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Materiales

El (segundo) elemento más escaso

by Jordi Pereyra

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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¿Qué es el grafeno?

by Jordi Pereyra
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.

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La Serpiente del Faraón

by Jordi Pereyra

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) y 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.

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¿Qué es un ferrofluido?

by Jordi Pereyra

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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