A partir de 1950, el desarrollo ha sido tan vertiginoso que es imposible seguirle el paso en esta corta introducción. Se descubrieron materiales, procesos, instrumentos, tratamientos y técnicas, tantos y tan variados como el electrovacío, la electrónica de semiconductores y la producción de energía atómica. Todo ello ha llevado a la actual revolución de la robótica y la informática, en la que la metalurgia y los materiales son esenciales. Por lo anterior se comprende que aunque en este breve resumen se ha tratado de presentar los nombres y hechos más importantes, se puede decir “que no están todos los que son, aunque sí son todos los que están”.
1
La femtoestructura
De acuerdo con los conocimientos actuales, se pueden considerar esquemáticamente varios niveles de la estructura de los metales. El más profundo de ellos es el constituido por la estructura interna de las llamadas partículas fundamentales, esto es, los cuarks y sus interacciones. Luego viene el nivel formado por las partículas elementales (fotones, leptones, electrones, mesones, protones, neutrones, hiperones) en estado libre, es decir, cuando no hacen parte de una estructura más compleja. En seguida se tiene el nivel del núcleo atómico, en donde ocurren procesos con energías elevadas dentro de distancias sumamente pequeñas. Después vienen los átomos, de los cuales hacen parte los núcleos como partículas indivisas, en cuyos procesos se encuentran implicadas energías menos elevadas y distancias algo mayores. A continuación se tienen los procesos químicos, que comprenden las reacciones entre los átomos como partículas indivisibles y entre los cuales se produce la inmensa variedad de composiciones y desintegraciones cristalinas. Luego se tienen los movimientos y las transferencias de energía que se dan dentro de los cristales, que constituyen los procesos termodinámicos. Después vienen los procesos macro o de dimensiones visibles a simple vista, entre los cuales están los efectos de los procesos de fabricación. De modo que la estructura debe considerarse en sus dimensiones cuárkicas (femtoestructura), electrónicas y atómicas (picoestructura), cristalinas (nanoestructura), en la organización de las fases (microestructura) y en los efectos de la fabricación y el montaje (macroestructura).
Las diversas maneras de ordenamiento atómico de un material están fundamentalmente determinadas por la intensidad y la direccionalidad de las uniones interatómicas. Cualitativamente, se puede comprender por qué una unión atómica es fuerte o débil, direccional o no direccional, a partir del conocimiento de las energías y de las posiciones de los electrones del enlace con respecto a los centros iónicos cargados en forma positiva. Una disminución pronunciada de las energías genera una unión fuerte o primaria, y una ligera reducción es causa de una unión más débil o secundaria. Se conocen tres casos límite de uniones primarias, llamadas covalente, metálica e iónica, que se distinguen entre sí por la forma en que están localizados en el espacio los electrones de unión. Los casos límites de enlaces secundarios (Van der Waals y puente de H) son imprecisos, pues todos ellos pueden ser considerados en función de débiles atracciones dipolares.
Aunque no es el tema central para un ingeniero de materiales, un conocimiento del modo como se construye la materia desde sus cimientos es fundamental para un profesional que se precia de conocer la estructura de esta. Por tal razón, es conveniente introducir algunos conceptos básicos sobre el modelo estándar, que es una teoría que describe las relaciones entre las interacciones fundamentales conocidas entre las partículas elementales que componen toda la materia. Esta teoría cuántica de campos fue desarrollada entre 1970 y 1973, y es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial. Hasta la fecha, casi todas las pruebas experimentales de las tres fuerzas descritas por el modelo estándar están de acuerdo con sus predicciones. Sin embargo, este modelo no alcanza a ser una teoría completa de las interacciones fundamentales, debido a que no incluye la gravedad, la cuarta interacción básica conocida, y también al número elevado de parámetros numéricos (como masas y constantes que se juntan) que se deben introducir de antemano en la teoría (en vez de derivarse a partir de primeros principios).
Hacia el 450 a. C., Demócrito de Abdera propuso que toda la materia que forma la Tierra y todo lo conocido estaban compuestos de pequeñas partículas indivisibles. Demócrito utilizó la palabra “átomo” (indivisible) para designar a estas supuestas partículas. El hecho de que la materia no fuera continua, sino que estuviera compuesta por átomos es lo que se dio en llamar la teoría atómica. A lo largo de los siglos, esta teoría tuvo muchos defensores y detractores. El trabajo que para muchos cerró definitivamente esta polémica, probando de forma incuestionable la teoría atómica, fue uno de los cinco artículos que Albert Einstein publicó en 1905. Resulta curioso pensar que muy pocos años después se demostrara que tales átomos no eran indivisibles, sino que estaban formados por un núcleo central, en el que residían dos tipos de partículas, llamadas protones y neutrones, y una capa externa de un tercer tipo de partículas, denominadas electrones. Para explicar su configuración se desarrollaron distintos modelos.
El modelo de Niels Bohr era determinista, pero funcionaba muy bien para el átomo de H. En los espectros realizados para otros átomos se observaba que los electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía. Algo andaba mal. La conclusión fue que, dentro de un mismo nivel energético, existían subniveles.
En 1916, Arnold Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones solo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar en órbitas elípticas.
Esto dio lugar a un nuevo número cuántico: el número cuántico azimutal o secundario, que determina la forma de los orbitales. Se lo representa con la letra l y tomó valores que van desde 0 hasta n – 1.
Los modelos atómicos de Bohr y de Sommerfeld nacieron de la combinación de aspectos de la mecánica clásica newtoniana con aspectos de la teoría cuántica de Planck, constituyendo la teoría cuántica antigua.
La imposibilidad de abordar el mundo subatómico con los principios de la mecánica clásica condujo al fracaso de ambos modelos y al desarrollo, en la segunda década del siglo xx, de una nueva mecánica cuántica.
El modelo atómico actual fue desarrollado durante el decenio de los veinte del siglo xx, sobre todo por Erwin Schrödinger y Werner Heisenberg. Es un modelo de gran complejidad matemática, tanta que, al usarlo, solo se puede resolver con exactitud el átomo de H. Para resolver átomos distintos al de H se recurre a métodos aproximados. De cualquier modo, el modelo atómico mecano-cuántico encaja muy bien con las observaciones experimentales. De este modelo sólo diremos que no se habla de órbitas, sino de orbitales. Un orbital es una región del espacio en la que la probabilidad de encontrar al electrón es máxima.
El descubrimiento de la estructura interna del átomo aclaró muchas cosas. En aquellos años, la teoría electromagnética era ya bastante bien conocida y por ella era sabido que los protones, que tenían una carga eléctrica de +1, se atraían con los electrones, que tenían una carga eléctrica de –1. Esto hacía, además, que el número de protones y electrones de un átomo tendiera a igualarse. Quedaba como un misterio, que tardaría todavía algunos años en ser resuelto, por qué los protones y los neutrones permanecían unidos en el núcleo, cuando la fuerza electromagnética entre los protones debería hacer que se repelieran entre sí.
Muchos de los resultados de la química empezaron a estar claros y a ser deducibles de la física. Los diferentes elementos químicos que se conocían se caracterizaban por el número de protones en su núcleo. La tabla periódica cobraba un significado físico muy concreto. Además, la mecánica cuántica empezaba a complicar lo que parecía un elegante esquema de cómo estaba compuesta la materia. Los electrones, protones y neutrones se comportaban a veces como pequeños corpúsculos y a veces como ondas. Igualmente se comprobó que la luz no era una radiación continua, sino que, asimismo, estaba formada por unas partículas llamadas fotones, los que también tenían este doble comportamiento onda-corpúsculo.
Lo anterior sólo confirma que las partículas elementales son algo “muy extraño”. Aunque a veces se puede hacer la imagen mental