¿Cuántos estados de la materia hay?

En 1994 comenzaba un programa de investigación de seis años de duración en un conjunto de aceleradores de partículas del CERN, en Ginebra. Consistía en siete experimentos en los que se iban a utilizar iones –átomos que han perdido parte de sus electrones– de plomo y de oro.Como bien han aprendido los físicos desde mediados del siglo XX, la mejor forma para explorar el interior de la materia es lanzar átomos y partículas subatómicas unos contra otros a altísimas velocidades. Si el material empleado en las colisiones está compuesto por elementos más pequeños, se romperá y se podrán ver los productos de deshecho. De igual modo, las tremendas energías liberadas permiten la aparición de otras partículas subatómicas que no existían antes del choque por obra y gracia de la ecuación más famosa de la física, E = mc².

En este caso, una de las razones para llevar a cabo este conjunto de experimentos de colisiones de plomo contra plomo y plomo contra oro era recrear lo que sucedió en nuestro universo justo unas millonésimas de segundo después de la Gran Explosión, cuando tenía una temperatura 100.000 veces la del interior de nuestro Sol, esto es, del orden de cien mil millones de grados centígrados. Y lo que encontraron fue un nuevo estado de la materia, 20 veces más denso que el núcleo atómico: el plasma de gluón-quark.Quarks y gluones son los constituyentes fundamentales de la materia. No hemos sabido nada de ellos hasta la década de 1960 porque se encuentran confinados dentro de los protones y neutrones –la partículas que compone el núcleo atómico–. En esencia, un protón (o un neutrón) está compuesto por tres quarks que se mantienen unidos gracias a ese pegamento subatómico que son los gluones. Únicamente a esas impresionantes temperaturas se puede romper esa ligazón que los mantiene unidos y observarlos en libertad, formando una amalgama informe: el plasma gluón-quark.

Más de tres son multitud
Imaginemos que tenemos un cazo con hielo y lo ponemos al fuego. A medida que le comunicamos calor el hielo se va fundiendo pasando a agua líquida. Si seguimos calentando veremos cómo empieza a hervir, pasando a vapor de agua. Sólido, líquido y gaseoso: los tres estados de la materia que nos enseñaron en la escuela. Ahora bien, ¿qué ocurre si recogemos ese vapor en una olla y seguimos calentando? ¿Seguiremos teniendo vapor de agua? Ya sabemos que no: cuando lleguemos a unos cien mil millones de grados centígrados obtendremos el plasma gluón-quark. No obstante, en el trayecto nos encontraremos con un estado de agregación de la materia más. El cuarto.

Puede resultar sorprendente, pero si nos preguntaran cuál es el estado de la materia más abundante nuestra respuesta no sería ni el sólido, ni el líquido ni tan siquiera el gaseoso: es el plasma (y que no debemos confundir con el plasma gluón-quark). El 99% de la materia del universo observable se encuentra en este estado: el núcleo de las estrellas, los chorros de gas que desprenden ciertas galaxias, la parte de la atmósfera que recibe el nombre de ionosfera, las auroras polares, los rayos, la luces de neón, las llamas de una hoguera, las pantallas de ciertas televisiones… En esencia, lo que sucede es lo siguiente. A medida que subimos la temperatura de nuestra olla, las moléculas de agua empiezan a chocar con violencia entre sí, hasta que se rompen en sus átomos constituyentes, hidrógeno y oxígeno. Si seguimos calentando, las colisiones –esta vez entre átomos– se irán sucediendo cada vez con más violencia. Y será cuando alcancemos a unos 10.000ºC el momento en que la violencia de los impactos arrancarán los electrones de sus órbitas y nos quedará una sopa de núcleos atómicos y electrones libres; un plasma.

Por supuesto, la forma práctica de generar un plasma es otra. En un tubo fluorescente se consigue mediante descargas eléctricas, donde el plasma alcanza una temperatura de 20.000ºC. En los experimentos sobre fusión nuclear, con una serie de láseres de alta potencia se alcanzan el millón de grados.Ahora bien, no todo se termina aquí. ¿Quién no ha sabe lo que son los cristales líquidos? Si uno lo piensa bien, escuchar a alguien hablar de cristales líquidos resulta sorprendente. No es fácil unir ambas palabras si se tiene en cuenta lo que cada una de ellas significa. Sin embargo, y aunque su conocimiento sigue siendo en cierta manera limitado, los cristales líquidos los encontramos en los objetos más cotidianos: calculadoras, relojes, juegos electrónicos, ordenadores personales, televisores, salpicaderos de coches… Sin duda, en casi todos los hogares se dispone de varios equipos que tienen dispositivos de visualización, los conocidos displays, cuyos componentes activos son de cristal líquido. También podemos encontrarlos en los paneles de información en aeropuertos o estaciones, las ventanas que cambian de traslúcidas a opacas, en fotocopiadoras o en proyectores. Y lo más sorprendente, también se encuentran en sitios tan dispares como los cosméticos, los indicadores de temperatura o los tejidos resistentes al fuego o a los impactos, que deben sus propiedades a la característica que tienen algunos compuestos químicos de presentar este nuevo estado de agregación de la materia.

Sabemos que el paso de una sustancia de un estado a otro está regulado principalmente por la temperatura. El hielo se transforma en agua líquida a 0^o, y ésta se transforma en vapor de agua, un gas, a 100^o. Sin embargo, no todas las sustancias se comportan como el agua. En algunos casos la transición de sólido a líquido no es directa, sino que se verifica atravesando un estado intermedio entre ambas fases: es el estado de cristal líquido. El primero en observar un cristal líquido fue el botánico austriaco Friedrich Reinitzer en 1888, cuando vio que el benzoato de colesterilo (una sustancia sólida derivada del colesterol) formaba un líquido turbio cuando lo calentaba hasta su temperatura de fusión. Al seguir calentando, la turbidez persistía hasta que a cierta temperatura el líquido se volvía transparente. Poco tiempo después se descubrieron otras sustancias que presentaban el mismo comportamiento y pronto se demostró que ese nuevo estado de la materia poseía propiedades intermedias entre las de los sólidos y las de los líquidos. Y en esto precisamente radica su interés: reúne ciertas características de los sólidos cristalinos junto con ciertas propiedades de los líquidos. Por este motivo, en 1889 el físico alemán Otto Lehmann los llamó “cristal líquido” o “líquido cristalino”.

Algo más que sólido
En 1995, mientras un equipo internacional de físicos alcanzaba en un acelerador las temperaturas mas altas jamás obtenidas, un grupo del Joint Institute for Laboratory Astrophysics, JILA, en Boulder, Colorado, hacía justamente lo contrario. Era la culminación a un esfuerzo de dos décadas por parte de los científicos de todo el mundo por comprobar experimentalmente una predicción hecha hace casi 80 años por Albert Einstein y el hindú Satyendra Nath Bose. A temperaturas normales, los átomos de un gas se distribuyen por todo el volumen del recipiente que los contiene. Pero a temperaturas extremadamente bajas, del orden de unas pocas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto (situado a 273,16 grados bajo cero), los átomos pierden su identidad individual (resulta imposible distinguirlos) y se comportan como si fueran un único “superátomo”: es el condensado de Bose-Einstein (CBE), el estado de la materia que se encuentra por debajo del sólido.

El grupo de JILA consiguió enfriar 2.000 átomos de rubidio por debajo de cien mil millonésimas de grados absolutos durante 10 segundos, creando el primer condensado de Bose-Einstein de la historia.Ir a la caza de las temperaturas más bajas, por debajo de la temperatura a la cual se encuentra el universo (3 grados absolutos o –270 ºC), es uno de los entretenimientos de una peculiar especie de científicos que se llaman físicos de la materia condensada. Este, en apariencia, inocente juego ha permitido descubrir nuevas e increíbles propiedades de algunos materiales, como la superconductividad o la superfluidez del helio.

Los materiales superconductores son un cierto tipo de compuestos que, por debajo de una temperatura, llamada temperatura crítica, no ofrecen ninguna resistencia al paso de la electricidad. Esto hace que no se calienten y que, por tanto, se disipe parte de la energía eléctrica en forma de calor (el llamado efecto Joule, fundamento de estufas y calentadores eléctricos). Hace más de una década las temperaturas a las que había que bajar eran del orden de 250 grados bajo cero. Pero entonces se descubrieron, de forma totalmente casual, unos materiales cerámicos que se volvían superconductores a 150 bajo cero. A estos se les llama superconductores de altas temperaturas.

Por otro lado, el helio se vuelve superfluido si alcanzamos los 2 grados absolutos (-271 ºC). Al igual que en el caso de la resistencia eléctrica, líquidos como el agua, y en mayor grado el champú o la miel, presentan oposición al fluir: es la viscosidad, producto del rozamiento entre las moléculas del sólido y las de la superficie sobre las que resbalan. Lo mismo le ocurre al helio líquido. Ahora bien, por debajo de su temperatura crítica –2,2 grados absolutos– su viscosidad desaparece, convirtiéndose en superfluido. Esto hace que podamos ver cómo el helio literalmente sube por las paredes del vaso que lo contiene y se derrama en el exterior. Este hecho tiene unas aplicaciones tecnológicas importantes, como es la localización de microagujeros en conductos y tuberías. Como no roza, el helio superfluido se puede colar por cualquier agujero, sea del tamaño que sea.

Supercrítico
La materia puede ser superconductora, superfluida y… supercrítica. Quizá no sea habitual escuchar estas dos palabras, fluido supercrítico, pero es lo que se encuentra detrás de toda la tecnología que lleva al supermercado el café descafeinado o los extractos de apio o jengibre.

Sustancias tan comunes como el agua, el metanol o el dióxido de carbono, cuando se les somete a presiones y temperaturas por encima de unos ciertos valores, adquieren simultáneamente propiedades de los líquidos y de los gases que los hace muy útiles para la obtención, separación, purificación o tratamiento de muchos productos. La cuestión esencial es que los así denominados fluidos supercríticos poseen densidades próximas a la de los líquidos, por lo que disuelven muchas sustancias, mientras que, como gases que realmente son, pueden penetrar fácilmente dentro de materiales porosos y arrastrar fuera la sustancia que nos interese.

Para entenderlo pen­semos en cómo se evapora el agua. Si calentamos un balde lleno, al alcanzar los 100 ºC empieza a hervir. Esto no quiere decir que el agua siempre hierva a esa temperatura. Como todos los líquidos, lo hace cuando se dan cierto par de valores de tempera­tura y presión. En condiciones nor­males, con una presión atmosférica típica, la temperatura de ebullición es de 100 ºC. Si queremos evitar que hierva debemos aumen­tar la presión sobre ella, obligando a las moléculas de agua a estar tan apreta­das que no puede escapar ninguna de la superficie del líquido. Si seguimos aumentando la temperatura, también tendremos que au­men­tar la presión para impedir que el agua se ponga a hervir. Esta pelea entre la temperatura y la presión termina cuando se alcanza a un punto llamado el punto crítico del agua, el punto para el cual la presión ya es incapaz de impedir la ebullición. En el caso del agua, si la tempera­tura sube por encima de 374,2 ºC nada puede impedir que hierva. Para este valor concreto la presión que mantiene el agua líquida es 218,3 veces la pre­sión atmosférica ordinaria. A estos valores se les llama presión y tempera­tura críticas. Por encima tenemos agua supercrítica. Al igual que el vapor, el agua supercrítica ocupará todo el volumen del reci­piente que la contenga. Lo más asombroso es que este agua disuelve sustancias, lo mismo que el agua líquida.

Esto que acabamos de describir le ocurre a todo líquido, solo que la temperatura y presión críticas depende del tipo de líquido. Para el caso de dióxido de car­bono, sus valores críticos son 31 ºC y 73 veces la presión atmosférica ordina­ria, lo que lo convierte en el fluidos supercrítico más utilizado. Un interesante pro­piedad de algunos fluidos supercríticos es que disuelven mejor una sustan­cias que otras, por lo que pueden utilizarse para extraer algunas partes de una mezcla compleja. Esto es lo que pasa con el café: el dióxido de carbono supercrítico extrae la cafeína del café y deja intacto el resto.

El mayor éxito comercial de los fluidos supercríticos se ha dado en la industria del procesado de alimentos. El café descafeinado apareció en la década de los 70, cuando investigadores del instituto alemán Max Planck descubrieron cómo eliminar la cafeína del café. En 1978 empezó a funcionar la primera planta industrial europea para descafeinado a la que siguió pronto una de extracción de lúpulo y otra de descafeinado de té. Otras grandes aplicaciones del dióxido de carbono supercrítico en la industria alimentaria son la extracción de especias y aromas, como los extractos de apio, jengibre, pimienta, romero, salvia y vainilla. Y en esta época de alimentación sana los fluidos supercríticos son capaces de eliminar el colesterol de la mantequilla y el 80% de la grasa y el 95% de colesterol de los huevos.