IX. EFECTOS EN LOS MATERIALES
S
ABEMOS
que la radiación produce ionización, excitación, desplazamiento atómico y cambios químicos en los materiales. Esto afectará sus propiedades notablemente, dependiendo de una serie de factores, como cantidad y tipo de radiación, energía, rapidez con que se suministra y el tipo de material. En casos como los reactores nucleares, el daño que la radiación produce en los componentes del reactor puede ser considerable y producir un deterioro rápido. Entonces se procura usar materiales resistentes a ese daño, para aumentar así la vida útil del reactor. Sin embargo, en muchos otros casos se ha logrado el aprovechamiento de la radiación para producir efectos útiles. Algunos ejemplos son la esterilización de productos médicos, la preservación de alimentos y la vulcanización de hules. También puede considerarse la implantación controlada de iones en una substancia para producir materiales con propiedades novedosas.Se conoce una gran variedad de efectos producidos en distintas combinaciones radiación-material. Cada uno de ellos merece estudio. Por ejemplo, el tipo de radiación importa principalmente por su penetración y la densidad de ionización producida: mientras que las partículas a depositan toda su energía en unas cuantas micras del material, los rayos g, en cambio, penetran hasta metros. Desde luego, esta penetración depende de la energía de cada uno. Sobre la cantidad de radiación requerida, podemos decir que, en términos generales, con mayor cantidad, mayores efectos, aunque éstos no siempre son aditivos. Además, a veces dependen de qué tan rápidamente es suministrada la dosis. Los distintos materiales son afectados también de manera distinta. Un plástico puede ser reducido a polvo con rayos g, pero la misma dosis en un metal no lo afecta notablemente.
Veamos, como ejemplo, una práctica bien establecida desde hace muchos años: la esterilización de productos médicos. Sabemos que la radiación deposita energía en cualquier material muy eficientemente, y por lo tanto puede romper cualquier enlace químico mejor que el calor o las reacciones químicas convencionales. Entonces pueden producirse de este modo reacciones químicas muy diferentes a las normales. Cualquier organismo, como bacterias, virus, esporas de hongos o huevecillos de parásitos, resiente estas reacciones químicas, y con ello se logra su destrucción. Un mecanismo para esto puede ser que la radiación dañe directamente partes sensibles del microorganismo, como el
ADN
o alguna membrana vital. Otra posibilidad es que la radiación produzca, en agua u otros materiales, radicales libres que pueden producir nuevos compuestos químicos. En el agua, por ejemplo, pueden formarse radicales H y OH, que luego, al reaccionar, forman H2O2, peróxido de hidrógeno, por citar el ejemplo más sencillo. Al suceder esto millones de veces en un organismo, éste puede morir. Recordemos que un solo rayo g y su cascada de productos secundarios pueden afectar químicamente a miles de moléculas, así que el proceso es de alta eficiencia.En el caso de la esterilización de productos médicos la irradiación compite favorablemente con otros métodos, como el calentado, el secado, el enfriado o el uso de compuestos químicos tóxicos. Por un lado ahorra energía. Aunque el costo inicial de un irradiador sea alto, su vida útil es larga y se puede procesar una gran cantidad de productos distintos. Abre la posibilidad de almacenar por largos tiempos productos estériles, como jeringas y otros objetos desechables. Las jeringas se sellan dentro de pequeñas bolsas de plástico, luego se irradian para eliminar todo microorganismo, pues la radiación penetra en la bolsa. El producto esterilizado y sellado se puede entonces almacenar, transportar y comercializar, sin que se requiera para su uso más que romper la bolsa. El proceso ha venido a desplazar en buena medida a la esterilización repetida con autoclaves en los hospitales, que es engorrosa y puede no ser confiable. Otra virtud de la irradiación para esterilizar es que no contamina, a diferencia del uso de compuestos químicos. La toxicidad de estos compuestos, como el óxido de etileno, es lo que hace que esterilicen, pero después de usarse se tiran, y de un modo o de otro pasan al medio ambiente, para sumarse a la gran gama de desechos químicos que poco a poco están envenenándolo.
Al esterilizar es importante saber cuáles microorganismos se pretende destruir para estimar la dosis necesaria, pues las distintas especies presentan diferentes sensibilidades a la radiación. Aunque lo deseable es una total inactivación del microorganismo, esto no siempre se puede garantizar al 100%. Intervienen diversos factores, como el número de microorganismos presentes en un principio, la dosis recibida, el tiempo de exposición y posibles inhomogeneidades en su administración debidas a la forma y tamaño del producto, a la geometría del irradiador y a la energía de la radiación. Para los diferentes casos hay que establecer factores de riesgo aceptable que permitan regular las condiciones de irradiación. La eficiencia del proceso se ve afectada también por presencia de oxígeno, humedad y agentes químicos que actúan como protectores o sensibilizadores.
La gran variedad de productos médicos que se prestan para ser irradiados se puede clasificar en los siguientes grupos: 1) objetos de contacto directo con el paciente durante el examen o la cirugía (jeringas, agujas, gasa, guantes, sondas, catéteres, esponjas, etc.); 2) partes para implantar permanente o temporalmente (válvulas, prótesis, partes para marcapasos, contraceptivos, corazones artificiales, córneas artificiales, clavos, tornillos y otros auxiliares para huesos, etc.); y 3) objetos auxiliares (filtros, máscaras, vestimenta, material de laboratorio, etc.). Muchos materiales (algunos plásticos, metales, vidrio, hules, papel) resisten la irradiación, pues para degradarse necesitarían dosis mucho más altas que las requeridas para esterilizarlas. Se debe verificar de todos modos que mantengan sus propiedades y que no despidan substancias tóxicas. Estos materiales pueden ser usados para el objeto que se desea esterilizar o para empaquetarlo, pues también la envoltura recibe radiación.
Entre la gran variedad de usos de la radiación destaca uno: la preservación de alimentos. A nivel mundial, como una cuarta parte del alimento producido se desperdicia a causa de la descomposición o el mal aprovechamiento. En ciertos casos el desperdicio puede llegar a ser hasta de 70%. Es claro que la conservación de alimentos merece tanta atención como la misma producción. Los métodos más comunes para preservarlos son el secado, la fermentación, el envasado, el congelamiento y la fumigación. Algunos de estos métodos son antiquísimos. El secado ayuda a preservar granos. La fermentación se usa para producir vinos, cerveza, quesos, y otros productos de larga vida. El envasado y enlatado a alta temperatura ya desempeña un papel de primera importancia, especialmente para la población urbana.
Los alimentos se echan a perder por agentes físicos, químicos y biológicos; estos últimos incluyen los efectos de microorganismos e insectos. Cada tipo de alimento tiene su propio modo de descomposición dependiendo del microorganismo. Algunos de éstos pueden causar enfermedades y hasta pueden ser mortales, como el que produce el botulismo.
La radiación ataca a los microorganismos, destruyéndolos totalmente o inhibiendo su crecimiento, dependiendo de la especie y de la dosis. Si ésta es del orden de 2 a 5 kGy (200 a 500 krads), se logra una pasteurización que permite alargar el tiempo de almacenamiento; si es del orden de 10 kGy (106 rads), se puede almacenar el alimento sin necesidad de refrigeración por largos periodos. Las dosis requeridas varían de un alimento a otro. Por ejemplo, con dosis de 30 a 100 Gy se logra inhibir la germinación de papas y cebollas. Los insectos y otros parásitos dejan de reproducirse con 30 a 200 Gy y son destruidos con 50 a 5 000 Gy. Con 1 a 10 kGy se logra reducir a un millonésimo la cantidad de bacterias y esporas, y con l0 a 40 kGy los virus.
Hay una serie de estudios que se deben efectuar sobre los efectos de la radiación en los alimentos antes de que éstos puedan ser consumidos; incluyen estudios de valor nutritivo y posible producción de substancias tóxicas o carcinógenas. Sin embargo, un comité de expertos de la FAO, el Organismo Internacional de Energía Atómica y la Organización Mundial de la Salud ha determinado que cualquier alimento que haya recibido una dosis hasta de 10 kGy no presenta ningún riesgo toxicológico. Para dosis mayores si es necesario un estudio con cada tipo de alimento. En la actualidad más de 20 países han aprobado el uso de radiación para un buen número de alimentos; algunos de ellos, como el tocino, con dosis hasta de 45 kGy.
Otras cuestiones que se deben aclarar son la aceptación por parte del público y posibles cambios de sabor, consistencia y apariencia. El empaquetamiento también es importante si se desea un almacenaje largo, para asegurar que no produzca substancias tóxicas y que garantice la conservación. Los costos del proceso deben estudiarse para cada caso en particular. El tipo de alimento, su forma y tamaño y la dosis requerida se consideran al decidir qué instalación se requiere para irradiar.
El tipo de irradiador más común es la fuente de rayos g de 60Co o de 137Cs, y también se usan aceleradores de electrones, ya sea que se usen los electrones directamente o los rayos X que producen al chocar con un elemento pesado. Las fuentes de rayos g deben ser de alta intensidad; generalmente son de entre 25 000 Ci y 1 000 000 Ci. Con esta cantidad de radiación es posible proporcionar las dosis requeridas en unos cuantos minutos. Hay varios tipos de instalación de irradiadores, algunos móviles, otros fijos. En general se requiere un sistema de colocación de la fuente en posición de irradiar, un blindaje para almacenar la fuente cuando no se usa, un transportador de alimentos que los haga circular junto a la fuente por el tiempo necesario, un sistema de blindaje para el personal y un sistema de control y seguridad. Hay que advertir que estos irradiadores no se pueden encender ni apagar. Lo más que se puede hacer es guardar la fuente dentro de un blindaje seguro cuando no se está usando. Esto crea la necesidad de una vigilancia permanente y a largo plazo, además de un proceso especial de desecharla cuando ya no se usa.
Si se emplean aceleradores de electrones, éstos generalmente tienen voltajes de entre dos y cinco millones de volts y corrientes del orden de miliamperes, de modo que puedan proporcionar decenas de kilowatts de potencia en forma de haz. Los aceleradores sí se encienden y apagan; pero en cambio necesitan una fuente de alimentación poderosa, además de mucho mantenimiento, y siempre hay peligro de descompostura.
La irradiación de alimentos ha avanzado lentamente en virtud de dos factores. El primero es que ha sido sujeta a un gran escrutinio para demostrar su seguridad, a diferencia de otros métodos de conservación que, habiendo sido desarrollados en épocas pasadas, a veces hasta prehistóricas, no había ni conocimiento ni técnicas analíticas, ni necesidad para corroborar su seguridad. El otro factor es que el uso de la irradiación, si bien no resulta caro por el gran volumen que es posible irradiar con una instalación, obligaría a modificar los sistemas establecidos y a veces arraigados de distribución, amén de afectar intereses de intermediarios. Tomemos el ejemplo del pescado. Como conviene efectuar la irradiación lo más pronto posible después de la pesca, se abre la posibilidad de tener irradiadores en los buques pesqueros, que podrían pasar temporadas más largas antes de regresar a puerto. Esto implica buques grandes por el peso y tamaño del irradiador, y eliminación de las embarcaciones pequeñas. Además, sería posible que el empaquetado se hiciera a bordo para evitar contaminaciones posteriores. Con este proceso se puede almacenar durante dos o tres veces mas tiempo, y ello permite una distribución más amplia, barata y segura. Sin embargo, requiere no sólo la parte técnica de la irradiación, sino también posibles cambios de sistemas de recolección, empaquetado, almacenamiento, transporte y distribución; es decir, una transformación integral del proceso, con la consiguiente coordinación.
Los beneficios que es posible obtener con la irradiación de alimentos provienen no sólo de reducir desperdicios. En comparación con otros métodos, como la refrigeración, puede repercutir en el abatimiento de costos, pues consume poca energía. Aunque el costo inicial de un irradiador sea grande, dura muchos años. Por otro lado, puede tener un buen efecto en el medio ambiente al eliminar la necesidad de aditivos y fumigantes.
En los polímeros, que incluyen plásticos, hule, celulosa y fibras vegetales, la radiación tiene un efecto importante, tanto que hay algunos procesos de producción de polímeros que llevan integrada una etapa de irradiación. Es enorme la variedad que se conoce, e igualmente grande es el número de efectos que les produce la radiación. Hay polímeros cuyas propiedades mejoran; hay otros que se degradan. Depende del polímero, de la dosis, del tipo de radiación, de posibles aditivos y de las condiciones de irradiación, entre otros factores.
Nuevamente puede decirse que el mecanismo básico es la formación de iones y radicales libres, que luego provocan reacciones químicas al recombinarse. Éstas pueden dar lugar a enlaces cruzados o reticulación, que produce cambios en las propiedades del polímero. También es posible producir la degradación o rompimiento de macromoléculas con la emisión de productos volátiles. Los tipos de enlace pueden cambiar, por ejemplo, de enlaces sencillos a dobles, y si hay presencia de oxígeno se produce oxidación. Éstos son sólo unos ejemplos de los procesos más importantes que se han identificado. De acuerdo con tipo de polímero, pueden suceder todos simultáneamente, pero con diferentes intensidades y velocidades.
Las reacciones químicas en los polímeros irradiados desde luego dan lugar a cambios notables en sus propiedades macroscópicas, como son la cristalinidad, densidad, coeficiente de expansión térmica, módulo de elasticidad, y permeabilidad a los gases. En el polietileno, por ejemplo, se ha observado un aumento de la estabilidad a altas temperaturas, un aumento de la resistencia a corrosión y una mayor resistencia a quebrarse. En general, algunas propiedades útiles que se han observado son, a saber: mayor resistencia a la abrasión, mejores propiedades de corte, resistencia a solventes, cambios en la combustión, mayor estabilidad mecánica y nuevas propiedades a altas temperaturas. Se ha observado reticulación en polietileno, polipropileno, poliestireno, PVC, hules, poliamidas, etc. Sin embargo, se pueden diseñar materiales para aplicaciones específicas; por ejemplo, poniendo aditivos como antioxidantes o retardadores de flama que la irradiación haga resaltar.
Los irradiadores más útiles para polímeros son los aceleradores de electrones porque la dosis está muy concentrada. Generalmente se requieren dosis del orden de los 5 kGy o menos. Un aspecto muy importante es cómo proporcionar la dosis uniformemente a la muestra, sin que su forma y tamaño interfieran. Por ejemplo, al irradiar cable para mejorar la resistencia eléctrica del recubrimiento, debe tratar de rotarse para que le llegue la radiación por todos lados y el alambre no haga sombra. La misma muestra absorbe electrones, de modo que la dosis puede no ser la misma en el frente que atrás. A veces se usan reflectores metálicos para regresar la radiación que ya atravesó la muestra. Todo esto requiere de una dosimetría cuidadosa, tanto en la muestra como para la seguridad del personal. También se tiene que diseñar para cada caso un sistema de transporte de muestras que sea resistente a la corrosión, porque la radiación intensa en el aire produce ozono y otros gases corrosivos.
La irradiación de los materiales puede dar lugar a múltiples fenómenos, algunas veces insospechados. En la actualidad hay gran cantidad de científicos dedicados a esta química de radiaciones; entre cuyas aplicaciones, además de las ya mencionadas, se cuentan el curado de pinturas y tintas, producción de compuestos de madera y polímero, mejoramiento de fibras sintéticas, producción de membranas especiales, degradación de desperdicios, conservación de alimento para ganado, y muchas otras.
Existe una técnica de modificación de materiales por radiación que, siendo aún de desarrollo reciente, ha desempeñado ya un papel vital en la industria electrónica: se trata de la implantación de iones. Como su nombre lo indica, consiste en bombardear la superficie de un material con átomos ionizados provenientes de un acelerador, forzándolos a penetrar dentro del material y colocarse a cierta profundidad. En la actualidad es posible tener haces de cualquier ion, desde hidrógeno hasta uranio, si se tiene la fuente de iones apropiada. Además, pueden ser lanzados sobre cualquier material, con lo cual se abre la posibilidad de crear nuevos materiales con propiedades insospechadas. En las reacciones químicas convencionales, para que suceda una reacción se ponen en contacto los reactivos y tal vez se les eleve la temperatura o se les ponga un catalizador. La reacción procede de acuerdo con las leyes de la química. En cambio, en la implantación de iones se está forzando una combinación de átomos con un sólido, y por ello se producen compuestos que posiblemente no sucederían de otra manera. Uno puede seleccionar la combinación deseada, gracias a lo cual se deja ver una enorme gama de posibilidades para la creación de nuevos materiales.
Para la implantación de iones generalmente se usan aceleradores (implantadores) de energías de entre 10 KeV y 1 MeV. Con estas energías los iones pueden penetrar desde 0.01 hasta 1 micra, dependiendo del tipo de ion y del material, así que el tratamiento es esencialmente superficial. Puede uno esperar que sean las propiedades superficiales del material las que se vean afectadas por el proceso, propiedades como resistencia a la corrosión, fricción y dureza superficial. Si después de la implantación se calienta la pieza, es posible que los átomos implantados se difundan a una mayor profundidad.
En la industria electrónica moderna, de circuitos integrados, la técnica de implantación de iones ha encontrado su mayor utilidad, por haber un ajuste entre las necesidades de los materiales y las características de la técnica. Para producir los microcircuitos se requiere introducir impurezas en un cristal (hasta ahora se ha usado casi siempre silicio), las cuales modifican sus propiedades eléctricas para convertirlo en semiconductor. Con objeto de lograr un gran número de circuitos en una sola oblea se deben introducir control y homogéneamente, y muy cerca de la superficie, entre 1012 y 1016 átomos de impurezas sobre una superficie de 1 cm², dependiendo de la aplicación. Esto se logra fácilmente con un implantador. Para dar la forma del circuito se cubre con una mascarilla durante la implantación, dejando pasar los iones sólo a ciertas posiciones. La implantación es mucho más exacta que la difusión para introducir impurezas, siendo fácil controlar la cantidad, homogeneidad y profundidad del depósito, mediante las señales de control que se dan al acelerador.
La implantación de iones en metales aún no se ha usado extensamente, aunque se ha observado que es benéfica en ciertos casos, pues aumenta la resistencia a la corrosión y oxidación, disminuye el coeficiente de fricción y mejora las propiedades de desgaste y fatiga. Todavía no se usa extensamente, por ser un proceso caro, pero en componentes especiales ha resultado ser útil, por ejemplo, en ciertas partes de maquinaria sujetas a un desgaste exagerado o en rótulas artificiales para rodillas. Promete ser una buena técnica para ahorrar materiales, pues si se desean ciertas propiedades en la superficie, no es necesario que sea tratado todo el volumen. Un ejemplo es el acero inoxidable, al cual el cromo le da la resistencia a la oxidación, pero también eleva el costo. Si se implanta cromo en la superficie se puede obtener la misma propiedad pero a bajo costo por el ahorro de cromo. En los metales se requieren de 1014 a 1018 iones por cm2, por lo que se necesitan haces intensos para alcanzar estas dosis. Por otro lado, las demandas de homogeneidad no son tan severas como en los semiconductores.
Algunas otras ventajas de tipo general que tiene la implantación de iones son las siguientes: sucede a bajas temperaturas, se evitan deformaciones de la pieza, no hay materiales de desperdicio y es posible un control preciso de la profundidad. Cuando se usa la implantación en vez de un recubrimiento, se evitan los problemas de adherencia, pues no hay una interfase marcada.
Durante la implantación de iones se produce daño en la red cristalina, pues los átomos incrustados pueden arrojar a los átomos originales de sus lugares. Estos daños provocan cambios en las propiedades, cambios que habrá que sumar a los de la implantación misma. Otro efecto es la erosión iónica del material original, pues el golpeo iónico puede hacer que algunos de los átomos originales sean despedidos del material. Cuando esta erosión es intensa, la superficie original va recediendo. Si el material original es un compuesto, tal vez uno de los elementos sea despedido más que el otro, lo cual daría lugar a un cambio importante en la composición química. Otro proceso que se ha observado es el mezclado iónico. En este caso, antes de la implantación se deposita sobre la superficie una capa delgada de una substancia; al ser golpeada por los iones, los átomos de este recubrimiento se incrustan en el material, y surgen características nuevas.
Muchos de los beneficios que la implantación de iones produce en los materiales también se pueden crear con una descarga gaseosa, que es la que produce la luz en un tubo de neón. Se trata de un recipiente al vacío al que se le suministra una pequeña cantidad de gas y luego se le aplica un alto voltaje entre dos electrodos que están en contacto con el gas, como se indica en la figura 49. Al aplicar el voltaje, el gas se ioniza, produciendo luz y una corriente eléctrica de electrones hacia el ánodo (+) y de iones hacia el cátodo (-). La pieza que se desea modificar se coloca como cátodo, y los iones del gas, acelerados por el alto voltaje, la bombardean y se incrustan en ella. A fin de cuentas, el proceso es semejante a una implantación de iones. Tiene la ventaja de que se puede aplicar el procedimiento a piezas grandes, el costo del equipo es modesto y se puede llevar a cabo en formas geométricas complicadas, pues los iones le llegan al cátodo desde todas direcciones. Las desventajas de esta implantación son que se usan voltajes más bajos (100 a 5 000 volts), lo cual redunda en menor penetración, y que no se puede controlar la profundidad de los iones.
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Figura 49. Esquema de las partes principales de una descarga gaseosa. Los iones positivos (+) son atraídos hacia el cátodo, al cual bombardean.
El proceso se ha usado en el Instituto de Física de la
UNAM
para nitrurar aceros, aumentando así su dureza en la superficie. Se usa como gas una mezcla de nitrógeno con hidrógeno. Los iones de nitrógeno penetran en el acero, que es el cátodo, y como hay un calentamiento, luego se difunden y llegan hasta varios cientos de micras de profundidad. El proceso compite favorablemente con la nitruración convencional, pues es más barato en energía y en cantidad de gas, no contamina, es más rápido y funciona a temperaturas menores.La radiación, por lo visto, puede afectar a muchos materiales. Qué tan importante son estos efectos y qué tanto los podemos aprovechar son motivos de análisis cuidadosos. En ciertos casos ya se usa masivamente, como en la esterilización de productos médicos, en la producción de circuitos integrados o en la vulcanización de hules. Cuántos más procesos análogos tendremos en el futuro dependerá tanto de nuestro empeño en investigar la física y la química de las radiaciones y de los materiales, como de los métodos de transferencia de tecnología al sector industrial y la aceptación por parte del público.
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