IX. EFECTOS EN LOS MATERIALES

SABEMOS que la radiaci�n produce ionizaci�n, excitaci�n, desplazamiento at�mico y cambios qu�micos en los materiales. Esto afectar� sus propiedades notablemente, dependiendo de una serie de factores, como cantidad y tipo de radiaci�n, energ�a, rapidez con que se suministra y el tipo de material. En casos como los reactores nucleares, el da�o que la radiaci�n produce en los componentes del reactor puede ser considerable y producir un deterioro r�pido. Entonces se procura usar materiales resistentes a ese da�o, para aumentar as� la vida �til del reactor. Sin embargo, en muchos otros casos se ha logrado el aprovechamiento de la radiaci�n para producir efectos �tiles. Algunos ejemplos son la esterilizaci�n de productos m�dicos, la preservaci�n de alimentos y la vulcanizaci�n de hules. Tambi�n puede considerarse la implantaci�n controlada de iones en una substancia para producir materiales con propiedades novedosas.

Se conoce una gran variedad de efectos producidos en distintas combinaciones radiaci�n-material. Cada uno de ellos merece estudio. Por ejemplo, el tipo de radiaci�n importa principalmente por su penetraci�n y la densidad de ionizaci�n producida: mientras que las part�culas a depositan toda su energ�a en unas cuantas micras del material, los rayos g, en cambio, penetran hasta metros. Desde luego, esta penetraci�n depende de la energ�a de cada uno. Sobre la cantidad de radiaci�n requerida, podemos decir que, en t�rminos generales, con mayor cantidad, mayores efectos, aunque �stos no siempre son aditivos. Adem�s, a veces dependen de qu� tan r�pidamente es suministrada la dosis. Los distintos materiales son afectados tambi�n de manera distinta. Un pl�stico puede ser reducido a polvo con rayos g, pero la misma dosis en un metal no lo afecta notablemente.

Veamos, como ejemplo, una pr�ctica bien establecida desde hace muchos a�os: la esterilizaci�n de productos m�dicos. Sabemos que la radiaci�n deposita energ�a en cualquier material muy eficientemente, y por lo tanto puede romper cualquier enlace qu�mico mejor que el calor o las reacciones qu�micas convencionales. Entonces pueden producirse de este modo reacciones qu�micas muy diferentes a las normales. Cualquier organismo, como bacterias, virus, esporas de hongos o huevecillos de par�sitos, resiente estas reacciones qu�micas, y con ello se logra su destrucci�n. Un mecanismo para esto puede ser que la radiaci�n da�e directamente partes sensibles del microorganismo, como el ADN o alguna membrana vital. Otra posibilidad es que la radiaci�n produzca, en agua u otros materiales, radicales libres que pueden producir nuevos compuestos qu�micos. En el agua, por ejemplo, pueden formarse radicales H y OH, que luego, al reaccionar, forman H₂O₂, per�xido de hidr�geno, por citar el ejemplo m�s sencillo. Al suceder esto millones de veces en un organismo, �ste puede morir. Recordemos que un solo rayo g y su cascada de productos secundarios pueden afectar qu�micamente a miles de mol�culas, as� que el proceso es de alta eficiencia.

En el caso de la esterilizaci�n de productos m�dicos la irradiaci�n compite favorablemente con otros m�todos, como el calentado, el secado, el enfriado o el uso de compuestos qu�micos t�xicos. Por un lado ahorra energ�a. Aunque el costo inicial de un irradiador sea alto, su vida �til es larga y se puede procesar una gran cantidad de productos distintos. Abre la posibilidad de almacenar por largos tiempos productos est�riles, como jeringas y otros objetos desechables. Las jeringas se sellan dentro de peque�as bolsas de pl�stico, luego se irradian para eliminar todo microorganismo, pues la radiaci�n penetra en la bolsa. El producto esterilizado y sellado se puede entonces almacenar, transportar y comercializar, sin que se requiera para su uso m�s que romper la bolsa. El proceso ha venido a desplazar en buena medida a la esterilizaci�n repetida con autoclaves en los hospitales, que es engorrosa y puede no ser confiable. Otra virtud de la irradiaci�n para esterilizar es que no contamina, a diferencia del uso de compuestos qu�micos. La toxicidad de estos compuestos, como el �xido de etileno, es lo que hace que esterilicen, pero despu�s de usarse se tiran, y de un modo o de otro pasan al medio ambiente, para sumarse a la gran gama de desechos qu�micos que poco a poco est�n envenen�ndolo.

Al esterilizar es importante saber cu�les microorganismos se pretende destruir para estimar la dosis necesaria, pues las distintas especies presentan diferentes sensibilidades a la radiaci�n. Aunque lo deseable es una total inactivaci�n del microorganismo, esto no siempre se puede garantizar al 100%. Intervienen diversos factores, como el n�mero de microorganismos presentes en un principio, la dosis recibida, el tiempo de exposici�n y posibles inhomogeneidades en su administraci�n debidas a la forma y tama�o del producto, a la geometr�a del irradiador y a la energ�a de la radiaci�n. Para los diferentes casos hay que establecer factores de riesgo aceptable que permitan regular las condiciones de irradiaci�n. La eficiencia del proceso se ve afectada tambi�n por presencia de ox�geno, humedad y agentes qu�micos que act�an como protectores o sensibilizadores.

La gran variedad de productos m�dicos 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 cirug�a (jeringas, agujas, gasa, guantes, sondas, cat�teres, esponjas, etc.); 2) partes para implantar permanente o temporalmente (v�lvulas, pr�tesis, partes para marcapasos, contraceptivos, corazones artificiales, c�rneas artificiales, clavos, tornillos y otros auxiliares para huesos, etc.); y 3) objetos auxiliares (filtros, m�scaras, vestimenta, material de laboratorio, etc.). Muchos materiales (algunos pl�sticos, metales, vidrio, hules, papel) resisten la irradiaci�n, pues para degradarse necesitar�an dosis mucho m�s altas que las requeridas para esterilizarlas. Se debe verificar de todos modos que mantengan sus propiedades y que no despidan substancias t�xicas. Estos materiales pueden ser usados para el objeto que se desea esterilizar o para empaquetarlo, pues tambi�n la envoltura recibe radiaci�n.

Entre la gran variedad de usos de la radiaci�n destaca uno: la preservaci�n de alimentos. A nivel mundial, como una cuarta parte del alimento producido se desperdicia a causa de la descomposici�n o el mal aprovechamiento. En ciertos casos el desperdicio puede llegar a ser hasta de 70%. Es claro que la conservaci�n de alimentos merece tanta atenci�n como la misma producci�n. Los m�todos m�s comunes para preservarlos son el secado, la fermentaci�n, el envasado, el congelamiento y la fumigaci�n. Algunos de estos m�todos son antiqu�simos. El secado ayuda a preservar granos. La fermentaci�n se usa para producir vinos, cerveza, quesos, y otros productos de larga vida. El envasado y enlatado a alta temperatura ya desempe�a un papel de primera importancia, especialmente para la poblaci�n urbana.

Los alimentos se echan a perder por agentes f�sicos, qu�micos y biol�gicos; estos �ltimos incluyen los efectos de microorganismos e insectos. Cada tipo de alimento tiene su propio modo de descomposici�n dependiendo del microorganismo. Algunos de �stos pueden causar enfermedades y hasta pueden ser mortales, como el que produce el botulismo.

La radiaci�n ataca a los microorganismos, destruy�ndolos totalmente o inhibiendo su crecimiento, dependiendo de la especie y de la dosis. Si �sta es del orden de 2 a 5 kGy (200 a 500 krads), se logra una pasteurizaci�n que permite alargar el tiempo de almacenamiento; si es del orden de 10 kGy (10⁶ rads), se puede almacenar el alimento sin necesidad de refrigeraci�n por largos periodos. Las dosis requeridas var�an de un alimento a otro. Por ejemplo, con dosis de 30 a 100 Gy se logra inhibir la germinaci�n de papas y cebollas. Los insectos y otros par�sitos 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 millon�simo 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 radiaci�n en los alimentos antes de que �stos puedan ser consumidos; incluyen estudios de valor nutritivo y posible producci�n de substancias t�xicas o carcin�genas. Sin embargo, un comit� de expertos de la FAO, el Organismo Internacional de Energ�a At�mica y la Organizaci�n Mundial de la Salud ha determinado que cualquier alimento que haya recibido una dosis hasta de 10 kGy no presenta ning�n riesgo toxicol�gico. Para dosis mayores si es necesario un estudio con cada tipo de alimento. En la actualidad m�s de 20 pa�ses han aprobado el uso de radiaci�n para un buen n�mero de alimentos; algunos de ellos, como el tocino, con dosis hasta de 45 kGy.

Otras cuestiones que se deben aclarar son la aceptaci�n por parte del p�blico y posibles cambios de sabor, consistencia y apariencia. El empaquetamiento tambi�n es importante si se desea un almacenaje largo, para asegurar que no produzca substancias t�xicas y que garantice la conservaci�n. Los costos del proceso deben estudiarse para cada caso en particular. El tipo de alimento, su forma y tama�o y la dosis requerida se consideran al decidir qu� instalaci�n se requiere para irradiar.

El tipo de irradiador m�s com�n es la fuente de rayos g de ⁶⁰Co o de ¹³⁷Cs, y tambi�n 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 radiaci�n es posible proporcionar las dosis requeridas en unos cuantos minutos. Hay varios tipos de instalaci�n de irradiadores, algunos m�viles, otros fijos. En general se requiere un sistema de colocaci�n de la fuente en posici�n 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 m�s que se puede hacer es guardar la fuente dentro de un blindaje seguro cuando no se est� usando. Esto crea la necesidad de una vigilancia permanente y a largo plazo, adem�s de un proceso especial de desecharla cuando ya no se usa.

Si se emplean aceleradores de electrones, �stos 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 s� se encienden y apagan; pero en cambio necesitan una fuente de alimentaci�n poderosa, adem�s de mucho mantenimiento, y siempre hay peligro de descompostura.

La irradiaci�n 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 m�todos de conservaci�n que, habiendo sido desarrollados en �pocas pasadas, a veces hasta prehist�ricas, no hab�a ni conocimiento ni t�cnicas anal�ticas, ni necesidad para corroborar su seguridad. El otro factor es que el uso de la irradiaci�n, si bien no resulta caro por el gran volumen que es posible irradiar con una instalaci�n, obligar�a a modificar los sistemas establecidos y a veces arraigados de distribuci�n, am�n de afectar intereses de intermediarios. Tomemos el ejemplo del pescado. Como conviene efectuar la irradiaci�n lo m�s pronto posible despu�s de la pesca, se abre la posibilidad de tener irradiadores en los buques pesqueros, que podr�an pasar temporadas m�s largas antes de regresar a puerto. Esto implica buques grandes por el peso y tama�o del irradiador, y eliminaci�n de las embarcaciones peque�as. Adem�s, ser�a 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 distribuci�n m�s amplia, barata y segura. Sin embargo, requiere no s�lo la parte t�cnica de la irradiaci�n, sino tambi�n posibles cambios de sistemas de recolecci�n, empaquetado, almacenamiento, transporte y distribuci�n; es decir, una transformaci�n integral del proceso, con la consiguiente coordinaci�n.

Los beneficios que es posible obtener con la irradiaci�n de alimentos provienen no s�lo de reducir desperdicios. En comparaci�n con otros m�todos, como la refrigeraci�n, puede repercutir en el abatimiento de costos, pues consume poca energ�a. Aunque el costo inicial de un irradiador sea grande, dura muchos a�os. Por otro lado, puede tener un buen efecto en el medio ambiente al eliminar la necesidad de aditivos y fumigantes.

En los pol�meros, que incluyen pl�sticos, hule, celulosa y fibras vegetales, la radiaci�n tiene un efecto importante, tanto que hay algunos procesos de producci�n de pol�meros que llevan integrada una etapa de irradiaci�n. Es enorme la variedad que se conoce, e igualmente grande es el n�mero de efectos que les produce la radiaci�n. Hay pol�meros cuyas propiedades mejoran; hay otros que se degradan. Depende del pol�mero, de la dosis, del tipo de radiaci�n, de posibles aditivos y de las condiciones de irradiaci�n, entre otros factores.

Nuevamente puede decirse que el mecanismo b�sico es la formaci�n de iones y radicales libres, que luego provocan reacciones qu�micas al recombinarse. �stas pueden dar lugar a enlaces cruzados o reticulaci�n, que produce cambios en las propiedades del pol�mero. Tambi�n es posible producir la degradaci�n o rompimiento de macromol�culas con la emisi�n de productos vol�tiles. Los tipos de enlace pueden cambiar, por ejemplo, de enlaces sencillos a dobles, y si hay presencia de ox�geno se produce oxidaci�n. �stos son s�lo unos ejemplos de los procesos m�s importantes que se han identificado. De acuerdo con tipo de pol�mero, pueden suceder todos simult�neamente, pero con diferentes intensidades y velocidades.

Las reacciones qu�micas en los pol�meros irradiados desde luego dan lugar a cambios notables en sus propiedades macrosc�picas, como son la cristalinidad, densidad, coeficiente de expansi�n t�rmica, m�dulo 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 corrosi�n y una mayor resistencia a quebrarse. En general, algunas propiedades �tiles que se han observado son, a saber: mayor resistencia a la abrasi�n, mejores propiedades de corte, resistencia a solventes, cambios en la combusti�n, mayor estabilidad mec�nica y nuevas propiedades a altas temperaturas. Se ha observado reticulaci�n en polietileno, polipropileno, poliestireno, PVC, hules, poliamidas, etc. Sin embargo, se pueden dise�ar materiales para aplicaciones espec�ficas; por ejemplo, poniendo aditivos como antioxidantes o retardadores de flama que la irradiaci�n haga resaltar.

Los irradiadores m�s �tiles para pol�meros son los aceleradores de electrones porque la dosis est� muy concentrada. Generalmente se requieren dosis del orden de los 5 kGy o menos. Un aspecto muy importante es c�mo proporcionar la dosis uniformemente a la muestra, sin que su forma y tama�o interfieran. Por ejemplo, al irradiar cable para mejorar la resistencia el�ctrica del recubrimiento, debe tratar de rotarse para que le llegue la radiaci�n 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 atr�s. A veces se usan reflectores met�licos para regresar la radiaci�n que ya atraves� la muestra. Todo esto requiere de una dosimetr�a cuidadosa, tanto en la muestra como para la seguridad del personal. Tambi�n se tiene que dise�ar para cada caso un sistema de transporte de muestras que sea resistente a la corrosi�n, porque la radiaci�n intensa en el aire produce ozono y otros gases corrosivos.

La irradiaci�n de los materiales puede dar lugar a m�ltiples fen�menos, algunas veces insospechados. En la actualidad hay gran cantidad de cient�ficos dedicados a esta qu�mica de radiaciones; entre cuyas aplicaciones, adem�s de las ya mencionadas, se cuentan el curado de pinturas y tintas, producci�n de compuestos de madera y pol�mero, mejoramiento de fibras sint�ticas, producci�n de membranas especiales, degradaci�n de desperdicios, conservaci�n de alimento para ganado, y muchas otras.

Existe una t�cnica de modificaci�n de materiales por radiaci�n que, siendo a�n de desarrollo reciente, ha desempe�ado ya un papel vital en la industria electr�nica: se trata de la implantaci�n de iones. Como su nombre lo indica, consiste en bombardear la superficie de un material con �tomos ionizados provenientes de un acelerador, forz�ndolos a penetrar dentro del material y colocarse a cierta profundidad. En la actualidad es posible tener haces de cualquier ion, desde hidr�geno hasta uranio, si se tiene la fuente de iones apropiada. Adem�s, pueden ser lanzados sobre cualquier material, con lo cual se abre la posibilidad de crear nuevos materiales con propiedades insospechadas. En las reacciones qu�micas convencionales, para que suceda una reacci�n se ponen en contacto los reactivos y tal vez se les eleve la temperatura o se les ponga un catalizador. La reacci�n procede de acuerdo con las leyes de la qu�mica. En cambio, en la implantaci�n de iones se est� forzando una combinaci�n de �tomos con un s�lido, y por ello se producen compuestos que posiblemente no suceder�an de otra manera. Uno puede seleccionar la combinaci�n deseada, gracias a lo cual se deja ver una enorme gama de posibilidades para la creaci�n de nuevos materiales.

Para la implantaci�n de iones generalmente se usan aceleradores (implantadores) de energ�as de entre 10 KeV y 1 MeV. Con estas energ�as los iones pueden penetrar desde 0.01 hasta 1 micra, dependiendo del tipo de ion y del material, as� 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 corrosi�n, fricci�n y dureza superficial. Si despu�s de la implantaci�n se calienta la pieza, es posible que los �tomos implantados se difundan a una mayor profundidad.

En la industria electr�nica moderna, de circuitos integrados, la t�cnica de implantaci�n de iones ha encontrado su mayor utilidad, por haber un ajuste entre las necesidades de los materiales y las caracter�sticas de la t�cnica. Para producir los microcircuitos se requiere introducir impurezas en un cristal (hasta ahora se ha usado casi siempre silicio), las cuales modifican sus propiedades el�ctricas para convertirlo en semiconductor. Con objeto de lograr un gran n�mero de circuitos en una sola oblea se deben introducir control y homog�neamente, y muy cerca de la superficie, entre 10¹² y 10¹⁶ �tomos de impurezas sobre una superficie de 1 cm², dependiendo de la aplicaci�n. Esto se logra f�cilmente con un implantador. Para dar la forma del circuito se cubre con una mascarilla durante la implantaci�n, dejando pasar los iones s�lo a ciertas posiciones. La implantaci�n es mucho m�s exacta que la difusi�n para introducir impurezas, siendo f�cil controlar la cantidad, homogeneidad y profundidad del dep�sito, mediante las se�ales de control que se dan al acelerador.

La implantaci�n de iones en metales a�n no se ha usado extensamente, aunque se ha observado que es ben�fica en ciertos casos, pues aumenta la resistencia a la corrosi�n y oxidaci�n, disminuye el coeficiente de fricci�n y mejora las propiedades de desgaste y fatiga. Todav�a no se usa extensamente, por ser un proceso caro, pero en componentes especiales ha resultado ser �til, por ejemplo, en ciertas partes de maquinaria sujetas a un desgaste exagerado o en r�tulas artificiales para rodillas. Promete ser una buena t�cnica 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 oxidaci�n, pero tambi�n 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 implantaci�n 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 implantaci�n en vez de un recubrimiento, se evitan los problemas de adherencia, pues no hay una interfase marcada.

Durante la implantaci�n de iones se produce da�o en la red cristalina, pues los �tomos incrustados pueden arrojar a los �tomos originales de sus lugares. Estos da�os provocan cambios en las propiedades, cambios que habr� que sumar a los de la implantaci�n misma. Otro efecto es la erosi�n i�nica del material original, pues el golpeo i�nico puede hacer que algunos de los �tomos originales sean despedidos del material. Cuando esta erosi�n es intensa, la superficie original va recediendo. Si el material original es un compuesto, tal vez uno de los elementos sea despedido m�s que el otro, lo cual dar�a lugar a un cambio importante en la composici�n qu�mica. Otro proceso que se ha observado es el mezclado i�nico. En este caso, antes de la implantaci�n se deposita sobre la superficie una capa delgada de una substancia; al ser golpeada por los iones, los �tomos de este recubrimiento se incrustan en el material, y surgen caracter�sticas nuevas.

Muchos de los beneficios que la implantaci�n de iones produce en los materiales tambi�n se pueden crear con una descarga gaseosa, que es la que produce la luz en un tubo de ne�n. Se trata de un recipiente al vac�o al que se le suministra una peque�a cantidad de gas y luego se le aplica un alto voltaje entre dos electrodos que est�n 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 el�ctrica de electrones hacia el �nodo (+) y de iones hacia el c�todo (-). La pieza que se desea modificar se coloca como c�todo, 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 implantaci�n 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 geom�tricas complicadas, pues los iones le llegan al c�todo desde todas direcciones. Las desventajas de esta implantaci�n son que se usan voltajes m�s bajos (100 a 5 000 volts), lo cual redunda en menor penetraci�n, y que no se puede controlar la profundidad de los iones.

Figura 49. Esquema de las partes principales de una descarga gaseosa. Los iones positivos (+) son atra�dos hacia el c�todo, al cual bombardean.

El proceso se ha usado en el Instituto de F�sica de la UNAM para nitrurar aceros, aumentando as� su dureza en la superficie. Se usa como gas una mezcla de nitr�geno con hidr�geno. Los iones de nitr�geno penetran en el acero, que es el c�todo, y como hay un calentamiento, luego se difunden y llegan hasta varios cientos de micras de profundidad. El proceso compite favorablemente con la nitruraci�n convencional, pues es m�s barato en energ�a y en cantidad de gas, no contamina, es m�s r�pido y funciona a temperaturas menores.

La radiaci�n, por lo visto, puede afectar a muchos materiales. Qu� tan importante son estos efectos y qu� tanto los podemos aprovechar son motivos de an�lisis cuidadosos. En ciertos casos ya se usa masivamente, como en la esterilizaci�n de productos m�dicos, en la producci�n de circuitos integrados o en la vulcanizaci�n de hules. Cu�ntos m�s procesos an�logos tendremos en el futuro depender� tanto de nuestro empe�o en investigar la f�sica y la qu�mica de las radiaciones y de los materiales, como de los m�todos de transferencia de tecnolog�a al sector industrial y la aceptaci�n por parte del p�blico.