Los Materiales de Las Ceramicas a Los Superconductores,

LOS MATERIALES: DE LAS CERÁMICAS A LOS SUPERCONDUCTORES,PASANDO POR LOS DIAMANTES

MIGUEL ÁNGEL ALARIO Y FRANCO

Real Academia de Ciencias

INTRODUCCIÓN

La Historia de la Humanidad se confunde con la bús-queda de materiales que faciliten la estancia de los seres hu-manos en la Tierra. Sin más que observar nuestra reac-ción ante una tormenta en el monte o los problemas queenfrenta una ciudad como Nueva York si le cortan el flui-do eléctrico por algún motivo repentino, podemos ima-ginar fácilmente lo que debía de ser la vida de nuestros an-tepasados lejanos, del homo sapiens en adelante, paracombatir la inclemencia del tiempo. Y esto no incluyesino una parte de las dificultades que nuestros anteceso-res tuvieron que ir superando para llegar a la época actualque, sin lugar a dudas, es la Época de los Materiales, enafortunada frase del Nobel G. P. Thomson, descubridorde la difracción de los electrones por los cristales, y que conella ampliaba la tradicional división prehistórica: Edad dePiedra, Edad del Bronce, Edad del Hierro..., al mundomoderno.

Y es que, en realidad, no existe actividad humana al-guna, con la obvia excepción de las actividades fisioló-gicas: respirar, digerir, pensar (?)..., aunque en todasellas se utilicen materiales biológicos, en la que los ma-teriales no desempeñan un papel predominante. Y sino, pensemos en la sucesión de acciones que realizamoscada día, del alba al ocaso, y aún después de él, hasta quenos abraza el sueño, para percatarnos de que del des-pertador —hecho de materiales metálicos, poliméricos yun poco de vidrio— a la cafetera —también metálica oplástica, o incluso metálica y plástica—, de la toalla —he-cha de fibras cada vez menos naturales y más sintéti-cas— al cerrojo de la puerta que cada día despedimoscon una vuelta de llave -metálicos-, o del catalizador delcoche —una compleja combinación de tres o cuatro ma-teriales distintos y costosos- al ascensor de la oficina, yasí hasta volver a saludar al cerrojo con otra vuelta de lla-ve en sentido contrario, los materiales han estado pre-sentes de manera permanente, aunque discreta: en rea-lidad no nos habíamos dado cuenta de ello, como elbien conocido burgués gentilhombre que no sabía quehablaba en prosa —cursi, pero en prosa—. Y además han

estado ahí hasta que los hemos querido cambiar porotros mejores, o más adaptados a cada necesidad; noscansamos de ellos y los sustituimos.

CONCEPTO DE MATERIAL

¿Y qué es, pues, un material? Pues aunque quizá haya unadefinición para cada tratadista, como ocurre con los tér-minos de uso común que de repente se reconocen comoalgo específico, una posible definición sería la de «sólidoútil con alto valor añadido», que recoge simultáneamen-te su carácter eminentemente práctico y su interés eco-nómico. Con relación a este último, una estimación másbien conservadora del Departamento de Comercio deEE. UU. en el año 1990, estimaba el mercado potencialde materiales en unos 600 millardos de dólares en elaño 2000. Sin embargo, en la actualidad, esa cifra se hamultiplicado como mínimo por diez, aunque, ciertamente,el monto total depende de qué materiales se incluyan enla lista, algo a lo que más adelante volveremos.

Pero para profundizar un poco en eso del «sólido útil»,conviene recordar que el concepto de material lleva apa-rejadas cuatro ideas maestras que, a menudo, recogiendoel común ordenancismo científico, son asociadas a loscuatro vértices de un tetraedro (figura 1) y que revelan lascaracterísticas que hay que conocer para poder controlary alcanzar el objetivo principal de la Ciencia de Materia-les: realizar materiales a medida, lo que en la literaturacientífica en lengua inglesa se denomina materials tailoringo simplemente tailoring.

Hay que recalcar que en este poliedro, como en todoslos regulares, los cuatro vértices tienen la misma impor-tancia, aunque se refieren a aspectos distintos. Efectiva-mente, para conseguir unas buenas prestaciones, por ejem-plo un semiconductor con una separación entre bandas de2.0 eV, que además resista sin deteriorarse el ataque at-mosférico que habitualmente sufre una célula solar foto-voltaica, es necesario conocer la estructura cristalina, y laspropiedades físico-químicas que aquélla y la composiciónle confieren. Pero también hay que saber fabricar el ma-

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Prestaciones

Propiedadesfísico-quimicas

Estructura y Composición

Fig. 1 . - Esquema poliédrico de las características esenciales de losmateriales y de la ciencia y la tecnología que de ellos se ocupan.

ferial: sintetizarlo y procesarlo; esto es, darle la forma ade-cuada para su utilización concreta. Evidentemente, no eslo mismo utilizar el dióxido de titanio como pigmentoblanco para pintar el casco de un yate que como fotoca-talizador para la electrólisis del agua. Aunque en ambos ca-sos se trata de TiO2, incluso con la misma estructura, ladel mineral rutilo, las condiciones de pureza y tamaño departícula, entre otras, serían muy diferentes, como dife-rentes serían sus precios. Y lo mismo podemos decir de unazircona estabilizada para ladrillos de horno que de otrapara células de combustible...

En lo que antecede, hemos nombrado ya bastantes ma-teriales, unos por su nombre concreto, por ejemplo zirconaestabilizada; otros por su nombre genérico, por ejemplometales. Conviene pues tratar de generalizar un poco nues-tro concepto de sólido útil y precisar qué materiales incluye.Pero, precisamente debido a la amplitud del término, tam-poco están de acuerdo todos los expertos en todas las es-pecies que el género material debe incluir. Así, se conocenclasificaciones de los materiales basadas en variados crite-rios: por ejemplo, y ésta es quizá la más común, y al mis-mo tiempo la más sencilla, basadas en sus característicasgenerales, lo que indica que se trata de clasificarlos a par-tir de alguna propiedad fisico-química específica, y así, sehabla de materiales:

• estructurales, que abarcarían: metales, cerámicas, po-límeros...

• conductores, que incluyen, por lo menos: semi y su-perconductores, conductores iónicos, magnéticos y,por supuesto, los dieléctricos (ferro-, piezo-, antiferro-,paraeléctricos...).

• ópticos: importantes por sus características en relacióncon la absorción o transmisión de la radiación elec-tromagnética esencial, pero no exclusivamente en elmargen visible del espectro, y que incluyen, natural-mente, los magneto-ópticos, electro-ópticos... y, másrecientemente, los denominados materiales fotóni-

cos, esto es, materiales dieléctricos con espaciados delorden de la longitud de onda del visible.

• catalizadores, biomateriales, materiales textiles, vi-drios...

Es evidente, sin embargo, que muchos de estos materialesencajan perfectamente en más de uno de esos grupos, y asíse aprecia en los ejemplos, como los dióxidos de zirconioy titanio citados anteriormente. Pero es que, además, deeste modo dejamos fuera nada menos que los materialesnaturales... la madera, las arcillas -que dieron lugar a lascerámicas, decorativas y objetos de culto primero, peroobjetos funcionales después—, el carbón en sus formas cris-talinas, y materiales artificiales, pero complejos, como elcemento...

Capítulo aparte merecen los denominados materialescompuestos, que por reunión de dos o más materialespretenden conseguir propiedades mejoradas de ellos, loque, obviamente, no siempre se consigue.

Adoptando el criterio de tamaños, se habla ahora, cadavez más frecuentemente, de nanomateriales y nanopartí-culas, para los que tienen un tamaño del orden de 10 m,y que están comprendidos entre las dimensiones de lasmoléculas (-10 A) y los de las partículas habituales (-300 A)—aunque en esos límites hay mucho de arbitrario—. Perolo cierto es que en esos tamaños, algunas propiedades sehacen algo diferentes debido precisamente a su pequenez,pero también a su grado de interacción. Por otro lado,surge la pregunta de a partir de qué tamaño podemos con-siderar un conjunto de átomos como material o, incluso,como sólido, ordenado o no. Pregunta ésta que tiene uncarácter bastante general y que a veces se «resuelve» sobrela base de la información que sobre dichas partículas pue-den dar las técnicas de difracción.

Otras veces, en un afán de abarcar más campo en lasclasificaciones, éstas se basan en aspectos mucho más ge-nerales. Así, se han hecho populares clasificaciones quedividen a nuestros sólidos útiles en dos grandes grupos, mo-leculares y no-moleculares, en los que el criterio de cla-sificación es el tipo de enlace: ejemplos de los primeros se-rían los fullerenos y nanotubos, mientras que entre lossegundos podríamos citar a los metales, entre otros mu-chos. En ocasiones, la clasificación estriba en el origen delos materiales en cuestión, y se habla así de materiales na-turales y artificiales incluyendo entre éstos a especies ta-les como el cemento, los aceros o los materiales com-puestos, y entre aquéllos a materias tan diversas como lamadera, el oro, el diamante o las espinas de los erizos. Pa-rece claro, no obstante, que dichas clasificaciones no vanmuy allá en términos de utilidad de la clasificación...

A continuación, nos vamos a ocupar, con alguna ex-tensión, de tres tipos de materiales de características muydiferentes, pero que tienen en común, precisamente, al-gunos de los aspectos más destacados de los materiales y,en particular, tanto de su utilidad como de su valor aña-dido.

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LOS MATERIALES: DE LAS CERÁMICAS A LOS SUPERCONDUCTORES, PASANDO POR LOS DIAMANTES

LAS CERÁMICAS

Es difícil saber cuándo se dio cuenta el hombre de quelas arcillas, convenientemente modeladas y secadas da-ban lugar a esa cosa que él transformó primero en ele-mentos decorativos, después en materia de culto y, pro-bablemente, por último en instrumentos funcionales,como platos, vasos, bandejas, baldosines, ladrillos... Laarcilla es una tierra formada por gran número de com-ponentes minerales (tabla I), que cambian en función dellugar de localización.

^^^IHI^^^HI^Mrincipales minerales de la arcilla -ÜB^MM

Kaolín

Haloysita

Pirofilita

Montmorillonita

M¡ca

Hita

AI,(Si,O:,)(OH)a

AIZ(S¡A)(OH)4. 2H :0

AI,(S¡A)2(OH),

AI,67(Mg/Na)033(Si2O5)(OH),

AI2K(S¡,5AI05O5WOH)2

AI;-IMgIK,.,.y(S¡ l5.yAI05,J)2(OH)2

Algunos sitúan el descubrimiento del fuego en la cue-va de Zhoukoudian, cerca de Pekín, donde el homo erec-tus habría utilizado el fuego para calentarse, cocinar y de-fenderse de otras especies. Pero su utilización para hacercerámica es muy posterior, esto es, muy reciente. Apenasnos separan 25.000 años desde que el homo erectus utili-zó el fuego con estos fines. Y ese evento, podemos decirsin exagerar un ápice, ese maravilloso evento tuvo lugar pro-bablemente en diferentes sitios al mismo tiempo. Enrealidad, esto no es raro, puesto que rayos caen en muchossitios y el pedernal y la yesca abundan —y abundaban— so-bre casi toda la Tierra. Los datos más seguros hasta aho-ra sitúan el descubrimiento de la cerámica en el primer ter-cio del período neolítico, en torno al año 4000 a. C. Unode los primeros objetos de este tipo es la denominada Ve-nus de Vestronice, una diosa de la fertilidad encontrada enlo que hoy es la República Checa. Pero, según otras fuen-tes, los primeros ceramistas podrían situarse en Oriente,y en Japón se han identificado restos y objetos de la de-nominada cerámica Jomon, una cultura neolítica, de unos5000 años a. C , llegada quizá de China a través de Co-rea. Y, precisamente, el buen conocimiento de la cerámi-ca que existía en Japón al comenzar nuestra era permitióque el emperador Suinin (siglo III d. C.) aboliera la polí-tica de «acompañar a los muertos» que por aquel enton-ces imperaba y según la cual los miembros del séquito delos personajes de sangre real, y sus animales, eran ente-rrados con ellos; los nobles del séquito eran enterrados vi-vos hasta el cuello, formando una barrera humana o hi-togaki en torno a la tumba, y los demás sacrificados yenterrados con el personaje. Sin embargo, a la muerte desu esposa, Suinin encargó a una centena de ceramistas querealizasen copias cerámicas del séquito y los caballos paraque fueran enterrados en lugar de los vivos.

Nació así una costumbre que se extiende también enChina y que el descubrimiento de las diferentes tumbas

Fig. 2 . - Figuras de terracota de guerreros en la tumba del primer em-perador Quín, China 250 a. C.

ha permitido conocer y admirar, como las celebradas «Te-rracotas Quin» (figura 2).

Otro sitio en el que la cerámica se utilizó con profu-sión temprana se sitúa en la cueva Gambles, en Nigeria,y, desde luego, es también característica de la Américaprehispánica y de la propia Hispania, incluso cuando aúnno se denominaba así. Por lo que se refiere al comienzo delempleo de objetos útiles realizados en cerámica, tales comovasos y otros recipientes, parece muy probable que nacie-sen una vez desarrollada la cestería, y para superar, al re-cubrirla con barro, uno de los pocos defectos de ésta: queno es estanca. A esto, se le une además que los objetos demimbre son combustibles. De ahí que, tal y como conti-núan haciendo muchos artesanos en el norte de África(figura 3), se comienza por hacer el cesto que, posterior-mente, se recubre de barro arcilloso, que se seca, primeroal aire y, a continuación, en un horno; así se alcanza lacombustión del mimbre. Desde luego que, tras el inven-to de la rueda, el torno de ceramista permitió desarrollarla forma de estos objetos sin necesidad de pasar por elmimbre, y al terminar el Neolítico, ya tenía la Humani-dad lista una de sus primeras manufacturas y puesta en mar-cha una de las primeras actividades comerciales con eltrueque de esos objetos.

Pero la evolución de las cerámicas no se detuvo, des-de luego, en ese incipiente comercio, y en la actualidad,los materiales cerámicos incluyen un sinfín de objetosque van desde los conductores iónicos a los varistores, des-

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Fig. 3. - Artesano de cestería en Marruecos. (Cortesía de la EditorialSalvat.)

de los dieléctricos a los vidrios, de los catalizadores zeo-líticos a las memorias ferríticas, de los conductores iónicosde litio para las baterías a los de oxígeno para las célulasde combustible, de los semiconductores III-V a los ma-teriales superduros, tanto metálicos (aleaciones alumi-nio-litio) como aislantes: tal es el caso del hace ya tiem-po predicho y muy recientemente preparado nitruro decarbono, que podría superar al diamante en lo que éstetiene de mejor cualidad técnica, la dureza... Y, precisa-mente, de los diamantes nos vamos a ocupar a conti-nuación.

LOS DIAMANTES

Aunque las cosas de este mundo tienen un único naci-miento, o no tienen ninguno, podemos decir que el dia-mante es una excepción y tiene en realidad tres, incluso cua-tro si nos ponemos a introducir matices científicos; veremossi podemos llegar a tanto, en esto que quiere ser un bre-ve apunte.

El diamante tiene, decíamos, cuatro nacimientos:

• Uno, cuando nace «de verdad», esto es, cuando seforma en la naturaleza, hace muchos millones de años,tantos que no es segura su fecha de nacimiento; en-seguida volveremos a ello.

• El diamante nace por segunda vez, nace para el hom-bre, cuando lo encuentra, lo admira y trata de con-seguirlo.

• El diamante nace por tercera vez cuando, ¡por fin!,el hombre aprende a fabricarlo.

• Y el último -¿por ahora?- nacimiento de este mara-villoso objeto puede situarse cuando se consigue fa-bricar películas delgadas de diamante a presiones ba-jas, inferiores a la atmosférica.

Vamos, pues, a explorar estos cuatro nacimientos, nonecesariamente en orden cronológico, orden que, natu-ralmente, es el que se indicaba anteriormente.

La primera referencia escrita en Occidente acerca de losdiamantes parece ser de Plinio el Viejo, hombre excepcio-nal, autor de una Historia Natural en 37 libros, auténti-ca Enciclopedia de la Ciencia en la Antigüedad. Plinio elViejo era, además, marino y comandaba la flota de Mice-nas que fue a socorrer a los habitantes de Pompeya y Her-culano, amenazados por la célebre erupción del Vesubioen el año 79. Desgraciadamente, su curiosidad científicale costó la vida, ya que murió asfixiado, a los cincuenta yseis años, mientras estudiaba las características del im-presionante fenómeno. Plinio refiere por primera vez el dia-mante y le da el nombre adamas— invencible— debido a sustremendas propiedades y en particular a su dureza, la ma-yor hasta ahora -destaco lo de hasta ahora- en la natu-raleza. A su vez, día quiere decir transparente, y ésta esotra característica importante de los diamantes, que sontransparentes. No siempre son incoloros, sin embargo,y el color (figura 4) procede de las impurezas y defec-tos que se encuentran en su estructura como veremosdespués.

Los primeros diamantes vinieron, al parecer, de la Indiahace ahora dos mil años, y hace algo más de trescientos,en 1684 para ser exactos, que un viajero francés, Tavernier,vio allí cómo hombres, mujeres y niños los buscaban, endepósitos aluviales, en las orillas del río Krishna. Antes deél, se hablaba de su procedencia del legendario «Valle delos Diamantes», que estaría situado en Oriente y protegi-do por serpientes venenosas a las que águilas imperiales bur-laban ocasionalmente y conseguían arrancar algunas delas bellísimas piedras...

Quizá el primer regalo de un diamante como ofrendade amor —la publicidad diamantífera dice «el diamante espara siempre», como el amor que con el regalo se prome-te...- del que hay noticia escrita es del siglo XV, cuando Car-los VII, que gracias al empuje de Juana de Arco expulsó

Fig. 4 . - Diamantes de la colección Aurora. (Cortesía de CambridgeUniversity Press.)

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a los ingleses de Francia, regaló uno a su amante AgnesSorel.

A principios del siglo XIX aparecen los diamantes, porprimera vez fuera de la India, en Brasil, también proce-dentes de aluvión.

Y, por fin, en 1867, en un torrente seco de África del Surse encontraron diamantes primarios, esto es, formados enla misma roca en que aparecen. Así «nació» el Eureka: unprecioso objeto cristalino del tamaño de un huevo de pe-tirrojo, de color blanco azulado -el diamante, no el peti-rrojo-, de más de veinte quilates -del árabe quirat, y éstedel griego keatiou-, «el peso de cuatro granos».

El quilate de los metalúrgicos es una medida de la pu-reza de los metales, habitualmente del oro, del que, en es-tado puro, se dice que es de 24 quilates. Para los joyerosdiamantíferos, sin embargo, el quilate es una medida delpeso de estas gemas y uno de ellos representa el cientocuarentavo de la onza -y ésta el dieciseisavo de la libra-,o sea, 0,204 gramos, por lo que el Eureka pesó nada me-nos que ¡cuatro gramos! Sin embargo, tan sólo dos añosdespués, en 1907, el Eureka fue ampliamente superadopor el Estrella de Sudáfrica, cuatro veces más pesado, nadamenos que 16 gramos, que dio lugar a una auténtica es-tampida de más de 20.000 mineros hacia las zonas hoy casimíticas del continente africano en las proximidades de losríos Vaal y Orange y que llevan resonantes nombres bóer,Bultfontein, Jagersfontein... No es casualidad que uno delos puntos claves del mercado diamantífero sea Amster-dam...

El lugar culminante fue, sin embargo, Kimberley, mo-desto burgo sudafricano, donde los mineros observa-ron que el fdón se extendía en vertical hacia el fondo,en lo que se denomina tubo, y tras atravesar una zona decolor amarillento llamada, muy adecuadamente, TierraAmarilla, llegaba a otra de color azulado más rica en lapiedra preciosa y que obviamente recibió el nombre deTierra Azul. Tras excavaciones y estudios geológicos sedemostró que estos tubos no eran sino chimeneas vol-cánicas cuyos conos habían desaparecido por la acciónde la erosión.

La nueva «quimera del oro» dio lugar, como la anterior,a unas cuantas fortunas rápidas y espectaculares y a la di-lapidación de las restantes. Como dice el proverbio pro-venzal «dinero que fácil llega, fácil se va». Así, miles de«desesperados» se lanzaron a la búsqueda de diamantessin que muchos de ellos consiguieran algo más que «cam-biar tierra de sitio», dejando en el intento su salud y un de-solador paisaje.

Una vez que se ha extraído el mineral diamantífero, hayque separar los diamantes de la ganga, lo que es una em-presa considerable si se tiene en cuenta que la concentra-ción en las mejores minas es del orden de 1 parte en diezmillones, o sea un quilate por cada dos toneladas...; perovale, desde luego, la pena, dados los increíbles precios quealcanzan los diamantes, y sus productos de talla, los bri-llantes, en el mercado... Por dar un par de ejemplos, eldenominado Estrella de las estaciones, un diamante talla-

do en forma de pera, de 100,10 quilates, alcanzó en su-basta el valor de 165.322 $ en mayo de 1995, mientras queun brillante rosa de sólo 7,37 quilates, engastado en unasortija de platino, se vendió por 815.725 en el mismo

ano.Tras el descubrimiento de Kimberley, se buscaron otras

minas, y de entre ellas destacan las de Siberia, la región deYakutia, en la Federación de Rusia, que están por encimadel Círculo Polar Ártico, por lo que la mayor parte deltiempo está el terreno helado, y las del antiguo Zaire, hoyRepública Democrática del Congo. Por dar un ejemplo másactual, recientemente se ha dicho en la prensa que el go-bierno de Angola obtiene dos millones de dólares diariosde la venta de diamantes, que, sin embargo, se invierten enla terrible guerra que actualmente la asóla. De este modo,la producción de diamantes naturales no ha hecho sinoaumentar, y en 1988 se extrajeron en todo el mundo másde 100 millones de quilates de diamantes naturales (o sea,20 millones de gramos; es decir, 20.000 kilos, o lo que eslo mismo, ¡20 toneladas de diamantes!), y obviamentemuchos más, quizá el doble, en 1998 (tabla II).

Tabla II. Algunos datos de producciónde diamantes naturales (1988)

País

Australia

República Democrática del Congo

Botswana

Unión Soviética

Sudáfrica

Angola

Namibia

Otros

Producción (quilates x 10s)

35

23

15

12

9

1

0,9

5

Adaptado de R.M. Hazen: The New Alchemists, Times Books, Nueva York (1993).

Obviamente, no todos los diamantes producidos en to-das las minas son iguales; de acuerdo con su aspecto, ca-racterísticas y aplicaciones posibles se suele atender a tresgrandes grupos de productos:

1. Gemas: utilizadas en joyería y decoración tras unelaborado y complejo proceso de talla, de la que seutilizan no menos de ocho tipos diferentes, el máscomplicado de los cuales recibe el nombre de «tallabrillante».

2. Diamantes industriales: cuya calidad no permite loanterior, pero sí su aplicación en abrasivos e instru-mentos de corte.

3. Polvo («Boart»): que abarca al resto del productode extracción y que también tiene aplicaciones in-dustriales.

El diamante nace, por tercera vez, el día en que el hom-bre logra fabricarlo con sus manos. Por supuesto que lo de«con sus manos» es un decir, porque para fabricarlo hacenfalta complejos instrumentos y pesadas máquinas comoahora veremos.

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Y al decir que el hombre ha conseguido fabricar el dia-mante deberíamos, quizá, particularizar un poco, e indi-car que lo ha fabricado la sociedad norteamericana, notoda ella, claro, un puñado de científicos dentro de ella;pero que ello haya ocurrido así no es, creo yo, productode la casualidad, sino del tipo de sociedad existente en losEstados Unidos de América del Norte.

En efecto, la sociedad estadounidense, la de Franklin,Edison, Ford, Du Pont, Kodak, Packard o Gates, se basa,se sustenta y se edifica sobre la investigación científica, yen ella, en esa sociedad que cree en la ciencia y la técnica,unos «nuevos alquimistas» como los define Robert M.Hazen en un reciente libro, consiguieron, hace ahora cua-renta y cuatro años, el 8 de diciembre de 1954 para ser exac-tos, reproducir la obra inerte más perfecta de la MadreNaturaleza: el diamante.

Esos científicos realizaron la preparación artificialde los diamantes. Y lo de artificial viene a cuento porquecasi de un artificio o, mejor aún, de un arte se trata, perono sólo de eso, también de una ciencia. La fabricaciónde diamantes sintéticos ha requerido la conjunción demuchos esfuerzos dedicados a la realización de increíblesingenios mecánicos, de enormes prensas que aplican sutremenda fuerza hidráulica, a través de complejísimos sis-temas de yunques escindidos en hasta ocho trozos, a ci-lindros de platino rellenos de cualquier material que con-tenga carbono: grafito, por supuesto, la forma «plana» yhojosa del carbono, estable en las condiciones ordinariasde la superficie de nuestro planeta; pero también azúcar,papel, jarabe de arce, hollín, margarina de cacahuete yhasta alas de mosca..., pues todos estos productos de par-tida y algunos otros igualmente increíbles tuvo que utili-zar Bob Wentorff para conseguir defender unas patentesde la General Electric que, en su afán de cubrir el máxi-mo territorio de la fabricación industrial de estas piedras,pretendió en aquéllas que todo lo que tiene carbono da dia-mantes, lo que en realidad resulta ser cierto, como refie-re el ya citado libro de Hazen.

La producción de diamantes no es ni mucho menos tri-vial y para conseguirla también han tenido que producir-se otros desarrollos científicos y técnicos como la obten-ción de aleaciones superduras, como el carburo dewolframio, WC, que, tras esa algo impúdica fórmula, es-conde una elevada dureza, capaz de ser utilizada en la pre-paración de la sustancia más dura que hasta ahora se co-noce. Gracias a todos esos esfuerzos, hoy conocemos congran detalle las relaciones íntimas entre grafito y diaman-te -lo que los científicos llamamos el diagrama de fases delcarbono (figura 5)-, que hace poco acaba de complicar-se (¡quién lo hubiera dicho hace unos años!) con la llega-da de los fullerenos, materiales interesantísimos donde loshaya y que, ¡cómo no!, tratados adecuadamente, tambiénpueden dar lugar a diamantes.

Los diamantes no han sido sólo objeto de deseo de re-yes y banqueros, también se han ocupado de ellos los ju-glares y otros cuentistas que los consideraban trozos deestrellas caídos del cielo o cristales formados por el rayo en

700-

$ 600-

l 500-

400-

Sólido III

CarbonoLíquido

1000 2000 3000 4000 5000

Temperatura K

Fig. 5.- Diagrama de fases del elemento carbono.

el fondo del océano. Y, claro está, los diamantes han sidoel objeto de reflexión y estudio de los científicos, que pri-mero querían saber lo que eran y después reproducirlos yreproducir sus propiedades. Aún hoy se intenta mejorar-las con los llamados materiales superduros tipo nitrurode boro, segundón del diamante en las escalas de dureza,y el deseado, predicho y muy recientemente fabricadonitruro de carbono, que sería, de acuerdo con las predic-ciones teóricas de Liu y Cohén, aún más duro.

La mayoría de los sabios que se han dedicado al estudiodel diamante son personajes peculiares y, a lo largo de losciento setenta años que van hasta ahora van de intentos,más o menos exitosos, de fabricación del mismo, se hanescrito algunas de las páginas más sorprendentes de la his-toria de la Química.

Newton dedicó muchas horas a la observación de losdiamantes, y los consideraba «una sustancia untuosa con-gelada que debía de ser combustible». Lavoisier se acer-có un poco más, y tras quemar varios concentrando laluz solar por medio de una lente, concluyó que efectiva-mente ardían... En 1797, cinco años después de que la gui-llotina se llevase a Lavoisier, «la mejor cabeza de Fran-cia», en palabras de Lagrange, Tennant cuantificó susresultados, y demostró, por primera vez que, efectiva-mente, se trataba de carbono puro cristalizado. Cuandose descubrieron los rayos X, hace ahora ciento dos años,que Bragg utilizó para determinar cómo estaban dis-puestos los átomos en un cristal, tras la sal común y la car-nalita, estudió el diamante. Bragg concluyó que, en superfecta regularidad, cada átomo de carbono estaba ro-deado de otros cuatro, igual, pues, que en muchas de lasespecies moleculares del carbono, como ya se recogía enla hipótesis de Le Bell y Vant'Hoff. Se abría así por Braggla puerta para comprender las espectaculares propieda-des del diamante, que no sólo es duro, muy duro y trans-parente, sino que además refleja e irisa la luz de mil ma-

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ñeras cuando está tallado. El propio Michael Faraday te-nía uno colgado en el salón de su casa de la Royal Insti-tution para dispersar los rayos de sol como elementodecorativo, y que aún hoy se conserva en el viejo caserónde Albermarle Street, en Londres.

El diamante es también un magnífico aislante eléctrico,y además un estupendo conductor térmico; de ahí quelos joyeros de las novelas de misterio lo identifiquen lle-vándolo a los labios, porque al «besarlo» está frío, cosaque no ocurre con el vidrio... Y aunque sea adelantarnosen el orden cronológico de la descripción de la síntesis, di-remos ahora que experimentos recientes en los que se hanfabricado diamantes (casi) isotópicamente puros, esto es,eliminando previamente alrededor del 1,5% del isótopode carbono-13 que naturalmente acompaña al más abun-dante carbono-12; Strong y Wendorf, científicos de la Ge-neral Electric, han conseguido fabricar diamantes con unamayor conductividad térmica, lo que significa que, poruna vez, el hombre con su arte ha conseguido superar a laNaturaleza en un importante aspecto...

Y quizá se pregunte alguien: ¿para qué haría falta me-jorar la conductividad térmica del diamante? Bueno, puesel diamante podría quizá servir como sustrato de semi-conductores en dispositivos electrónicos y, dado que esun aislante eléctrico estupendo y un magnífico conductortérmico, podría servir para eliminar el exceso de calor quese produce en el funcionamiento del dispositivo... Estoen realidad se hará más bien en películas delgadas que enmonocristales grandes...

Decíamos que Bragg determinó la estructura cristalinadel diamante, es decir, que descubrió cómo se sitúan losátomos de carbono en el espacio. También se conoce la es-tructura del grafito, otro tipo —o como decimos los quí-micos, otro alótropo- del carbono, y aunque estos dosmateriales están formados por lo mismos átomos, átomosde carbono, es chocante que tengan propiedades tan di-ferentes (tabla III).

Tabla III. Propiedades de las variedades grafitoy diamante del elemento carbono

Sistema cristalino

Densidad (g/cm3)

Dureza (Mohs)

Separación entre bandas

p eléctrica (Q cm)

a térmica (Tamb.) (W/cmK)

Constante dieléctrica

Ind.refracción {X = 546 nm)

Hexag. a = 2,4611 Ac = 6,7078 A

2,66

1-2

(semimetal)

basal4x 10~5; perp. 0,2

15

basal: 2,61; perp. 3,28

2,15; 1,81

Cúbicoa = 3,56679 A

3,514

10

6eV

10'°

-50; {100 (50 K)}

5,87

2,41

Sin embargo, esto no es tan sorprendente si se consi-dera que la estructura del grafito es esencialmente bidi-mensional, con lo que el enlace entre capas es mucho másdébil (Van der Waals) que intra-capas, mientras que eldiamante presenta una estructura tridimensional, y los

fullerenos una estructura molecular (figura 6). Teniendoesto en cuenta, esas propiedades tan diferentes resultan,efectivamente, comprensibles.

Vayamos, pues, a la fabricación de los diamantes. Eséste un empeño que ha ocupado y hecho fracasar a algu-nos grandes científicos que, en el camino, descubrieronotras cosas importantes, contribuyendo, sobre todo, al de-sarrollo de las técnicas de alta presión. Efectivamente, laQuímica ha utilizado comúnmente la temperatura comoúnica variable y motor de los procesos químicos. Pero ellosólo ha ocurrido hasta el desarrollo de esta otra variable adi-cional, la presión, que da lugar a interesantísimas posibi-lidades, especialmente en el campo de los materiales.

La historia de la fabricación del diamante pasa por di-ferentes períodos entre alquimistas, charlatanes y otros pi-llos; el primer intento serio parece ser el de Cagnard de laTour, en 1828, aunque sus muestras no tenían carbón,sino corindón, un óxido de aluminio muy duro -siguienteal diamante en la celebre escala de Mohs—, y periclasa, elóxido típico de magnesio, mucho más blando... En losintentos de esa época faltaba, desde luego, el estudio sis-temático que llevó al éxito en los años cincuenta de estesiglo.

El primer científico que se dedicó a este trabajo fue elescocés Hannay, brillante autodidacto que llegó a sermiembro de la Real Sociedad de Edimburgo a los vein-tiún años, y que fue jefe del laboratorio de una importanteindustria química en Glasgow. Hannay introdujo en labúsqueda artificial del diamante dos parámetros funda-mentales, la disolución/cristalización y la presión. Por-que sin éstas, no se puede, o, para ser exactos, no se po-día fabricar diamantes. Si bien la utilización de la presiónle vino sugerida por el descubrimiento geológico en Áfri-ca del Sur a que antes hacíamos referencia, la disoluciónde metales alcalinos, como litio y sodio, en parafina, a laque por un tiempo estuvo dedicado, dio lugar, de modobastante inesperado, a un depósito negro, carbonoso, queHannay creyó formado por diamantes. De ahí su idea dedisolver, calentando y a presión, todo tipo de sustanciasen multitud de disolventes, y ello, en 1870, con métodosprimitivos consistentes, en lo esencial, en rellenar tubosde hierro con aceite y litio, y, tras cerrarlos por ambosextremos, calentarlos largamente a temperaturas muy al-tas. Ello, naturalmente, daba lugar a tremendas explo-siones; más aún, cuando no explotaban quedaba el pro-blema no menor de abrirlos. Aunque, de acuerdo con sucuaderno de laboratorio, sólo en tres ocasiones, de un to-tal de ochenta, se mantuvo el tubo intacto, en uno deellos aparecieron cristales de diamante. Sin embargo, aná-lisis recientes de los que se conservan en el Museo Britá-nico de Historia Natural como primeros diamantes sinté-ticos, demuestran que, por razones que tienen que vercon inclusiones y otros defectos, se trata de diamantesnaturales y no artificiales. ¿Cómo pudieron aparecer dia-mantes naturales en los experimentos de Hannay? Hay treshipótesis:

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Fig. 6.- Estructura de las tres principales formas alotrópicas del elemento carbono: diamante, grafito y molécula del Cb0 o fullereno.

- Fraude del propio Hannay.- Fraude de alguno de sus colaboradores.- Puede ser que utilizase diamantes naturales como se-

millas de crecimiento.

Después de Hannay, le llega el turno a Moissan, quien,tras diseñar un ingenioso horno eléctrico y desarrollar laquímica del peligroso flúor -lo que le valió el Premio No-bel de Química en 1906-, intentó, también sin éxito, lapreparación de diamantes. Aunque Moissan intuyó la ne-cesidad de la presión, no encontró más posibilidad de mi-metizarla que la solidificación brusca del hierro fundidoen el que disolvía carbón. De esta manera, Moissan con-siguió simplemente -aunque deberíamos decir «nada me-nos que»- la síntesis de pequeños cristales de carburo desilicio que, conocido con el nombre de Moissanita, es uninteresantísimo refractario utilizado en la construcción deresistencias eléctricas y posee el privilegio de adoptar más

de ciento treinta estructuras cristalinas distintas, todasellas parecidas a la del diamante, para una misma com-posición; esto le confiere el título de arquetipo del politi-pismo. Pero esa idea de disolución-cristalización estabaen la buena dirección y es la base de la fabricación indus-trial de los diamantes.

Y llegamos así a Bridgman, el auténtico innovador enla utilización de las altas presiones y también Premio No-bel de Física en 1946. Percy Bridgman, catedrático enHarvard, donde también se había graduado, en 1904, ydoctorado, algo infrecuente especialmente para un nati-vo de Cambridge, Massachusetts. Hombre solitario, tuvoentre sus discípulos a Robert J. Oppenheimer -Oppy paralos amigos, el director del Proyecto Manhatan- y a Slater-el creador de la teoría de Orbitales Moleculares, junto conMulliken-, pero siempre prefirió dedicarse a su propiotrabajo experimental con su asistente técnico. Bridgmanera un consumado mecánico, capaz, se dice, de hacer un

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taladro de un dieciseisavo de pulgada en un cilindro de cua-renta centímetros de largo, en sólo siete horas. Estamos ha-blando de los años cincuenta, en que no había tornos au-tomáticos pilotados por ordenador...

Bridgman dedicó su vida a someter a elevadas presio-nes y temperaturas diferentes materiales, en particularel agua, encontrando muchas fases diferentes del hielo enun trabajo notable y clásico. Sometió el grafito —al queconsideraba, tras sus vanos esfuerzos para fabricar dia-mantes, «el mejor muelle que existe en la naturaleza»— apresiones de hasta 425.000 atmósferas, utilizando unaprensa de 3.000 toneladas, aplicadas a una pulgada cua-drada.

Pero faltaban dos puntos cruciales, la temperatura y elcatalizador. Se cuenta que, cada vez que Bridgman con-seguía una mejora en su aparato, y cuando no le veía na-die, hacía un experimento con grafito para ver si conseguíalos ansiados cristales... Hombre de personalidad comple-ja, que se suicidó en 1961 al saber que tenía cáncer óseo,consiguió, poco antes, fabricar diamantes en un experi-mento que realizó cuando los científicos de GEC le invi-taron a visitar el laboratorio donde se consiguió la pri-mera síntesis.

Pero antes de llegar a esa primera síntesis reportada,tenemos que hablar de lo que se puede denominar el«intento sueco» y decir algo de la no menos increíblebiografía de Baltzar von Platen, quien, tras hacerse fa-moso y rico con el desarrollo de una nevera portátil alterminar la segunda guerra mundial y aprovechando esafama, se embarcó en diferentes proyectos, entre ellos elde fabricar diamantes. Esta historia tiene un final felizpero atípico: el día 16 de febrero de 1953, los científi-cos de la empresa sueca ASEA, tras eliminar discreta-mente del equipo al peculiar Platten, consiguieron dia-mantes, esta vez auténticos, y el experimento fuereproducido con éxito en otras dos ocasiones con unpar de meses de intervalo. Pero, por razones que siguenoscuras, el equipo del llamado Proyecto Quintus, nuncapublicó su descubrimiento; quizá porque, a pesar deléxito, el procedimiento era tan caro y complejo que nomerecía la pena hacerlo a escala industrial, lo que encierta medida suponía un fracaso; o tal vez fue por otrasrazones.

Llegamos así al proyecto definitivo, llamado ProjectSu-perpresure, el proyecto de otra gran corporación, esta veznorteamericana, la GEC, la compañía de Edison, que ne-cesitaba diamantes para cortar las herramientas superdu-ras que le permitían trabajar y estirar en hilos el wolfra-mio de los filamentos de las bombillas. Bajo la direcciónde un gestor de gran personalidad, A. J. Nerad, cuya di-visa «no se queje, es signo de incompetencia» figuraba enlas paredes del taller -más que laboratorio- en el que sedesarrolló el proyecto, un equipo de cinco variopintoscientíficos consiguió, de manera reproducible y sistemá-tica, hacer realidad el viejo sueño y, tras ello, iniciar otralínea de fabricación de productos que dejaban -y dejan-grandes beneficios a GEC.

Los componentes del equipo tras el éxito, e incluso an-tes de que se produjera éste, se dividieron en facciones deenemigos irreconciliables, lo que, probablemente, les «cos-tó» el Premio Nobel. Sin embargo, merecen ser recorda-dos: Francis Bundy, Herbert Strong, James Cheney, Ha-rold Bovenkerk y, quizá sobre todo, Tracy Hall.

Para fabricar el diamante, este grupo tuvo que trabajardurante años innovando, de paso, en muchos aspectos dela Ciencia de Materiales, del diseño de prensas hidráuli-cas y sobre todo del recinto de reacción: un conjunto que,sin entrar en demasiados detalles técnicos (piénsese que hayque calentar a más de mil cuatrocientos grados centígra-dos y a más de cien toneladas por centímetro cuadrado si-multáneamente), está formado esencialmente por dos pis-tones cilíndrico-cónicos de carburo de tungsteno actuandoen vertical sobre una muestra encerrada en una cápsulade platino que está a su vez embutida en una cámara tam-bién de WC.

Tras multitud de experimentos fallidos, y tras diseñar yhacer construir una prensa hidráulica de 1.000 toneladas,que medía más de seis metros de altura y pesaba 55 to-neladas, Bundy y Strong consiguieron producir, el 8 de di-ciembre de 1954, un único cristalito octaédrico adheridoa la lámina de hierro, además de las dos semillas intactas.Para conseguirlo, habían tratado durante dieciséis horas unamezcla de carbón y lámina de hierro a la que añadierondos pequeñas semillas diamantinas, a 50.000 atmósferasy 1.250 grados centígrados. El cristalito era, por lo de-más, difícil de analizar dado su pequeño tamaño y las téc-nicas de la época.

Muy poco después, el 16 de diciembre de ese mismoaño, en la cámara diseñada por Hall -el celebrado BeltácHall— y que por los desacuerdos dentro del equipo traba-jaba en una prensa distinta y más pequeña, se obtuvierondecenas de cristales tras tratar, durante 38 minutos, a100.000 atmósferas y 1.600 grados centígrados, una mez-cla de grafito y sulfuro de hierro en un cilindro de tántalo.

Merece la pena recoger las palabras de Hall al terminarel experimento:

Tras retirar la célula de la Belt y abrirla, mis manos co-menzaron a temblar; el corazón empezó a acelerarse; lasrodillas se me doblaban y a punto estuve de caer al suelolleno de emoción: a mis ojos llegaba el destello de la luzreflejada por docenas de pequeños cristales que no po-dían ser más que de diamante.

En los días subsiguientes, el experimento de Hall pudoser repetido decenas de veces con éxito, no así el de Strongy Bundi, por lo que, en principio, puede considerarse queHall fue el primer hombre que consiguió preparar dia-mantes.

La naturaleza había sido, pues, emulada; pero, tras estemagnífico éxito, Hall abandonó el GEC decepcionadopor el casi nulo reconocimiento de su labor que sólo fuepremiada con los simbólicos —en todos los sentidos— vein-ticinco dólares que se asignaba, en muchas compañías

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norteamericanas, a cada miembro de la misma que con-tribuía al establecimiento de una patente.

Más tarde, el consorcio minero de Sudáfrica-de Beers-que llegó a fabricar diamantes casi cuatro años después yque estuvo a punto de conseguir las patentes con ante-rioridad debido al secreto oficial que impuso el gobiernonorteamericano, se asociaba con la GEC. Entre las doscontrolaban el mercado de diamantes tanto naturales comoartificiales.

En la actualidad se fabrica industrialmente por lo me-nos en Belfast (Sudáfrica) y en la Isla de Man, donde seha conseguido un diamante sintético de catorce quilates(2,9 gramos y 0,8 era3) —el mayor hasta ahora—, pero queno soporta la comparación con los mejores de los naturales.De entre éstos destaca el Cullinam, de 3.166 quilates,nada menos que ¡621,2 gramos! Tan grueso era que sedijo inicialmente que no era sino un pedrusco, y el capa-taz lo tiró por la ventana... ¡Afortunadamente, el diamantees duro! Tras reconocerle como el mayor diamante des-cubierto se le talló en nueve piedras grandes y ciento trespequeñas, y éstas fueron el precio que se pagó a los talla-dores, los hermanos Asher, de Amsterdam. Cada una delas otras nueve se ha convertido en leyenda y algunasde ellas figuran en el Tesoro de la Corona británica.

Obviamente, una vez que tales presiones han estado adisposición de los científicos, éstos han intentado apro-vecharlas en los más dispares y variados experimentos, queabarcan desde la Astrofísica a la Geología pasando, desdeluego, por la Física y la Química del Estado Sólido. Unode los primeros desarrollos científicos ha consistido en ladeterminación del punto triple del carbono, en el que co-existen grafito, diamante y carbono líquido. Conocidoeste punto triple, es posible efectuar el paso directo de gra-fito a diamante sin necesidad de catalizadores. Esto lo lo-gró Francis Bundy gracias a un diseño bastante sofistica-do de los pistones y la cámara de reacción en un aparatoque se denomina Superbelt, por extensión del aparato tipoBelt desarrollado por Hall. Dicho punto triple resultó ser4.100 K y 125 Kbar. Obviamente, en condiciones tan ex-tremas, no es práctico ni económico fabricar diamantes,por lo que se sigue utilizando la presencia de catalizado-res para facilitar la reacción.

Decíamos hace un momento que el diamante es unmagnífico aislante eléctrico, con una separación entre ban-das de más de 5 eV, por lo que resulta chocante que mu-chos diamantes tengan colores tan bellos como los de lacolección Aurora (figura 4). La razón del color está notanto en el propio diamante como en las impurezas quefrecuentemente presenta. Un diamante absolutamentepuro debe ser, y es, transparente e incoloro, ya que ese va-lor de la separación entre bandas supera con creces la ener-gía de la radiación electromagnética que corresponde a lazona visible del espectro. Sin embargo, las impurezas, áto-mos diferentes de los de carbono, por ejemplo de boro, ni-trógeno, hierro, presentes por accidente en la red cristali-na e introducidos en ella en el ya lejano momento de lacristalización de los diamantes naturales, dan lugar a es-

tados electrónicos situados entre el límite superior de la úl-tima banda ocupada y el inferior de la primera banda va-cía. La ocupación de éstos a partir de los niveles de va-lencia o su evacuación hacia la de conducción tiene lugargeneralmente a energías en torno a un electrón-voltio,que caen precisamente en la zona del visible. Así, el cele-brado diamante Hope, de un azul purísimo (figura 7), pre-senta impurezas de boro, mientras que la presencia de ni-trógeno hace que el denominado Tiffany sea de coloramarillo.

Aunque nos apartemos algo del diamante, también esinteresante mencionar que tras varios intentos de fabri-car hidrógeno metálico, se ha conseguido sometiéndolo apresiones muy elevadas y temperaturas muy bajas (4 CK).Desde luego, uno puede preguntarse para qué serviría esematerial —si es que podemos definir como tal al hidróge-no metálico—, pues, por una parte, es poco práctico y bas-tante difícil conseguir simultanear altas presiones y bajastemperaturas -incluso más difícil que conjuntarlas conaltas temperaturas-; por otra parte, no es que falten me-tales en la Tierra, dado que la mayoría de los elementosquímicos son metálicos, pero teniendo en cuenta que lamayoría de los objetos del Universo están formados casiexclusivamente por hidrógeno y que en su interior reinanpresiones gigantescas, es más que probable que en elinterior de los objetos celestes abunde el hidrógenometálico.

También los geólogos tienen interés en las altas presio-nes, pero refiriéndonos a la Tierra, no se trata tanto del hi-drógeno como de los silicatos, componentes esenciales dela corteza terrestre. En estos estudios se ha superado elmillón de atmósferas o, en términos técnicos, se ha al-canzado el megabar. La búsqueda del récord requirió el de-sarrollo de otro tipo de prensa, denominada en yunque dediamante, en la que la presión se ejerce por medio de dosdiamantes opuestos tallados adecuadamente para que susdos caras enfrentadas acojan el material que se compri-me, situado en una cámara metálica. Este tipo de prensa,diseñada por Van Valkenburg en el NIST (anteriormen-te NBS) de Washington, es mucho menos voluminosa yse acciona simplemente por rotación de un tornillo. Sumecanismo es análogo al que usan, en sus bancos, carpin-

Fig. 7.- Diamante Hope. (Cortesía de la Smithsoman Institution,Washington, DF, EE. UU.)

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teros y mecánicos ajustadores. Tiene además la ventaja deque, al ser los diamantes transparentes a la radiación, es po-sible estudiar la muestra por medio de la espectroscopia,o incluso la difracción de rayos X, mientras se aplica lapresión. Esto tiene la indudable ventaja de permitir ob-servar, aunque sea indirectamente, lo que está pasando(figura 8).

Con este tipo de equipo, Bell y Mao consiguieron, tra-bajando en el laboratorio de Geofísica del Instituto Car-negie, alcanzar una presión de más de un millón de at-mósferas. Hasta ahora se han alcanzado con dicho equipopresiones de hasta 1,72 megabares. Sometido a esas pre-siones, el diamante sufre deformación plástica, por lo queno es posible seguir mucho más arriba. Ese parece ser, portanto, el récord de presiones por ahora y, probablementepor muchos años, conseguidas por este procedimiento.

Los años en que se desarrolló la fabricación artificial deldiamante coinciden con los de la llamada Guerra Fría y,teniendo los diamantes gran valor estratégico, cabe pre-guntarse dónde estaba la investigación soviética en esecampo en dicho período.

En realidad, la mayor contribución de los científicos so-viéticos ha sido en la obtención de diamantes a bajas pre-siones. Aunque no lo han hecho únicamente ellos, y en mu-chos casos han sido los japoneses los que han conseguidoresolver los problemas, el grupo de Derjaguin ha desa-rrollado un interesante procedimiento para crecer pelícu-

las de diamante por descomposición a alta temperatura ybaja presión de una mezcla de metano e hidrógeno ató-mico, con lo que el diamante ha vuelto a nacer, por cuar-ta vez, y a bajas presiones.

MATERIALES SUPERCONDUCTORES

En 1911, Holtz, trabajando en el laboratorio de bajastemperaturas de H. Kammerling-Onnes, descubrió que laresistividad eléctrica del mercurio se anulaba por debajode 4,1 GK, temperatura de ebullición del helio, que On-nes había sido el primero en licuar. Nació así el campo dela superconductividad, que inicialmente estuvo reducidaa algunos elementos químicos, sin seguir una secuenciaespecial en relación con sus propiedades periódicas. Eneste terreno, el elemento niobio presenta la máxima tem-peratura crítica, Te = 9,3 °K, que separa al estado super-conductor áú denominado estado normal en ausencia de uncampo magnético. En presencia de valores crecientes deéste, se alcanza el denominado campo crítico, por encimadel cual el sólido pasa al estado normal.

Poco después, comenzó la búsqueda de aleaciones me-tálicas superconductoras. Se ha encontrado un gran nú-mero de ellas, entre las que destacan muchas de las com-binaciones del propio niobio con otros elementos, talescomo el estaño, con el que para la composición Nb3Sn

Luz láser

Radiación X

Fig. 8.- Prensa en yunque de diamante utilizada para estudios espectroscópicos o difractométricos.

257


§a

u.uo

O.O4

0.03

0.02

0.01

n

-

- 0

j ::t•i

A ° 2 5

> •. *•-

.50 A/cm2/

i 0.50 A/cm

i i i

A/cm2 .••*..«"

• .y/

2

0.020

0.016

0.012

0.008

0.004

100 200

T (K)300

Fig. 9.- Estructura cristalina de La2Cu04 (octaedros [Cu-O6] y átomosde lantano) y variación de la resistividad con la temperatura para elmaterial «Balacuo»: Ba/La2.,Cu04, primero de los superconductoresdenominados «de alta temperatura». (Cortesía del Dr. J. Jorgensen

y Elsevier.)

alcanza una Te de 19,31 °K, o el Nb,Ge, con una tem-peratura crítica de 23,2 °K, que constituye la marca delos actualmente denominados superconductores clásicos.Ambos materiales cristalizan con una interesante estruc-tura, denominada A-l 5, de acuerdo con la clasificación delStruktur Berichte, y que no es exclusiva de las combinacionesdel niobio, ya que, por ejemplo, el siliciuro de vanadio(V3Si) también la adopta y presenta una temperatura crí-tica de 18,05 °K.

En realidad, la denominación de superconductores clá-sicos no tiene nada que ver con la dicotomía clásica ver-sus cuántica, especialmente considerando que la super-conductividad es, en realidad, un fenómeno cuánticomacroscópico, sino con el hecho de que en 1986, Bed-norz y Muller descubrieron que un óxido mixto de lan-tano y cobre (figura 9) dopado con un metal alcalino-té-rreo, La^xMxCuO4 (M o Ca, Sr, Ba), era superconductorcon una temperatura crítica de unos 32 °K, que para en-tonces era realmente muy alta, si bien hoy, cuando se hanalcanzado valores de hasta cinco veces más, nos parecen re-lativamente modestos.

La importancia del descubrimiento de Bednorz y Mu-ller no es grande por el solo hecho de que la Te era másalta, sino que, además, mostraba un camino, el del empleode los óxidos mixtos de cobre y otros elementos, en los quela búsqueda empírica por sustituciones más o menosaleatorias pronto condujo a otra marca, la del óxidoYBaTCujO^, cuya temperatura crítica es de - 92,5 °K (ydepende de 6); es decir, que está muy por encima del pun-to de ebullición del nitrógeno a la presión atmosférica.Obviamente, eso significaba poner la superconductividadal alcance de cualquier laboratorio y abría, al menos en prin-cipio, un amplio espectro de aplicaciones potenciales paralos superconductores, que anteriormente les estaban ve-dadas por lo costoso, y quizá aún más por lo engorroso,de la utilización de helio líquido en el sistema de refrige-ración.

La búsqueda de superconductores continuó de forma in-cesante y se pueden señalar en ella diferentes hitos hastallegar a la situación actual. Así, podemos citar los deno-minados superconductores de bismuto de fórmula gene-ral: Bi2Sr2Calv]CunO3n+2tó, en los que por una parte se al-canzan temperaturas superiores a 100 °Ky por otra estánpresentes dos capas consecutivas de óxido de bismuto (fi-gura 10) que confiere a estos materiales, en general, cua-sibidimesionales desde el punto de vista estructural y, enalguna medida también desde el punto de vista su-perconductor, la posibilidad de exfoliación entre las doscapas.

Esto tiene el interés añadido de que si la capa exteriordel material es de óxido de bismuto, es mucho más resis-tente al ataque de agentes como el agua y el dióxido de car-bono, a los que son muy sensibles la mayoría de estos su-perconductores.

Otro punto singular en el camino hacia la supercon-ductividad a temperatura ambiente, en el que, aún faltaun largo trecho (no menos de 130 grados), lo ha supues-

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Fig. 10. - Estructura cristalina del superconductor «de bismuto»:Bi2Sr2Ca2Cu2O8+d. (Cortesía del Dr. Pierre Bordet.)

to la familia de los denominados superconductores de ta-lio, de fórmula TlmBa,CaT1.]CunO 7n+mt2,

e n l°s que m pue-de tener los valores 1 o 2. Ello influye sobremanera en laspropiedades superconductoras, en particular en la tem-peratura crítica (tabla IV), de la misma manera que lohace el valor de n, que cuando es igual a 3, se obtienen ma-teriales con Te = 125 °K, que durante bastante tiempofue la máxima conocida para los superconductores deno-minados de alta temperatura.

Tabla IV. Parámetros reticulares y temperaturas criticas óptimasde los «superconductores de talio»: TlmBa2Can.,Cun02n,m,2l, (*)

m1

2

n

1

2

3

1

2

3

a (A)

3.86

3.85

3.84

5.46

3.85

3.82

c(A)

9.69

12.72

15.87

23.16

29.39

32.26

Te—

70

100

20

105

125

(*) Tanto los parámetros como la temperatura crítica dependen de 6.

Un estudio conjunto de los cupratos superconductoressugiere que todos ellos se caracterizan por una serie de as-pectos comunes, entre los que destaca, sobre todo, la pre-sencia de planos Cu-O así como la existencia de elemen-

tos estructurales que, por su contribución a la presencia oausencia de propiedades superconductoras, se denomi-nan capas reserva de carga.

Así, en el caso del cuprato de talio con m = 1 y n = 3,que se formula: TlBa2Ca2Cu3O 9+2 (figura 11) existen tresplanos conductores y el plano reserva de carga es el planoTl-O. El conjunto de la estructura queda sustentado porlo que a veces se denomina el esqueleto perovskita, porser esta estructura de referencia para todos estos materia-les. En este caso, el resto perovskita lo componen los pla-nos Ba-O y Ca-O, que en ocasiones incluyen algún ele-mento trivalente, y muy comúnmente éste es uno de losque constituyen las denominadas tierras raras.

Desde el punto de vista de la composición de dichosmateriales, podemos esquematizarlos de la manera si-guiente:

{(AO)J i(BO2)(M)n.,} {(CuO2),,}

que representa respectivamente la reserva de carga, el es-queleto perovskita, y los planos conductores. Dada la relati-va complejidad de las fórmulas resultantes, en ocasionesse abrevia la composición mediante los subíndices, y losdiferentes superconductores se reflejan como m2(n-l)m.

Así pues, si A es bismuto; B, estroncio; C, calcio m = 2y n = 3, tendríamos la composición Bi2Sr2Ca2Cu3O10t6,abreviada a Bi-2223, que, en la práctica, requiere la pre-sencia de una cierta proporción de plomo en la capa de bis-muto para ser estable, y a la que corresponde una tempe-ratura crítica de unos 110 °K.

La fenomenal progresión de las temperaturas críticas delos múltiples «cupratos» conocidos hasta ahora alcanzó suapogeo, hasta el presente, con el descubrimiento por Pu-tilin y Antipov, entre otros, de los denominados «super-conductores de mercurio» a comienzos de 1993. El primerode ellos, HgBa2CuO4+í), constituyó un importante pasoadelante, por cuanto, a pesar de alcanzar solamente unaTe de 95 °K, es decir, muy por debajo de los 125 °K quepara entonces se habían obtenido en la familia del talio,esa relativamente elevada temperatura se obtenía paran = 1, esto es, con una sola capa superconductora. Ello su-girió inmediatamente que si se preparaban los términos su-periores, aquellos que presentaban mayores valores de n,se conseguiría subir la Te de manera considerable. Las co-rrespondientes temperaturas para los términos con n = 2y n = 3 son de 127 °Ky 135 °K, respectivamente, a lapresión ambiente. Más aún, cuando este último se some-te a presiones elevadas, se alcanzan nada menos que los165 °K bajo una presión de 25 Gpa. Así pues, en los sie-te años que van entre 1986 y 1993, la temperatura críti-ca más alta de paso del estado normal al de supercon-ductor ha crecido de 22 CK a 165 °K, esto es, prácticamentesiete veces más. Desafortunadamente, las cosas se han de-tenido ahí, y a falta de una teoría completa, predictiva,de las razones por las que los cupratos son tan buenossuperconductores, la investigación empírica, basada ensustituciones razonables en la capa reserva de carga, acom-pañada frecuentemente de cambios adecuados en la capa

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Fig. 1 1 . - Estructura cristalina del superconductor «de tal io»TI 2Ba2Ca2Cu3O10td -átomos de calcio: azules, bario: amarillos, bis-muto: verde, oxígeno: blancos; cuadrados rojos [Cu-O6]; pirámidescuadradas rojas: [Cu-O5])-. (Cortesía del Dr. J. Jorgensen y Elsevier.)

perovskita para estabilizar el sistema, no han dado, porahora, temperaturas más altas que las citadas.

Sí se han hecho, no obstante, progresos en otros aspec-tos de esta investigación. Tal vez uno de los más destaca-dos ha sido la búsqueda de materiales análogos, pero sinelementos tóxicos. En este sentido, la familia de super-conductores (C/Cu) B^1Czn.]CunO2ntltb, con temperatu-ras críticas de hasta 117 °K a presión normal y hasta 126 °Kbajo presión descubiertos simultánea e independiente-mente por Ihara et ai, Alario y Franco et al, y Kavashi-ma et al, supone un paso interesante hacia las posiblesaplicaciones de estos materiales. En efecto, la presenciadel mercurio en la familia de máxima temperatura críti-ca supone un inconveniente considerable a la hora de lle-var a cabo aplicaciones a gran escala de este tipo de ma-teriales. Recuérdese a este respecto que la Unión Europea,en una directiva de principios de los años noventa, prác-ticamente prohibe la presencia de mercurio y elementoscongéneres en las baterías eléctricas de uso doméstico.

APLICACIONES DE LOS MATERIALES

SUPERCONDUCTORES

La propiedad más espectacular de los superconductoresha sido, sin duda, la de no presentar resistencia al paso dela corriente. A pesar de ello, sus aplicaciones en el trans-porte de corriente eléctrica, en el que por efecto Joule sepierde en torno a un 12% de la energía transportada, nohan sido demasiado utilizadas. Sin embargo, algo comienzaa hacerse en ese terreno con los de alta temperatura. Enefecto, en la ciudad de Detroit, en el Estado de Michigan(EE. UU.), se va a utilizar cable superconductor de altatemperatura, depositado en forma de cintas, y embutidoen torno a un tubo hueco por el que circula nitrógeno lí-quido. Se trata de un cable para alta tensión destinado altransporte de corrientes elevadas en la red urbana. Ini-cialmente se instalarán cien metros de dicho cable, y si laexperiencia es favorable, y económicamente rentable, secontinuará la instalación al resto de la red.

Pero, al no ofrecer resistencia, los superconductores per-miten pasar corrientes elevadas, lo que, a su vez, se puedeutilizar en la generación de intensos campos magnéticos.Por ello, y como podía esperarse, los campos magnéticosmás altos hasta ahora obtenidos son de unos 390 Teslas,se han conseguido en imanes denominados híbridos, for-mados por un núcleo de un metal de los denominadostierras raras —generalmente, el holmio—, que suministraunos 35 T; una envoltura de un imán de Bitter, que pro-porciona hasta 230 T, y una cubierta de material super-conductor —generalmente una aleación Nb-Sn y otra deNb-Ti-, que producen los restantes 125 T. Conviene re-cordar aquí, para hacerse una idea de la intensidad de es-tos campos magnéticos, que un Tesla equivale a 10.000Gauss, o sea unas 20.000 veces el campo magnético te-rrestre. Por otra parte, se encuentra en construcción en elNational High Magnetic Field Laboratory, Estado de Flo-

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Fig. 12.-Tren japonés de ¡evitación magnética.

rida (EE. UU.), prácticamente a punto de inaugurarse, elmayor imán del mundo, en el que se alcanzarán los 450Teslas, aproximadamente un millón de veces el magne-tismo terrestre. Intensidades de campo magnético aúnmás altas se pueden obtener en circunstancias bastanteexcepcionales por medio de corrientes pulsadas en breví-simos espacios de tiempo.

Otra característica importante de los superconductoreses la de ser diamagnéticos, esto es, que impiden la entra-da en ellos de un campo magnético o lo expulsan si se en-cuentra en ellos al ser enfriados por debajo de la tempe-ratura de transición. Por esto es posible efectuar con estossuperconductores dispositivos de levitación magnética y,a partir de ellos, se han desarrollado sistemas de trans-porte como trenes, de los que en el aeropuerto de Bir-mingham, en Inglaterra, hubo uno funcionando duran-te algún tiempo. El sistema desarrollado actualmente en

Fig. 13.- Magnetocardiograma hecho con sensores tipo Squid conYbacuo depositado sobre «titanato de estroncio». (Cortesía del pro-

fesor Brabetz, Universidad de Jena, Alemania.)

Fig. 14.- Imagen transaxial del cerebro humano obtenida por re-sonancia magnética nuclear.

Japón (figura 12), todavía en fase experimental, es capazde alcanzar 500 km por hora, velocidad cercana, aunquealgo inferior, a la obtenida por alguno de los trenes con-vencionales denominados «de alta velocidad».

No obstante, muchas de las aplicaciones de estos ma-teriales derivan de sus propiedades magnéticas y, en par-ticular, de unos dispositivos denominados Squid—literal-mente «calamar», acrónimo inglés creado a partir deSuperconducting Quantum Interference Device- que per-miten detectar campos magnéticos muy débiles, tales comolos que se producen en las corrientes cardíacas o cerebra-les. Esto ha permitido desarrollar los magnetocardiogra-mas (figura 13) y los magnetoencefalogramas, que al norequerir contacto directo entre el detector y el pacientesustituirán a los clásicos y actualmente utilizados sistemaseléctricos equivalentes.

Otra aplicación de gran interés también en el área clí-nica es la imaginería de resonancia magnética nuclear(RMN), técnica de observación clínica del cuerpo hu-mano (figura 13) basada en el análisis de la orientación delespín nuclear de los átomos de una especie nuclear mag-nética inocua, como el gadolinio, que para aumentar el con-traste se inyecta en el organismo, al interaccionar con on-das de radio en un campo magnético intenso generadopor medio de un imán superconductor. En el momentoactual, la RMN constituye una de las mejores técnicas deobservación clínica, dada la elevada resolución que conella se consigue (figura 14).

PARA TERMINAR

La historia, decíamos al principio, está llena de ejem-plos de materiales que nos han hecho la vida más agra-dable, pero lo más agradable es pensar que, teniendo en

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cuenta la vitalidad actual de la Ciencia de Materiales, ésta • CATTLOW, R., y CHETHAM, A. K. (ed.), New Trends incontinuará asombrándonos y, a través de los nuevos só- Materials Chemistry, Nato ASI Series, Kluwer Acade-lidos útiles que continuarán descubriéndose, tendremos mic Publishers, Londres, 1997.cada vez más posibilidades de disfrutar de nuestro en- * HARLOW, G.E., The Nature of Diamonds, Cambridgetorno natural. Podemos estar seguros de que los mate- University Press & American Museum of National His-riales seguirán acompañando a la Humanidad en su via- tory> 1998.je a lo largo del tiempo * HAZEN, R. M., The New Alchemists, Times Books, Nue-

va York, 1993.• LlVINGSTONE, J. D., Driving Forcé: The NaturalMagic

BIBLIOGRAFÍA ofMagnets, Harvard University Press, Cambridge (Mass.),1996.

• ALARIO Y FRANCO, M. A., De superconductores y otros . pIJOAN, J., Historia del mundo, Salvar, Madrid, 1969,materiales, Real Academia de Ciencias, Madrid, 1993. Tomo 1.

• ALARIO Y FRANCO, M. A., y VlCENT, J. L , Supercon- . VOILLOT, R, Diamants et Fierres Précieuses, Decouver-ductividad, Eudema Universidad, Madrid, 1991. tes Gallimard, París, 1997.

• AMATO, Stuff, the Materials the World Is Made of, Har- • ZHONGLI, Z., Terracotas Quin, Editorial China Popu-per books, Nueva York, 1997, pág. 18. lar, Pekín, 1997.

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Los Materiales de Las Ceramicas a Los Superconductores,