III. POL�MEROS Y SEMICONDUCTORES

COMO se mencion� en el cap�tulo anterior, el siglo XX parece traer consigo la optimaci�n de los productos de las industrias del carb�n y del petr�leo. En este desarrollo, como en muchos otros o la totalidad, para ser m�s precisos, es la propia naturaleza quien sugiere los pasos iniciales y es el ingenio del hombre el que permite y da lugar a desarrollos que son realmente impresionantes. En la naturaleza existe de manera abundante el elemento carbono, que es la base de lo que denominamos materia org�nica. Este elemento tiene la capacidad de combinarse con �l mismo y con otros elementos en series continuas, de modo que se crean mol�culas muy grandes. De hecho, la vida misma no hubiera sido posible sin esta capacidad del carbono, puesto que toda la materia viviente est� formada por mol�culas gigantes. De hecho, cuando comemos, lo que hace nuestro organismo es absorber mol�culas gigantes de prote�nas, disolverlas y transformarlas en otras mol�culas tambi�n gigantes para alimentarnos. Tratando de imitar a la naturaleza, el hombre ha aprendido a crear mol�culas gigantes en el laboratorio y, de manera industrial, sustituir a las materias org�nicas que se utilizan en la vida cotidiana. A estas cadenas de mol�culas creadas en el laboratorio se les denomina pol�meros sint�ticos, que han hecho posible que sustituyamos en la actualidad materiales tales como la seda, la lana, la piel, la goma, la madera y distintas fibras vegetales; materiales que inicialmente, de una u otra manera, han sido provistos por la propia naturaleza.

Desde cierto punto de vista, hemos sustituido o acelerado el trabajo del gusano de seda, el proceso de trasquila del borrego y el trabajo de los telares.

�INORG�NICO VS. ORG�NICO?

Para poder comprender c�mo el hombre ha llegado a reproducir algunas de las propiedades y caracter�sticas de la materia viviente, resulta indispensable el revisar aunque sea de una manera muy r�pida el desarrollo de la qu�mica, esbozado en los p�rrafos anteriores.

A principios del siglo XIX, la humanidad contaba con los conocimientos siguientes: en 1754, en Edimburgo, Joseph Black hab�a logrado extraer bi�xido de carbono (gas) de la piedra caliza, quedando como residuo cal, la que al quedar expuesta al aire reabsorb�a el mismo gas, volviendo a transformarse en piedra caliza. Aqu� hab�a, por una parte, un indicio de que el aire conten�a bi�xido de carbono y, por otra, la evidencia de un proceso reversible. El propio Black logr� descomponer la mol�cula de carbonato de calcio (CaCo₃) en dos mol�culas m�s peque�as, —cal (CaO) y bi�xido de carbono (C0₂)—, para volverlas a unir y obtener de nuevo CaCO₃.

Alrededor de veinte a�os m�s tarde Joseph Priestley obtuvo "un aire extra�o" en presencia del cual las velas ard�an vivamente y las brasas de le�os o carb�n desprend�an llamas. Este aire extra�o era el ox�geno.

Poco tiempo despu�s Henry Cavendish descubri� el "aire inflamable", gas que se desprend�a al atacar metales con �cido y que al combinarse con el "aire extra�o" produc�a, en presencia de una chispa, una explosi�n y unas gotas de agua en las paredes del recipiente que hab�a alojado a los gases. Este "aire inflamable" es lo que hoy conocemos por hidr�geno, y lo que ocurri� durante la explosi�n fue la s�ntesis de la mol�cula de agua (H20). Sin embargo, no se ten�a a�n conciencia de la existencia del hidr�geno y el ox�geno como elementos, y menos a�n se sab�a la manera en que se combinaban �stos para formar un compuesto: el agua.

Hubo de revisarse entonces lo que la humanidad hab�a desarrollado y hablar nuevamente de los �tomos de Dem�crito y de las teor�as de Robert Boyle, que sosten�a que la materia pod�a estar compuesta de muchos "corp�sculos" en movimiento, y volver a considerar las ideas de Newton acerca de que la materia pod�a estar compuesta por "part�culas s�lidas, macizas, duras, impenetrables y m�viles". As�, en los albores del siglo XIX, John Dalton y Joseph Proust, cada uno por su cuenta, lograron demostrar que algunos elementos qu�micos, al combinarse con otro cualquiera, lo hacen de tal manera que las cantidades de ambos intervienen siempre en proporci�n a sus pesos y ser�n siempre m�ltiplos enteros uno del otro, lo cual, sugiri� Dalton, es explicable s�lo si se supone que los elementos est�n formados por �tomos.

Amadeo Avogadro establece claramente la diferencia entre �tomo y mol�cula, siendo �sta la uni�n de varios �tomos.

En esta �poca, se descubrieron muchos elementos hasta entonces desconocidos, realiz�ndose todo tipo de reacciones qu�micas, pero siempre con materiales minerales, con lo no vivo: agua, sales, metales y gases, sustancias compuestas por mol�culas peque�as, formadas por pocos �tomos. La mayor�a de estas mol�culas se pod�an descomponer en sus elementos, preparar compuestos con ellos y casi siempre hacerlas intervenir en procesos reversibles.

Mientras tanto, los materiales del mundo vivo, la madera, los az�cares, las grasas, aceites, etc., segu�an en el misterio y apenas se sab�a que lo que ten�an en com�n era ser combustibles, carbonizar y tomar parte en procesos qu�micos irreversibles. Antoine Lavoisier se dio a la tarea de investigar estos productos de manera sistem�tica y en esa labor quem� sus objetos de experimentador dentro de una campana, encontrando que invariablemente se produc�a bi�xido de carbono y agua, de lo que dedujo que deber�an contener carbono e hidr�geno; pronto se descubri� que entre los residuos hab�a ox�geno y nitr�geno. M�s y m�s experimentos con sustancias org�nicas llevaron a la conclusi�n de que todas ellas, a pesar de sus notorias diferencias y sin importar su complejidad, estaban compuestas en lo fundamental s�lo por un conjunto de cuatro elementos: carbono (C), hidr�geno (H), ox�geno (O) y nitr�geno (N), los cuales ya hab�an sido aislados de los compuestos del mundo no vivo.

Puestas las cosas así, el camino a seguir estaba trazado; había que combinar, con los procedimientos adecuados, los cuatro elementos CHON para producir lo que la naturaleza ponía en nuestras manos: seda, madera, azúcares, etc. Mucho se intentó y poco o nada se obtuvo, incluso hasta llegó a pensarse en la existencia de algo extra, un elemento misterioso que recibi� el nombre de "fuerza vital" y que pose�an s�lo los compuestos de los mundos animal y vegetal y del que la naturaleza hab�a privado al mundo mineral. Esta tendencia lleg� a cobrar tal importancia que hasta el propio Jacob Berzelius, a quien se debe la distinci�n entre la qu�mica org�nica y la inorg�nica, la notaci�n at�mica por s�mbolos y el descubrimiento del selenio, lleg� a compartir tal idea y a pensar que entre la qu�mica de la materia viviente (la org�nica) y la inorg�nica exist�a un abismo infranqueable. Este fue tal vez el origen de un reto m�s para el intelecto humano: �ser�a posible franquear tal abismo?

DE LO INORG�NICO A LO ORG�NICO

Como suele suceder, fue un disc�pulo de Jacob Berzelius quien dio el primer paso para salvar el abismo que alguna vez mencionara su maestro. En 1828, Friedrich Wohler, trabajando con una soluci�n de cianato de plata y cloruro de amonio, ambos compuestos inorg�nicos, obtuvo cianato de amonio, el cual despu�s de calentado, produjo cristales transparentes e incoloros que resultaron id�nticos en su composici�n química a la urea, principal compuesto orgánico de desecho en la orina. De inmediato escribi� a Berzelius: "Debo decir que puedo hacer urea sin la intervenci�n de un ri��n animal, sea de hombre o de perro." �Se hab�a sintetizado el primer compuesto org�nico fuera de un organismo vivo! �La qu�mica y la biolog�a se hab�an unido!

El abismo empezaba a ser salvado; la teor�a de la fuerza vital se tambaleaba y los logros de los investigadores se suced�an uno a otro con mayor frecuencia. Adolph Kolbe sintetiza el �cido ac�tico, que antes s�lo se encontraba en el vinagre o en destilados de madera y, de pronto, como resultado del trabajo tenaz que caracteriza a los investigadores cient�ficos, surgen los primeros compuestos artificiales. Marcellin Berthelot "fabrica" sustancias grasas parecidas a las grasas naturales, ninguna de las cuales se hallaba en la naturaleza.

Nuevamente se estaba frente a resultados espectaculares sin que se supiera bien a bien qu� estaba sucediendo, es decir, sin tener una teor�a que explicara lo obtenido. La respuesta la encontraron Joseph Gay-Lussac y Berzelius en lo que �ste llamo "is�meros" ('partes iguales'), concepto que puede resumirse en lo siguiente: un grupo id�ntico de �tomos de los mismos elementos puede formar compuestos qu�micos muy diversos, dependiendo de la manera en que se encuentren colocados en la mol�cula. Consecuentemente, mientras mayor sea el n�mero de �tomos en un compuesto, mayor es el n�mero de sus is�meros. De esta manera fue posible entender que el cianato de amonio y la urea, is�meros en f�rmula CH₄N₂O, eran 10 mismo, de modo que lo observado por Wohler fue que el calor aplicado al cianato sirvi� para reacomodar los �tomos para producir urea.

Gay-Lussac hizo otra observaci�n importante: en algunos compuestos (cianuro de hidr�geno (HCN), por ejemplo) hay conjuntos de �tomos (la pareja carbono-hidr�geno en este caso) que ante determinadas reacciones qu�micas pasan de un compuesto a otro sin separarse, es decir, se comportan como si fueran un solo �tomo. A estos conjuntos de dos o m�s �tomos que permanecen fielmente unidos a trav�s de las reacciones qu�micas les llam� "radicales" (ra�z, en lat�n).

A Jean Baptiste Dumas le toc� encontrar la riqu�sima veta de los compuestos del carbono que a�n continuamos explotando. Hizo reaccionar cloro con varias sustancias org�nicas y descubri� en el �tomo de cloro la capacidad de sustituir �tomo por �tomo al hidr�geno. Intent� hacer lo mismo con los parientes directos del cloro, es decir con bromo y yodo y obtuvo resultados similares, de lo que concluy� que en los compuestos org�nicos los elementos pueden ser sustituidos por otros, produci�ndose familias de compuestos de carbono que, a pesar de su parentesco, son muy diferentes entre s�.

Ilustremos estas ideas con un ejemplo muy simple. Uno de los hidrocarburos (compuesto de hidr�geno y carbono) m�s sencillos es el metano, conocido por la mayor�a de las personas por ser el componente principal del combustible para calefacci�n en el hogar. Contiene un �tomo de carbono y cuatro �tomos de hidr�geno. Si se hace uso de la ley de sustituci�n de Dumas y se sustituye uno de los hidr�genos por un cloro, el metano (CH₄) cambia a clorometano (CH₃CI), que es �til como refrigerante y es totalmente in�til como combustible.

Si en vez de tres de los hidr�genos del metano se ponen tres cloros, se obtiene el triclorometano, que no es otra cosa que el cloroformo anest�sico. Finalmente, si en vez de los cuatro �tomos de hidr�geno del metano se colocan cuatro cloros, lo que resulta es un compuesto cuyas propiedades lo hacen �til para extinguir incendios, para quitar manchas y como poderos�simo solvente, cuyo nombre cient�fico es tetracloruro de carbono (CCl₄).

Este ejemplo pone en claro la trascendencia de la qu�mica del carbono en favor de la satisfacci�n de las demandas de la humanidad, pero la permanente inquietud y el quehacer cient�fico ha ido m�s all� y no le ha satisfecho al hombre el que algo funcione, que le sea �til; quiere, necesita, exige conocer c�mo ocurren las cosas, por qu� suceden, para con estas respuestas continuar sirviendo a la humanidad, satisfaciendo sus demandas.

Las preguntas centrales por contestar en la segunda mitad del siglo XIX eran: �C�mo se eslabonan los �tomos de las mol�culas org�nicas y qu� reglas siguen? �C�mo se reflejar�n estas reglas en las propiedades? �Por qu� es posible ir sustituyendo hidr�geno por cloro y obtener compuestos con propiedades tan diversas? �Se podr� continuar haciendo sustituciones?

Las primeras respuestas fueron proporcionadas por el entonces joven qu�mico franc�s Friedrich August Kekul�, en un art�culo publicado en la revista alemana Anales de Qu�mica en 1858. El art�culo tiene como t�tulo: "Sobre la constituci�n y metamorfosis de los compuestos qu�micos y sobre la naturaleza qu�mica del carbono." Kekul� tom� como punto de partida las ideas expuestas en 1852 por Edward Frankland, en las que �ste se�alaba que cada especie de �tomo s�lo puede combinarse con un determinado n�mero de otros �tomos, seg�n su "aptitud" (valencia) para combinarse.

Con esto, todo cobra sentido: un �tomo de hidr�geno que tiene valencia uno, s�lo puede combinarse con otro �tomo m�s; el carbono con valencia cuatro puede combinarse con otros cuatro �tomos, etc. As�, podemos imaginarnos al �tomo de carbono como una esferita con cuatro brazos que le servir�n para enlazarse (combinarse) con los otros �tomos para formar compuestos. Veamos c�mo funciona este modelo y demos comienzo por la mol�cula m�s simple de la que hab�amos hablado p�rrafos atr�s: el metano.

Como ya se mencion�, la mol�cula de metano est� formada por un �tomo de carb�n y cuatro �tomos de hidr�geno (CH₄), y se encuentra representada en la figura 13, donde se aprecia que cada uno de los cuatro brazos del carbono se entrelaza con el brazo disponible del hidr�geno, no dejando posibilidad alguna de otra combinaci�n. Los �tomos de carbono pueden combinarse con cualquier otro �tomo, pero tienen una cierta "predilecci�n" por hacerlo con sus semejantes, con otros carbonos, de modo tal que cuando las condiciones les son propicias se unen a otros �tomos de carbono haciendo cadenas largu�simas de este elemento.

Figura 13. Metano.

 

Pensemos ahora en dos �tomos de carbono. Estos utilizar�n uno de sus brazos para unirse entre s�, qued�ndole a cada uno tres brazos libres para otras uniones (Figura 14).

 

 

Figura 14. Uni�n de dos �tomos de carbono.

 

Si estos brazos los ocupan para unirse con hidr�genos, se tendr� un esquema similar al de la figura 15, que en forma condensada se puede escribir como C₂H₆, f�rmula que representa al etano, un gas que se encuentra en la naturaleza.

 

 

Figura 15. Etano.

 

 

Si agregamos ahora otro carbono, quedan 8 enlaces (brazos) libres, ya que el carbono del centro tendr� ocupados dos de sus brazos en ligarse con los carbonos vecinos. Al ocuparse los brazos restantes con hidr�genos, lo que resulta es el gas propano (C₃H₈), representado en la figura 16, que tal vez sea el m�s conocido de los hidrocarburos, pues forma parte de la mezcla gaseosa que generalmente se usa en las cocinas.

 

Figura 16. Propano.

De esta manera, se puede continuar con este proceso para formar innumerables hidrocarburos, pero el carbono es m�s vers�til y no s�lo se combina con �l mismo y con el hidr�geno, sino que lo hace con muchos otros elementos y de maneras diversas. Un �tomo de carbono, incluso, puede unirse con otro �tomo de carbono utilizando dos o hasta tres de sus brazos, dando como resultado compuestos distintos. En la figura 17 se muestra el esquema de un enlace doble entre carbonos. Al saturarse cada brazo libre del carbono con hidr�geno, se obtiene el etileno, compuesto que proporciona la naturaleza en el petr�leo y el gas natural.

 

 

Figura 17. Etileno.

 

 

 

Figura 18. Acetileno.

 

En la figura 17 se muestra el esquema de un enlace doble entre carbonos. Al saturarse cada brazo libre del carbono con hidr�geno, se obtiene el etileno, compuesto que proporciona la naturaleza en el petr�leo y el gas natural.

Cuando dos �tomos de carbono ocupan tres de sus brazos para unirse entre s� y saturan el brazo que les queda libre con hidr�geno (Figura 18), se tiene un compuesto altamente explosivo que recibe el nombre de acetileno.

Antes de pasar a discutir algunos ejemplos de combinaciones con otros �tomos distintos del hidr�geno, hagamos la siguiente pregunta: �Las uniones en los hidrocarburos, necesariamente har�n cadenas lineales? La respuesta es NO y, de hecho, al establecerse cadenas no lineales las propiedades de los compuestos resultan harto distintas, a tal punto que se pueden distinguir claramente dos grupos o familias: la familia de las grasas, que comprende compuestos como ceras, jabones, glicerina, lubricantes, detergentes y alcoholes, denominados alif�ticos, cuya unidad b�sica es el metano. La otra es la familia de los arom�ticos, que son compuestos extremadamente vol�tiles, reactivos, muy olorosos y cuyo elemento b�sico es el benceno, mol�cula en forma de anillo con seis �tomos de carbono que se ligan entre s� por enlaces simples y dobles en forma alternada, saturando sus brazos libres con hidr�genos (Figura 19), y cuya expresi�n condensada es C₆H₆

Es innegable que el mundo de las mol�culas compuestas por �tomos de carb�n e hidr�geno (hidrocarburos) es amplio y de gran utilidad para la humanidad, pero en la naturaleza est�n presentes otros muchos elementos, de tal forma que cuando �stos se combinan con los hidrocarburos, el espectro de posibilidades de nuevos compuestos para emplearse en las m�s diversas aplicaciones es realmente enorme.

Para nosotros, habitantes del planeta Tierra en el final del siglo XX, este mundo de los pl�sticos nos resulta harto familiar, al punto que ni siquiera somos conscientes de la enorme cantidad de objetos y productos que tienen su origen en el petr�leo, y nos resulta sorprendente cuando nos enteramos de que el acetato de ray�n, el acril�n, el dacr�n o el orl�n usados en la fabricaci�n de prendas de vestir; el acetato de etilo o el alcohol et�lico utilizados como disolventes de lacas y la aspirina o las sulfas que alguna vez habremos tomado para reestablecer nuestra salud son todos ellos derivados del etileno (C₂H₄), el cual es un gas incoloro e inodoro.

Sin duda alguna todos y cada uno de nosotros hemos tenido entre nuestras manos recipientes de pl�stico para muy diversos usos y habremos observado que unos son mas r�gidos que otros, caracter�stica que se aprovecha para su aplicaci�n, pues mientras que los recipientes r�gidos se utilizan generalmente para envasar l�quidos muy ligeros, los que no lo son se destinan para sustancias un tanto "pastosas" como la salsa de tomate, la mostaza, el champ�, etc., en los cuales el deformar la botella contribuye a que el contenido salga m�s f�cilmente.

Figura 19. Benceno.

 

Pues bien, ambos recipientes est�n hechos de lo mismo: polietileno. Su composici�n qu�mica es la misma y, sin embargo, su comportamiento es distinto. Surge de inmediato la pregunta: �Qu� es entonces lo que hace la diferencia en el comportamiento de este material?

En repetidas ocasiones hemos insistido en la importancia que en un material tiene la estructura, y este es un ejemplo claro. Lo que hace la diferencia en el comportamiento mec�nico (y t�rmico tambi�n) entre ambos tipos de polietileno, es la manera en que se juntan sus cadenas moleculares, cada una de las cuales se forma por la uni�n de miles de mon�meros de etileno. De aqu� proviene su nombre: polietileno (poli: muchos).

Los pol�meros son mol�culas formadas mediante la repetici�n sucesiva de un mismo grupo de �tomos. A este grupo de �tomos se le denomina mon�mero.

El polietileno r�gido tiene sus mol�culas no ramificadas (Figura 20(a)), mientras que el polietileno que se presenta m�s flexible tiene sus mol�culas en cadenas ramificadas (Figura 20(b)), lo cual impide que las mol�culas gigantes se alineen en filas compactas, dando como resultado un pl�stico que, adem�s de ser m�s flexible, es menos denso y m�s maleable al calor.

Con el ejemplo anterior, se pone en evidencia que en el comportamiento y caracter�sticas de un pl�stico en su presentaci�n final no s�lo es importante la composici�n qu�mica de los materiales que intervienen, sino tambi�n la forma de la cadena y el alineamiento de la misma.

En un pol�mero, los mon�meros que lo constituyen se unen entre s� como los eslabones de una cadena y, como en �sta, existen posibilidades de ramificarse, cerrarse, enlazarse, alinearse, etc. Dependiendo de la manera como est�n hechos los eslabones, la cadena puede ser flexible o r�gida (Figura 21). Estas posibilidades de estructura de la cadena polim�rica y las combinaciones que se obtengan es lo que dar� las propiedades del pol�mero en su forma final.

Figura 20.

 

Figura 21.

 

 

 

Figura 22.

 

 

Figura 23.

 

Esto da lugar a una verdadera ingenier�a de mol�culas y abre la posibilidad de dise�ar y construir materiales (en este caso polim�ricos) a la medida, al gusto del consumidor, adecuados a la demanda de la humanidad.

Ejemplifiquemos con el polietileno que, como mencionamos p�rrafos atr�s, es una mol�cula de las m�s peque�as y simples en el inmenso mundo de los hidrocarburos. Si con ella hacemos una cadena no ramificada como la que se muestra en la figura 20(a), obtendremos polietileno de baja densidad y flexible, cuyo punto de fusi�n se encuentra alrededor de los 134°C, ideal para ser utilizado en la fabricaci�n de las bolsas que nos suministran en cualquier tienda de autoservicio.

Si a esta cadena le ponemos ramificaciones como las mostradas en la figura 20(b), pero sin permitir que �stas lleguen a unir una parte de la cadena principal con otra, entonces lo que se obtiene es un polietileno con punto de fusi�n ligeramente menor y, finalmente, cuando las ramificaciones llegan a unir dos regiones de la cadena, entonces se obtiene una elevaci�n del punto de fusi�n hasta de 200°C aproximadamente. Pero a�n hay otra posibilidad: si las mol�culas de polietileno se alinean como lo muestra la figura 21(a), entonces lo que se obtiene es polietileno de alta densidad, con punto de fusi�n alto y mayor rigidez mec�nica.

Resulta evidente que el espectro de aplicaciones es ampl�simo y m�s a�n si exploramos la posibilidad de incorporar otras mol�culas y combinarlas entre s�. Tal es el caso de la mezcla poliestireno-polietileno que origina una cadena desalineada como la mostrada en la figura 21(b) y que por sus caracter�sticas resulta ideal para la fabricaci�n de juguetes, implementos caseros y tantos objetos de uso com�n hoy en d�a.

Para finalizar este cap�tulo y con el prop�sito de mostrar la gran variedad de aplicaciones de los hidrocarburos, en la figura 22 se muestra un diagrama de los principales compuestos obtenidos de la refinaci�n del petr�leo.

La figura 23 muestra esquem�ticamente algunos productos derivados del benceno. Obs�rvese, por ejemplo, que la aspirina forma parte de ellos, al igual que la resina de fibra de vidrio.

DE LA MANO CON LOS POL�MEROS

Dec�amos que en este siglo ha sido impresionante la manera en que se desarrollaron los pol�meros, cuyos primeros productos tuvieron su origen en el siglo pasado. En forma pr�cticamente paralela se desarrollaron los semiconductores, que en la actualidad son dispositivos de uso totalmente generalizado. Podr�amos decir que no existe un solo lugar en el mundo urbano o aun rural donde no est�n presentes.

La primera observaci�n importante sobre semiconductores se debe a Michael Faraday, quien observ�, en 1833, que a diferencia de los metales, en general buenos conductores de la electricidad y cuya resistencia aumenta al aumentar la temperatura, el sulfato de plata presentaba un decremento en resistencia al aumentar la temperatura. Pocos a�os m�s tarde, en 1839, Becquerel observ� que al iluminar la superficie de ciertos materiales aparec�a un voltaje, lo que vino a complementarse con la observaci�n de W. Smith en 1873 sobre la reducci�n de resistencia en el selenio al ser iluminado, fen�meno conocido como fotoconductividad. Un a�o m�s tarde se da a conocer el hecho de que en ciertos materiales la relaci�n lineal entre el voltaje y la corriente, conocida como ley de Ohm, no se cumple, sino que �sta depende tanto de la magnitud como del signo del voltaje aplicado. Es decir, se est� frente al fen�meno de rectificaci�n. F. Braun lo observa en contactos entre metales y varios sulfatos o sulfuros como la galena y las piritas y A. Schuster lo encuentra en contactos entre conductores de cobre opacos y brillantes.

La conductividad el�ctrica, en general, se ha logrado explicar en t�rminos de la movilidad de los electrones en el material. As�, por ejemplo, en un cristal met�lico, los electrones de valencia (los m�s externos de cada �tomo) no est�n atados a un sitio particular en la red cristalina sino que son libres de moverse a trav�s del cristal. Esto da cuenta del porqu� los metales son buenos conductores el�ctricos. Por otra parte, en los cristales covalentes como el diamante, por ejemplo, los electrones de valencia est�n ocupados en establecer las ligaduras que determinan la estructura del cristal y por tanto no est�n libres para moverse; consecuentemente, no hay cargas disponibles para la conducci�n y los materiales as� formados son aislantes. Algo similar ocurre con los cristales i�nicos como el cloruro de sodio (NaCl), por ejemplo, en el que no hay cargas libres de moverse y el NaCl s�lido es un aislante. Sin embargo, cuando se funde la sal, los iones dejan de estar atados a los sitios del cristal y pueden moverse; entonces, el NaCl fundido es un buen conductor.

Otro hecho importante es la dependencia que observa la conductividad de todos los materiales con la temperatura. Para los aislantes aumenta con la temperatura, mientras que para los buenos conductores disminuye cuando la temperatura aumenta.

LOS SEMICONDUCTORES

Como lo implica el nombre, la resistividad el�ctrica de un semiconductor es intermedia entre la de un buen conductor y la de un buen aislante, pero como lo mencionamos, este es s�lo uno de los aspectos interesantes de estos materiales.

Ejemplificaremos estos materiales con los casos m�s simples: el germanio y el silicio. Ambos elementos tienen cuatro electrones en su capa electr�nica m�s externa y cristalizan en estructura de diamante (Figura 24). Como puede observarse, cada �tomo est� en el centro de un tetraedro regular ligado por covalencia con cuatro vecinos cercanos en las esquinas, de modo tal que sus cuatro electrones externos est�n ocupados y por tanto los materiales deber�n ser aislantes.

Figura 24.

Sin embargo, las ligaduras de estos �tomos se rompen muy f�cilmente, de modo que con una peque��sima cantidad de energ�a es posible liberar electrones para que deambulen por la red cristalina. Al arrancar de la ligadura covalente uno de estos electrones, se genera un agujero de electr�n que lucir� como una carga positiva, agujero que de inmediato ser� ocupado por otro electr�n de un �tomo vecino, generando de nuevo otro agujero y as� sucesivamente, de modo tal que los agujeros viajar�n por la red cristalina dando origen a una corriente de agujeros. Obs�rvese que esta corriente se ha generado por medio de la adici�n de energ�a al sistema y no ha habido adici�n de cargas, de modo que el n�mero de electrones es igual al n�mero de agujeros y, no obstante, hay corriente el�ctrica. Por ello, a esta conductividad se le denomina conductividad intr�nseca.

Un s�mil �til para entender la conducci�n en un semiconductor es el siguiente: imaginemos un cristal sin ligaduras rotas, como un estacionamiento de autom�viles completamente lleno. En sus pisos inferiores ning�n auto (electr�n) se puede mover pues no tiene a donde ir. De pronto, un autom�vil del primer piso ocupado decide subir a alguno de los pisos superiores donde s� hay espacio, y puede moverse libremente. Entonces, se ha creado un hueco que pasar� a ocupar otro autom�vil, el que a su vez dejar� un hueco. Si observamos los huecos, nos parecer� que son �stos los que se est�n moviendo. Si agregamos a nuestra analog�a la condici�n de que los autom�viles s�lo pueden ocupar algunos niveles espec�ficos en el estacionamiento debido a que, por ejemplo, ciertos pisos est�n reservados para el due�o del edificio y por tanto son niveles prohibidos, habremos a�adido el concepto de cuantizaci�n del sistema, creando un modelo de bandas de energ�a que consta de grupos de niveles energ�ticos separados por "bandas prohibidas".

Esto fue, grosso modo, lo que propuso A. H. Wilson en 1931 como modelo para un s�lido semiconductor intr�nseco, que vino a ser la culminaci�n de todo un conjunto de investigaciones anteriores.

En 1888, H. Hertz demuestra la existencia de las ondas de radio, descubrimiento que genera la demanda de detectores adecuados que, despu�s de 16 a�os de b�squeda, son hallados en los semiconductores de contacto puntual, tales como galena, carburo de silicio, telurio, silicio, etc. Se encontr� que los detectores de silicio eran los m�s estables, y los de galena los m�s sensibles.

Los tubos al vac�o (bulbos), que tambi�n se desarrollaron en la misma �poca, tuvieron un progreso vertiginoso, relegando a los semiconductores hasta 1920, cuando surgieron los rectificadores de �xido de cobre y la fotocelda, que encontraron aplicaciones industriales inmediatas en cargadores de bater�as, expos�metros para fotograf�as, moduladores y elementos no lineales en circuitos electr�nicos. Sin embargo, no se ten�a un conocimiento claro de su funcionamiento, lo que hubo de esperar hasta el advenimiento de la mec�nica cu�ntica y las aplicaciones de �sta al estudio de los s�lidos. Con esta poderos�sima herramienta fue posible explicar que, por ejemplo, la rectificaci�n y el fotovoltaje son fen�menos de superficie que ocurren en la interfase de dos semiconductores o entre un semiconductor y los contactos met�licos; mientras que el mecanismo de conductividad el�ctrica da origen al coeficiente de resistividad de temperatura negativa y al cambio de resistencia bajo iluminaci�n (fotoconductividad), que son propiedades que derivan del cuerpo como un todo y no s�lo de la superficie.

Los experimentos de C. J. Davisson y L. H. Gerner y los de G. D. Thomson, que condujeron a demostrar la naturaleza ondulatoria de los electrones, los conceptos de niveles de energ�a con un electr�n por nivel, esp�n electr�nico, principio de exclusi�n de Pauli y estad�stica de Fermi-Dirac, fueron de gran ayuda para que A. Sommerfield y colaboradores lograran esclarecer la conducci�n el�ctrica en los metales. El concepto de electr�n como onda de Bloch en un cristal fue definitivo para entender el comportamiento de los electrones en todo tipo de s�lidos.

LAS IMPUREZAS OTRA VEZ PRESENTES

En p�ginas anteriores vimos c�mo una peque�a cantidad de carb�n adicionada al hierro dio origen al acero, que result� ser m�s vers�til que el hierro mismo. Algo similar ha ocurrido con los semiconductores intr�nsecos: una peque�a cantidad de un elemento ajeno aumenta la conductividad el�ctrica en relaci�n con la conductividad del elemento puro.

Si al germanio fundido se le agrega una cantidad peque�a de ars�nico y se deja solidificar la mezcla, ocurre lo siguiente: el ars�nico tiene cinco electrones en su capa m�s externa y una carga el�ctrica de 33 veces la carga del electr�n en su n�cleo, mientras que el germanio tiene cuatro electrones externos y 32 veces la carga del electr�n en su n�cleo, de modo que, siendo tan similares los �tomos, el ars�nico puede sustituir al germanio en la red cristalina, ocupando cuatro de sus electrones de valencia en ligarse covalentemente a sus cuatro vecinos cercanos, quedando pr�cticamente suelto el quinto electr�n disponible para participar en la conductividad el�ctrica. Por supuesto que adem�s existe la conductividad producida por los agujeros que describimos con anterioridad, pero ciertamente es minoritaria comparada con la de los electrones de la impureza y por esta raz�n se dice que el material es un semiconductor tipo n, de impurezas negativas o donadores.

Si en vez de utilizar ars�nico para "envenenar" al germanio utilizamos galio, que tiene s�lo tres electrones en su capa m�s externa, lo que ocurre es que le "roba" un electr�n a su vecino m�s cercano, creando un agujero de electr�n, gener�ndose una situaci�n completamente equivalente a la de la conductividad intr�nseca, pero ahora generada por una impureza. A este tipo de semiconductores se les denomina tipo p, de impurezas positivas o aceptadores. La variaci�n del contenido de impurezas se traduce en el control de la conductividad en un semiconductor, y la combinaci�n de �stos hace posible la realizaci�n de muchas funciones que en el pasado se realizaban mediante tubos al vac�o (bulbos), con las ventajas de reducci�n considerable de tama�o, mejor aprovechamiento de la energ�a y robustez mec�nica.

Despu�s del descubrimiento del transistor en 1948, la tendencia mundial ha sido la miniaturizaci�n de los componentes electr�nicos, lo cual permite hacer cada vez m�s especializados los equipos. El ritmo al que se ha desarrollado esta miniaturizaci�n es realmente impresionante, como puede deducirse de los datos siguientes: para 1960, la l�nea m�s estrecha que pod�a trazarse en un circuito era de 30 micr�metros, es decir treinta millon�simos de metro. Veinticinco a�os despu�s, es posible trazar un ancho de s�lo medio micr�metro (.5 m) que equivale a una ciento cincuentava parte del grueso de un cabello humano. Esto ha permitido la construcci�n de chips que contienen m�s de 100 000 transistores para la realizaci�n a alta velocidad de operaciones l�gicas en las computadoras, y chips para almacenar hasta 16 millones de bits de informaci�n (un bit o d�gito binario es la unidad fundamental de informaci�n en computadoras y es equivalente al resultado de escoger entre dos alternativas excluyentes: "s�" o "no", "prendido" o "apagado").