Los materiales y las cuatro preguntas esenciales de la Química

¿Qué hacemos con un nuevo material? ¿Qué hace la Química?

Tal vez has escuchado sobre: kriptonita, carbonita, dilitio, energon, unobtainium, mithril, adamantio y vibranio en películas o cómics como Superman, La Guerra de las Galaxias, Star Trek, Transformers, Avatar, El Señor de los Anillos, X-Men y Pantera Negra.

Si alguno de estos materiales apareciera en la Tierra, las metodologías de investigación química nos ayudarían a responder algunas preguntas:

1. ¿Qué son estos extraños o maravillosos materiales? Mediante varios análisis químicos.
2. ¿Cómo lo hago, lo sintetizo? A través de una síntesis química, para reproducir el material o alguna de sus propiedades.
3. ¿Cómo lo cambió? Mediante una transformación química de interés, y
4. ¿Cómo lo explico o predigo? Lo que implica construir modelos para explicar y predecir sus comportamientos y propiedades con la posterior sistematización de la información para su estudio.

Con ayuda de la Química podríamos saber si esos materiales extraterrestres son elementos, compuestos o mezclas y así, caracterizarlos, modelarlos, clasificarlos y sintetizarlos para producirlos en cantidades industriales.

Las propiedades de un material son las características que lo describen y lo definen, hacen que se comporte de un modo determinado ante ciertos estímulos. La materia es de lo que están formados los materiales los cuales pueden ser sustancias o mezclas y el análisis, síntesis, transformación y modelado de ellos dependen en buena medida de las propiedades con las que cuentan o se desea que tengan.

1. Análisis químico de un material extraterrestre

En abril de 2011, la NASA publicó el hallazgo de un nuevo mineral, de origen extraterrestre, al cual llamaron: wasonita. Lo encontraron en un meteorito, el Yamato 691, recuperado en la Antártida, ¡en 1969!

La wasonita es un mineral cuyos componentes son azufre y titanio, con una estructura cristalina única que no ha sido observada en la naturaleza de la Tierra. Resultado que fue publicado un año después del aviso de la NASA, en la revista American Mineralogist.

Encontrar y caracterizar este mineral fue posible gracias a uno de los procesos que construyen el pensamiento químico: el análisis. Específicamente, la NASA empleó técnicas analíticas como el microscopio electrónico de transmisión, para determinar su composición química y su estructura atómica.

2. La síntesis química, una creación intelectual

La síntesis química tiene tanto de formalidad científica como de inspiración artística. La libertad, la imaginación y el riesgo son parte de un proceso de síntesis química. Es una actividad heurística, que implica hallar, inventar, descubrir, arriesgar e ir contracorriente. Muchas veces, la belleza y elegancia aparecen durante el proceso y con los productos obtenidos.

Antes de 1964 se pensaba que no podía existir y que era poco probable la síntesis de una molécula conocida como cubano; esto, con base en estudios teóricos cuyos cálculos lo consideraban inestable.

En 1964, se publican dos artículos que mostraban al mundo científico la existencia del cubano y su estabilidad una vez sintetizado:

📖 Eaton, P. E.; Cole, T. W. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 962. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja01059a072

📖 Eaton, P. E.; Cole, T. W. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 3157. https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja01069a041

Los procesos de síntesis química trasladaron una entidad de lápiz y papel a las mesas de los laboratorios de la Tierra.

3. Transformación, en el laboratorio y en la computadora

Una de las metas centrales de la Química es puramente revolucionaria: la inducción, control y manipulación de los procesos físicos y químicos de transformación de la materia. Tales transformaciones tradicionalmente implican cambios en la composición, estado, estructura u organización de los componentes materiales de un sistema. El interés se centra en el desarrollo de métodos y estrategias para seguir paso a paso tales transformaciones, controlar su direccionalidad y el tiempo que tardan en llevarse a cabo, así como manipular los posibles resultados del proceso. (Talanquer, 2009)

En 2015, Bartosz Grzybowski del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, en Corea del Sur, y la Academia Polaca de Ciencias, desarrolló un software que puede ayudar a los investigadores a planificar nuevas síntesis en un tiempo menor al que normalmente usan. El software se llama Chematica: mapea más de 10 millones de sustancias y las reacciones entre ellas. Los investigadores pueden ingresar una molécula de destino y Chematica determinará, en cuestión de segundos, las mejores vías de síntesis, en función del costo, la disponibilidad del sustrato y el número de pasos.

4. Modelos científicos, modelos químicos

La palabra modelo tiene muchos significados, pero un modelo científico es una representación útil, aunque parcial, simplificada y tentativa de un objeto o proceso del mundo real que se diseña inicialmente para obtener información que no puede ser observada fácilmente o medida directamente. Un modelo científico tiene limitaciones, pero puede servir para describir, explicar u organizar observaciones del objeto, que a su vez permite formular, probar, evaluar predicciones y obtener nuevos datos.

En la Química se usan muchos modelos. Uno de ellos es el modelo corpuscular de la materia, el cual es una simplificación de la teoría cinético-molecular, la cual supone que la materia está formada por partículas en continuo movimiento y que entre ellas hay espacio vacío. Sin embargo, este modelo no puede explicar por qué cada sustancia tiene diferentes propiedades físicas y químicas. Así que se complementa con otro modelo: el modelo atómico, con el cual se pueden mostrar diferencias entre los átomos que forman cada sustancia.

5. El pensamiento químico

Estamos rodeados de materiales y, mediante la ciencia y la tecnología, hemos aprendido a utilizarlos para nuestro beneficio. A través del tiempo, el ser humano ha desarrollado metodologías para crear materiales que nos ayudan a resolver diversos problemas.

Los materiales se clasifican, según sus propiedades, en: metales, cerámicos, vidrios, fibras, plásticos, colorantes, granulares, magnéticos, semiconductores y biológicos, entre muchos otros. ¿Cómo los estudiamos? ¿Cómo acercamos ese conocimiento al público no químico, no erudito, beneficiado y perjudicado por los resultados y productos de la Química?

El pensamiento químico moderno es de gran utilidad para dar respuesta a preguntas fundamentales sobre los materiales y procesos en nuestro mundo. Así, existen cuatro preguntas esenciales, que se pueden convertir en más, a las que la Química busca dar respuesta y las cuales definen cuatro acciones fundamentales en el desarrollo de esta ciencia:

1. ¿Qué es esto? (análisis)
2. ¿Cómo lo hago? (síntesis)
3. ¿Cómo lo cambio? (transformación) y
4. ¿Cómo lo explico o predigo? (modelaje).

El pensamiento químico, entendido como una forma de pensar que incluye conocimientos, modelos, estrategias e instrumentos de la Química, nos ayuda a abordar problemáticas de importancia central en nuestras vidas, particularmente en cuatro áreas: ambiente, vida y salud, fuentes de energía y diseño de materiales. En este sentido, los docentes de Química pre-universitaria tenemos una oportunidad y una responsabilidad.

Referencias

🔗 https://www.degruyter.com/document/doi/10.2138/am.2012.3946/html

🔗 https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja01059a072

🔗 https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja01069a041

🔗 http://revistas.unam.mx/index.php/req/article/view/64177

🔗 https://www.chemedx.org/article/chemical-thinking