20. Química y nuevos materiales

La historia de la ciencia nos revela cómo la química, entendida como la disciplina que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, ha propiciado el desarrollo de materiales cada vez más avanzados y funcionales. Desde las primeras aleaciones metálicas hasta los nanomateriales del siglo XXI, el devenir de la química ha estado íntimamente ligado a la búsqueda de sustancias con características óptimas para la construcción, la industria, la medicina o la electrónica. A continuación se presenta un recorrido cronológico y temático que ilustra los hitos principales de esta evolución.

1. Materiales en la antigüedad y los albores de la alquimia

En las primeras civilizaciones (Egipto, Mesopotamia, China e India), los metales y cerámicas ya eran objeto de manipulación. Datado alrededor del 3000 a.C., el bronce (aleación de cobre y estaño) revolucionó herramientas y armas. Hacia el 1500 a.C., los chinos producían el hierro forjado, y los egipcios desarrollaban el vidrio para adornos y recipientes.

Durante la Edad Media, la alquimia sentó las bases empíricas para la química moderna. Figuras como Geber (Jabir ibn Hayyān, ca. 721–815) y Alberto Magno (1193–1280) estudiaron técnicas de destilación, cristalización y fermentación. A pesar de su componente místico, la alquimia dejó un legado práctico: la obtención de ácidos fuertes (por ejemplo, el ácido sulfúrico en el siglo VIII en Arabia) y técnicas de purificación de metales.

2. La fundación de la química moderna (siglo XVIII–XIX)

En el siglo XVIII, la química se emancipa de la alquimia con Lavoisier (1743–1794). En su obra “Traité Élémentaire de Chimie” (1789) definió el concepto de elemento químico y la ley de conservación de la masa, sentando las bases de la química analítica.

En el siglo XIX se consolida la teoría atómica de John Dalton (1803) y se descubre la electroquímica con Volta (1800) y Faraday (1833). La organización de los elementos en la tabla periódica, propuesta por Dmitri Mendeléiev en 1869, permitió predecir la existencia de materiales aún no sintetizados, favoreciendo la búsqueda de nuevos compuestos y poniendo de manifiesto la conexión entre propiedades atómicas y macroscópicas.

2.1. Cerámicas y vidrios en la Revolución Industrial

La Revolución Industrial (siglo XIX) impulsó la producción masiva de cerámicas estructurales y vidrio plano. En 1887 se patentó el vidrio templado por Alphonse Saint-Gobain, incrementando la resistencia ante impactos y cambios térmicos. También aparecieron las primeras porcelanas técnicas para componentes eléctricos.

3. Química orgánica e inicio de los sintéticos (siglo XIX–XX)

El descubrimiento del anilina por Runge en 1834 y el desarrollo de colorantes sintéticos por William Henry Perkin (1856) inauguraron la química orgánica aplicada a la industria textil. En 1869, Adolf von Baeyer sistematizó la síntesis de compuestos aromáticos. Durante las dos primeras décadas del siglo XX, la industria alemana de químicos finos (BASF, Bayer) lideró la obtención de fibras artificiales: la viscosa (rayón) en 1905 y el celuloide para cinematografía en 1909.

4. El siglo XX y la era de los polímeros

El siglo XX supuso un auténtico “boom” de materiales plásticos y polímeros. Destacan:

• 1920: Invención del polietileno de baja densidad (LDPE) en la Royal Dutch Shell.
• 1935: Wallace Carothers en DuPont sintetiza la nylon, primera fibra sintética por polimerización de la adición. En 1939 se introduce comercialmente el nylon 6,6 para cepillos de dientes y medias femeninas.
• 1938: Roy Plunkett descubre el PTFE (Teflón) mientras investigaba gases de refrigeración. La empresa DuPont patenta el polímero en 1941, destacando por su bajo coeficiente de fricción y alta resistencia térmica.
• 1941: Investigación en PET (polietileno tereftalato), que se convertirá en material para botellas y fibras (terileno).

4.1. Materiales compuestos y fibra de vidrio

En 1932 el químico Édouard Bénédictus patentó un tipo de cristal laminado “inhundible” usando capas de celuloide, precursor de los vidrios de seguridad. Durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrolla la fibra de vidrio para recubrimientos anticalóricos y cascos de buques. En 1958, Giulio Natta describe por primera vez la polimerización en cadena de polipropileno isotáctico, ampliando la gama de plásticos con propiedades mecánicas superiores.

5. Materiales avanzados: semiconductores y superconductores

La química de sólidos cristalinos y la física de semiconductores marcaron la segunda mitad del siglo XX:

• 1947: Invención del transistor en los Laboratorios Bell (Bardeen, Brattain y Shockley), basado en silicio y germanio. Este hito inicia la era de la electrónica moderna.
• 1911 (antes del transistor): Heike Kamerlingh Onnes descubre la superconductividad en mercurio a 4,2 K. No obstante, hasta 1986, con Bednorz y Müller, no se consiguió un superconductor de alta temperatura (óxido de cobre-estroncio-bismuto), a 35 K.

6. Segunda mitad del siglo XX: materiales con propiedades específicas

Los avances químicos permitieron diseñar materiales con resistencia al calor, al desgaste o con capacidades eléctricas y magnéticas controladas:

1. 1965: Stephanie Kwolek sintetiza la Kevlar en DuPont, una fibra aramida con gran resistencia a la tracción y baja densidad, usada en chalecos antibalas y composites aeroespaciales.
2. 1970: Desarrollo de las fibras de carbono en el laboratorio de Union Carbide, mezclando resinas fenólicas con hilado y tratamiento a alta temperatura.
3. 1972: Descubrimiento de los polímeros conductores por Hideki Shirakawa, Alan Heeger y Alan MacDiarmid, premiados con el Nobel en 2000 abren vías a plásticos con conductividad eléctrica para sensores y electrónica flexible.

7. Materiales del siglo XXI: nanotecnología y materiales inteligentes

En 1985, Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley describieron las fullerenos (C60), moléculas de carbono en forma de balón de fútbol. En 1991, Sumio Iijima observa por primera vez los nanotubos de carbono en el laboratorio de NEC. En 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov aislan el grafeno en la Universidad de Manchester, una monocapa de carbono con propiedades mecánicas y electrónicas excepcionales (resistencia, conductividad, transparencia).

Simultáneamente, surgen los materiales inteligentes, capaces de cambiar sus propiedades ante estímulos externos (temperatura, pH, campo magnético). Ejemplos:

• Polímeros con memoria de forma (Nitinol, aleación de Ni-Ti), descubiertos en 1963, masivos en aplicaciones médicas (stents).
• Materiales piezoeléctricos basados en PZT (titanato de plomo-zirconio), esenciales en sensores ultrasónicos.
• Memorias de cambio de fase (PCRAM), polímeros y chalcogenuros que alternan entre amorfo y cristalino con un pulso eléctrico, clave en nuevos dispositivos de almacenamiento.

7.1. Tabla cronológica de algunos materiales clave

En conclusión, la química y la disciplina de los nuevos materiales han recorrido un largo camino, impulsados por la curiosidad científica y las demandas industriales. Cada etapa histórica ha supuesto avances teóricos y tecnológicos, que han permitido desde utensilios de uso cotidiano hasta dispositivos de alta precisión que configuran nuestra era digital y biomédica. El futuro augura materiales aún más inteligentes, sostenibles y adaptativos, fruto de la convergencia entre la química, la física y la ingeniería.

Temática 20. Química y nuevos materiales

Selección de libros recomendados sobre la evolución de la química y el desarrollo de materiales en la historia universal de la ciencia:

1. A History of Chemistry

   James R. Partington (1964)

   Obra clásica en dos volúmenes que recorre desde la alquimia hasta la química moderna, detallando descubrimientos, técnicas y contexto histórico.

   Enlace: https://www.example.com/partington-history

2. The New Science of Strong Materials

   J. E. Gordon (1976)

   Introducción amena a la ciencia de los materiales, explica por qué unos materiales son resistentes y otros frágiles, con ejemplos arquitectónicos e industriales.

   Enlace: https://www.example.com/gordon-materials

3. Stuff Matters: Exploring the Marvelous Materials That Shape Our Man-Made World

   Mark Miodownik (2013)

   Recorrido divulgativo por el mundo de los materiales cotidianos: metales, cerámicas, polímeros y materiales inteligentes.

   Enlace: https://www.example.com/miodownik-stuff

4. Plastic: A Toxic Love Story

   Susan Freinkel (2011)

   Historia del plástico desde su invención hasta su omnipresencia actual, con reflexión sobre su impacto ecológico y social.

   Enlace: https://www.example.com/freinkel-plastic

5. The Disappearing Spoon

   Sam Kean (2010)

   Relatos curiosos y anécdotas sobre los elementos químicos de la tabla periódica, su descubrimiento y su papel en la ciencia y la industria.

   Enlace: https://www.example.com/kean-spoon

6. The Development of Modern Chemistry

   Aaron J. Ihde (1984)

   Estudio del avance de la química desde finales del siglo XVIII hasta mediados del XX, con atención a teorías, técnicas experimentales y evolución conceptual.

   Enlace: https://www.example.com/ihde-development