí.

Pero, ¿Un elefante africano o asiático? ¿Ese lápiz debería estar también hecho de grafeno para soportar el peso del paquidermo? ¿Será el grafeno la ansiada gran revolución que los circos llevan esperando desde el hombre-bala?

No sabemos la respuesta a ninguno de estos enigmas aunque, tarde o temprano, cuando se descubra cómo fabricar este material en grandes cantidades, tal vez nuestro día a día termine cubierto por una fina lámina de carbono indestructible. Y eso podría estar bastante bien.

O no.

Nota: Andre Geim, codescubridor (ni siquiera vamos a buscar en Google si esa palabra está aceptada) del grafeno, es conocido por ser el único ganador del premio Nobel y del “Ig Nobel. Este último se da anualmente a los investigadores que hacen los descubrimientos más absurdos e inútiles. En el caso de Geim, fue laureado por su trabajo con el grafeno y por la hacer levitar de ranas mediante el uso de potentes imanes, respectivamente.

La Serpiente del Faraón

Esta entrada no es una lección de historia ni una broma con connotaciones sexuales, sino la demostración de una de nuestras reacciones químicas favoritas.

Este extraño fenómeno ocurre al aplicar una llama sobre un montón de tiocianato de mercurio (Hg(SCN)2), un polvo blanco descubierto en 1821 por Friedrich Wohler. Solía venderse como material pirotécnico porque, siendo sinceros, alguien supo sacar provecho a esta reacción tan espectacular, pero en esa época no pareció tenerse en cuenta que esta reacción es tóxica a varios niveles.

Antes de empezar a explicar la reacción química, añadamos otro elemento visual.

Venga, va.

Toda la química está basada en coger un número de cosas y combinarlas entre sí formar otras nuevas, sin añadir o perder material por el camino.

Siguiendo esta lógica,  dos moléculas de tiocianato de mercurio se descomponen en otras sustancias al aplicarles una llama, y una de ellas es el sulfuro de carbono (CS2), un líquido altamente inflamable que además puede liberar ácido sulfúrico en contacto con la humedad de la atmósfera.

No es un panorama muy alentador pero, sin tener eso en cuenta, esto es lo que ocurre cuando el sulfuro de carbono producido durante la reacción entra en contacto con el aire.

Se forma dióxido de carbono (CO2), aunque eso no es ni de lejos lo peor. Además, el azufre que estaba combinado con el carbono se combina con el oxígeno para dar lugar al dióxido de azufre, un gas tóxico que irrita las mucosas y los pulmones, pudiendo provocar la asfixia en concentraciones suficientemente altas.

Por otro lado, otro de los productos derivados de la descomposición del tiocianato de mercurio es el tetranitruro de carbono.

Esta sustancia es la que compone la columna sólida que se forma durante la reacción. Aunque, Al ser un sólido, podría parecer inofensivo, este compuesto también puede descomponerse parcialmente debido al calor, emitiendo nitrógeno (prácticamente lo único que no es dañino de esta reacción) cianógeno, un gas constituido por dos moléculas de cianuro, un veneno extremadamente nocivo que se encuentra en pequeñas dosis en las semillas de manzana (en esta entrada calculábamos cuántas semillas de manzana tendrías que comer para morir envenenado).

Por si no habíamos acumulado toxinas acumuladas hasta el momento, aún falta ver qué le ocurre al último producto de la descomposición del tiocianato, el sulfuro de mercurio, al entrar en contacto con la atmósfera.

El sulfuro de mercurio (HgS) es un polvo rojizo que compone el cinabrio (el mineral natural del que se extrae el mercurio). Al reaccionar con el oxígeno de la atmósfera, genera aún más dióxido de azufre y mercurio puro que, como todos sabemos, no conviene tocar.

¿Y dónde confluyeron todos esto factores tóxicos, Herr Wissenschaft von Sofa?

Pues resulta que, dada la espectacularidad de la reacción, empezó a venderse en Alemania con el nombre de Pharaoschlangen como producto pirotécnico. Los niños, siendo niños, se comían los residuos sólidos que quedaban de la “serpiente” y, claro, morían intoxicados por un cóctel fatal de cianuro, mercurio y tal vez ácido sulfúrico. Obviamente, el material tuvo que ser retirado del mercado.

Después del tostón, dejamos otro vídeo de la reacción (por algún motivo, es muy relajante y satisfactorio ver todos esos tentáculos formándose). Podéis saltar al minuto 1:20 para ver la acción directamente.

Respuestas XIII: Materiales con memoria.

La semana pasada, Mirelha Álvarez no hizo ninguna pregunta. En su lugar dijo explica esto y adjuntó este gif.

En primer lugar, hemos encontrado el vídeo original, en el que se menciona que el clip de la animación está hecho de un material llamado nitinol. Eso nos ha facilitado mucho la búsqueda, porque se ve que es un compuesto relativamente común e incluso puedes comprarlo por internet

El nombre, digno de un cosmético rejuvenecedor de teletienda, en realidad proviene de níquel y titanio, los elementos de los que está compuesto el material. Aunque pensábamos que -nol era la terminación acordada internacionalmente para darle a las cosas un aire científico, en realidad son las siglas de Naval Ordenance Laboratory, el lugar donde fue descubierto.
Pese a que el material se fabricó por primera vez en 1958, su producción y comercialización tuvo que retrasarse hasta 1990, fecha en la que la tecnología empezó a estar lo suficientemente avanzada para poder llevar al acabo el proceso sin que costara un ojo de la cara.
Antes de explicar nada más, dejamos un vídeo más elaborado.
Este fenómeno sigue sin tener sentido alguno para mí.

Para eso estamos nosotros, para hacer el trabajo sucio.
El nitinol presenta dos propiedades estrechamente relacionadas: memoria de forma y súperelasticidad. Básicamente, los átomos que componen el material pueden desplazarse muchísimo y sufrir grandes deformaciones sin que se rompan los enlaces que los mantienen unidos. A esto hay que sumarle lo que le ocurre al material cuando se contrae o expande según la temperatura a la que se encuentre.

Cuando el  material está muy caliente, se expande y los átomos tienen bastante espacio para ponerse cómodos, así que se agrupan en una estructura llamada austenita: mallas que alternan un átomo de níquel y uno de titanio y se apilan por capas para formar el sólido. Entre los átomos queda un poco de espacio libre porque, ¿para qué apretarnos si cabemos todos?

Este es el estado en el que se le da la forma deseada al material. Por ejemplo, de palo. 
“Lo que más me gusta de Ciencia 
de Sofá es su originalidad”.
Pero, a medida que el nitinol se va enfriando, el material empieza a contraerse. La compresión obliga a los átomos a moverse, para no tener que encontrarse en una situación bastante molesta, y adoptar una nueva configuración llamada “estructura tetragonal centrada en las caras”, o estructura martensítica. Su esquema es este.

Vista “aérea” y frontal de la estructura atómica. 
Fuente: pnas.org

Tomando como referencia la figura de antes, los átomos que se enfrían tienden a agruparse en ese patrón mientras se contraen, perdiendo el espacio que quedaba entre ellos. La nueva configuración estable quedaría, más o menos, así.

Lo curioso en este caso es que, pese a que los átomos han cambiado de posición, los enlaces que los unían siguen siendo los mismos. Es como si todos los átomos estuvieran sujetos a sus vecinos con gomas elásticas y, al cambiar de posición, esas gomas se hubieran estirado en vez de romperse.
Si el material vuelve a calentarse, el espacio entre los átomos se expandirá de nuevo y habrá espacio para volver a adoptar la configuración en la que los enlaces estaban en la situación original. Las gomas elásticas imaginarias (los enlaces) tirarán de cada átomo y lo colocarán en su sitio.
Por tanto, una vez se le ha dado forma al material y se ha enfriado, podemos deformarlo tanto como nos dé la gana, ya que una vez apliquemos el calor necesario para que los átomos tengan más espacio, estos serán arrastrados por sus enlaces hasta su posición original.

El ciclo de la estructura del nitinol.

El cambio de estructura interna no es nada raro en el mundo de los metales. De hecho, se da en todas las aleaciones conocidas. Lo que diferencia al nitinol es que, además se ser de 10 a 30 veces más elástico que los demás metales, la transformación se produce entre 20 y 50ºC, en vez de a los cientos de grados a los que ocurre con el resto. Por eso el nitinol recupera la forma al ser sumergido en agua caliente, como ocurría en la animación del principio de la entrada.

¡Espera! Si el nitinol vuelve a su configuración inicial entre 20 y 50ºC, y los seres humanos tenemos una temperatura corporal me unos 36ºC, entonces…

Exactamente.

Mentalistas de todo el mundo usan cucharas hechas de nitinol para dar la impresión de que están doblando el metal con la mente cuando, en realidad, es el calor de sus dedos el que las impulsa a recuperar su estado original. El truco está en tener 40$ para comprar una de estas cucharas por internet.

Esa mirada no hace más que empeorar las cosas.

¿Qué es un ferrofluido?

El extraño tema que hoy nos ocupa es el siguiente.

Lo de esta animación es un ferrofluido: un líquido capaz de reaccionar ante la influencia de un campo magnético. Y, no: por suerte no está vivo.

Escribiendo esta entrada, lo que me ha sorprendido al buscar sobre el tema es que parece que nadie tiene ni idea de qué es el magnetismo en el fondo y tampoco parece importarle a nadie, porque para entenderlo hay que sumergirse en el campo de la mecánica cuántica (y eso es un percal).

Así que he montado una versión simplificada que considero suficientemente correcta. Pero antes veamos más acción ferrofluídica.

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¿Qué es un aerogel?

¿Qué pesa poco más que el aire, puede protegerte de una llama directa y en 2011 ostentaba 15 récords Guiness?

Este es el poder de los aerogeles, un material con una densidad tan extremadamente baja que a menudo es lo llaman “humo congelado”. Un metro cúbico de aerogel pesa 1.9 kg, frente a los 1.2 kg del mismo volumen de aire… O los 1.000 kg del agua.

Para fabricar estas maravillas sólidas, se usa un gel que con base de óxido de silicio y se seca todo el líquido que contiene, pero sin su estructura molecular. El resultado es el “esqueleto” del gel, un material compuesto en un 99.8% de aire que tiene unas propiedades notables.

Una de ellas, como ya hemos visto en el vídeo, es que los aerogeles son unos aislantes térmicos excelentes.

Pero, ¿Por qué? ¿Por qué aísla tan bien del calor si es casi todo aire? Si yo me pongo un soplete a dos centímetros de la cara, ¿por qué va a salvarme ese 0.2 % de silicio?

El secreto está en la superficie de contacto. Una mayor superficie de absorción redistribuye el calor de una manera mucho más efectiva porque proporciona una mayor superficie de intercambio térmico. De esto el aerogel entiende un rato: un cubo de aerogel del tamaño de un terrón de azúcar tiene un área interna igual a la de una cancha de baloncesto.

¿De dónde sale toda esa superficie? Espero ilustrarlo con este dibujo.

Un aerogel no es un sólido macizo: está compuesto por hebras microscópicas que se extienden en todas direcciones o se enrollan entre ellas. Por sí mismas no son gran cosa, pero en conjunto todas estas fibras finísimas maximizan la superficie que es capaz de extraerse de un volumen vacío.

Pero esto no acaba aquí porque, pese a su apariencia etérea y delicada, los aerogeles son capaces de soportar fuerzas compresivas hasta 4.000 veces superiores a su propio peso.

Dos gramos de aerogel aguantando un ladrillo de 2.5 kg. Crédito: wikimedia.

En cambio, presentan un comportamiento bastante frágil a flexión. En el siguiente vídeo un tipo lo demuestra rompiendo una placa de aerogel con el dedo en el minuto 1:13.

Pero no todos los aerogeles son de óxido de silicio.

La parte difícil es sintentizar el gel adecuado, pero una vez conseguido esto, casi cualquier cosa puede secarse para dejar sólo la estructura interna sólida. El problema con el resto, de momento, es que el proceso está aún prácticamente en fase experimental.

Existen, por ejemplo, aerogeles basados en el carbono que tienen mucha más superficie interna que los de óxido de silicio, y por tanto mejores propiedades térmicas y mecáncias. O el aerografito, basado en el grafeno, que mejora al máximo las propiedades de los aerogeles, para variar. Como nota a parte, el grafeno tiende a dejar en ridículo todo lo que conocemos, pero aún nadie lo ha visto utilizado a escala macroscópica. Hablaba de este material aquí.

Se está trabajando también en aerogeles metálicos, algo más pesados, que tienen unas propiedades eléctricas estupendas, otros aerogeles de selenio, de aluminio e incluso de una cosa llamada agar que se extrae de las algas. Con este último se hace algo llamado SEAgel.

El alga de donde la que se extrae el agar, en todo su esplendor.

Lo malo de los aerogeles es que, pese a nos ser cancerígenos, están formados por partículas tan finas que tienden a desprenderse del material y terminar alojadas en nuestros ojos, poros de la piel, boca, nariz, y por adición todo el sistema digestivo y los pulmones, lo que puede terminar en dificultades respiratorias e irritaciones en las zonas expuestas.

Como última curiosidad, los primeros aerogeles se usaron a bordo de “Stardust”, una misión de la NASA destinada a capturar partículas de polvo de la cola de un cometa en 2006. Estos son los paneles de aerogel que desplegaba la sonda en el espacio, de manera que los pequeños trozos de roca impactaban contra ellos y quedaban allí alojados para su posterior devolución a la Tierra.

Cuando terminó el experimento la NASA los vendió en e-bay como adornos para peluquería. Crédito: wikimedia.