IV. LOS MATERIALES HOY

LA INVESTIGACION sobre materiales es en nuestros d�as una de las disciplinas m�s cultivadas. En este libro he querido hacer �nfasis en el aspecto social que presenta la ciencia-ingenier�a de materiales. A lo largo del mismo se ha comentado con insistencia que en la actualidad la ciencia-ingenier�a de materiales se enfoca a la satisfacci�n de las demandas de la humanidad mediante la creaci�n de materiales hechos a la medida. Consecuentemente, el estado actual de la investigaci�n atiende tanto a necesidades de la humanidad de orden muy general como a requerimientos muy particulares de ciertas comunidades.

En el primer caso se obtienen resultados universalmente aplicables y en el segundo soluciones de importancia local y que pudieran tener poco sentido para otra comunidad.

Son muchos los ejemplos �tiles para dar un panorama general sobre el estado actual y las perspectivas de la ciencia-ingenier�a de materiales. De entre ellos he escogido tres temas de gran relevancia a nivel mundial y que actualmente se desarrollan con muy buen �xito en los laboratorios del Instituto de Investigaciones en Materiales de la Universidad Nacional Aut�noma de M�xico (IIM-UNAM).

ALEACIONES CON MEMORIA DE FORMA

La primera vez que uno escucha que un pedazo de material ha "aprendido" algo, no puede menos que prepararse a escuchar alg�n cuento tradicional o de ciencia ficci�n en el que los objetos inanimados se mueven por s� solos, hablan y aprenden. La disposici�n a escuchar la fantas�a se incrementa cuando se nos afirma que, una vez que el material ha aprendido algo, es capaz de recordarlo. Sin embargo, nuestra curiosidad por dicha narraci�n se convierte en curiosidad cient�fica cuando podemos presenciar el experimento siguiente: Una cinta de material similar al lat�n, en forma de semic�rculo, se aproxima a una flama. Pronto empieza a enderezarse hasta tomar la forma de una regla, es decir, ahora est� recta. A continuaci�n se le sumerge en un vaso que contiene agua y s�bitamente se curva para tomar su forma inicial de semic�rculo. El experimento se repite una y otra vez, y la cinta invariablemente "recuerda" que cuando est� en presencia de una flama (60°C) debe estar recta, y que cuando est� expuesta al ambiente (20°C) debe tomar la forma de semic�rculo.

Si ahora se nos preguntase el nombre que le asignar�amos a tan sorprendente fen�meno, estoy seguro que el m�s apropiado ser�a: "memoria de forma doble", pues el material guarda memoria de las formas que debe adoptar cuando se encuentre a dos temperaturas bien determinadas. �Qu� es lo que provoca que el material se comporte de esta manera?

Microsc�picamente, el llamado efecto memoria de forma consiste en el desplazamiento de los �tomos en ciertas aleaciones cuando �stas se enfr�an bruscamente. T�cnicamente se trata de un cambio de fase denominado transformaci�n martens�tica, de la cual ya se habl� en este libro al tratar el "misterio" de los aceros de Damasco. Cuando hablamos sobre ellos, mencionamos como responsable de su dureza a un proceso de transformaci�n de una fase estable a alta temperatura (austen�tica) a otra fase, generalmente metaestable, llamada martens�tica, que ocurre como consecuencia del enfriamiento brusco. Esta transformaci�n tiene la particularidad de llevarse a efecto sin difusi�n, es decir, sin migraci�n de mol�culas. Lo que ocurre es simplemente un desplazamiento de �tomos en forma organizada, de modo que la estructura cristalina se modifica.

Si bien fue el acero el primer material en el que se observ� este tipo de transformaci�n, no es el �nico en el que ocurre, y tal proceso cobra particular significaci�n cuando se observa en aleaciones no ferrosas como n�quel-titanio, en la que se traduce en el efecto memoria de forma. Adem�s, en estas aleaciones es posible obtener la transformaci�n martens�tica no s�lo mediante cambios de temperatura sino tambi�n por esfuerzo mec�nico Consid�rese, por ejemplo, una tira (plaqueta) de la aleaci�n n�quel-titanio en fase austen�tica (A) a la temperatura T₁ Figura 25 (a)). Mediante enfriamiento r�pido pasemos la muestra a su fase martens�tica (M) y tendremos la (Figura 25 (b)), en la que la tira tendr� la misma forma geom�trica pero estar� en una fase distinta (martens�tica) y a temperatura T₂. Si en esta fase y a la temperatura T₂ se aplica un esfuerzo creciente, la plaqueta se deformar� en dos etapas: primero de manera el�stica, para continuar deform�ndose por reorientaci�n de granos de diferente orientaci�n cristalogr�fica (Figuras 25 (c) y 25 (d)). En esta segunda etapa se llegan a obtener deformaciones hasta de un 10% sin que se inicie la deformaci�n pl�stica del material. Al retirar el esfuerzo la muestra se encuentra en las condiciones siguientes: en fase martens�tica, deformada en relaci�n con su forma original, sin esfuerzo externo y a temperatura T₂. Si ahora se eleva la temperatura de T₂ a T₁, lo que ocurre es que la plaqueta regresa a su fase austen�tica y recobra su forma original (Figura 25 (e)). Dicho de otra manera, el material recuerda la fase y forma que ten�a a la temperatura T₁, y de aqu� el nombre de fen�meno de "memoria de forma simple".

Existe adem�s el fen�meno de "memoria de forma doble", que consiste en que el material recuerda tanto la forma geom�trica observada en la fase austen�tica o fase a alta temperatura, como la de la fase martens�tica o de baja temperatura, de tal modo que siempre que el material se encuentre a la temperatura T₁ tomar� la forma que "aprendi�" en tal condici�n y ocurrir� lo mismo a la temperatura T₂.

En el cuadro 5 se muestran ejemplos de la gran variedad de aplicaciones que habr� de tener este fen�meno. (Este cuadro fue tomado del art�culo "Aleaciones con memoria de forma" del doctor David R�os Jara, aparecido en la revista ICYT, noviembre de 1987.)

Figura 25.

Cuadro 5. Aplicaciones tecnol�gicas de las aleaciones con memoria de forma.
Aplicación	Aleación ( es )	Observaciones
EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE
Fusibles térmicos	Cu-Zn-Al Cu-Zn-Ni	Rearmables Rearmables
Detectores y accionadores de dispositivos de control térmico (alambres contra incendios, por ejemplo)	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	El elemento con memoria de forma puede efectuar las dos funciones al mismo tiempo
Detectores de calentamiento excesivo de celdas en cuñas electrolíticas	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	Elimina la detección manual
Anillos de ensamblaje rápido de tubería	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	Elimina la necesidad de soldadura en tubería submarina (Ti-Ni). Procesos económicos
Barras de tratamiento de escoliosis severas (desviaciones de la columna vertebral)	Ti-Ni	Implantable en el cuerpo humano Aleación inerte
Grapas para ligadura de Trompas de Falopio	Ti-Ni	Contracepción
Dispositivos diversos para ortopedia	Ti-Ni	Aleación inerte. Buena resistencia mecánica
Antenas autodesplegables para satélites	Ti-Ni	Ya han sido utilizadas
DOBLE EFECTO MEMORIA DE FORMA SIMPLE
Controles térmicos de flujo de agua o gas	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	Válvulas térmicas
Relevadores térmicos	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	No necesitan ser rearmables
Motores de estado sólido	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	De baja eficiencia pero económicos y de mantenimiento simple
Alambres para guías de fibras ópticas	Ti-Ni	Ayudan a la introducción de una fibra óptica en el interior del cuerpo humano
Sistemas de abertura automática de aereación	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	Invernaderos, automóviles, etc.
PSEUDOELASTICIDAD
Resortes con geometrías diversas	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	Aplicaciones de alta tenacidad
AMORTIGUAMIENTO
Partes de aviones y automóviles	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	Se han usado también en cohetes militares
Sistemas de reducción de ruido	Cu-Zn-Al Cu-Al-Ni	Cubren el espectro audible

BIOMATERIALES

La p�rdida de un miembro o parte del organismo es sin duda alguna uno de los eventos que m�s ha preocupado a la humanidad desde siempre. Consecuentemente, son muchos los esfuerzos que �sta ha hecho para remediar estas p�rdidas, desarrollando implantes o pr�tesis como medios correctivos sustitutos del miembro natural. Los materiales m�s apropiados para estas funciones han tenido que investigarse en t�rminos no s�lo de la funci�n que habr�n de realizar sino del medio en el que estar�n y de su interrelaci�n con el resto del organismo.

La ciencia m�dica ha conseguido con �xito el trasplante de �rganos, sustituyendo el �rgano da�ado por otro igual, perteneciente a otra persona. La ciencia de materiales, por su parte, ha hecho posible la sustituci�n de elementos vivos por elementos artificiales y as� es como hemos o�do hablar —o la hemos experimentado— de la implantaci�n de un pedazo de hidroxiapatita en sustituci�n de un hueso o de la colocaci�n de una v�lvula cardiaca construida con titanio y nylon en vez de una v�lvula "original". Esta rama de la ciencia-ingenier�a de materiales que se ha desarrollado en apoyo directo a la vida recibe en nuestros d�as una gran atenci�n a nivel mundial. El cuadro 6 muestra en forma resumida algunos de los dispositivos para implantes que actualmente est�n en proceso de prueba para su aplicaci�n real, o tienen ya un uso generalizado.

En M�xico, esta rama de la ciencia-ingenier�a de materiales no se ha desarrollado en forma organizada, si bien los esfuerzos aislados de algunos laboratorios y de investigadores independientes han logrado ciertos �xitos.

Cuadro 6. Dispositivos de implante en uso o probados, su funci�n y los biomateriales empleados.
Dispositivo	Función	Biomaterial
SISTEMAS SENSORIALES Y NERVIOSOS
Humor artificial vítreo	Llenar la cavidad vítrea del ojo	Esponja de silicón teflón: pologliceril metacrilato (PGMA)
Prótesis de córnea	Proprociona una vía óptica a la retina	Polimetil metacrilato (PMMA); hidrogel
Lentes intraoculares	Corregir problemas causados por cataratas	PMMA (lentes); nylon, polipropileno, Pt, Ti, Au (aros)
Ducto artificial del saco lagrimal	Corregir la obstrucción crónica	PMMA
Trompa de Eustaquio artificial	Propiciar tránsito de ventilación pura	Goma elástica de silicón, teflón
Tubulación nerviosa	Poner en línea recta diversos nervios	Membrana de silicón, metales quirúrgicos porosos
Prótesis oído medio	Reemplazar huesos dañados del oído  medio	PMMA; hilo metálico; proplast (PTEE+fibra de carbón); biovidrio
Guías percutáneas	Conducir potencia o electricidad a dispositivos sensoriales	Nylon o dacrón terciopelado, PMMA
Prótesis auditivas, prótesis visuales	Restauración de oído y visión	Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA
Analgesia eléctrica	Eliminar dolor crónico	Alambres y electrodos de Pt y Pt-Ir; electrodos de Ta-Ta2O5, acero inoxidable, goma elástica de silicón; PMMA
Control eléctrico de ataque epiléptico	Conducir señales eléctricas al cerebro	El mismo
Estimulación frénica	Control de la respiración eléctricamente	El mismo
Control de vejiga	Estimular la liberación de lavejiga	El mismo
CORAZÓN Y SISTEMA CARDIOVASCULAR
Estimulación al miocardio y endocardio (marcapasos de corazón)	Mantener el ritmo cardiaco	Acero inoxidable, contenedores de Ti, goma elástica de silicón, cera epoxy encapsulada; electrodos de Pt o aleaciones Pt-Ir
Desviaciones crónicas y catéteres	Auxiliar en hemodiálisis	Polietileno, revestimientos hidrofilicos
Válvulas cardiacas	Reemplazar válvulas enfermas	Aleaciones Co-Cr; carbón isotrópico a baja temperatura, injertos porcinos; aleaciones de Ti con silastic o discos de carbón pirolítico
Prótesis arteriales y vasculares; componentes artificiales del corazón; dispositivos auxiliares del corazón	Reemplazar arterias dañadas y vasos sanguíneos; reemplazar el corazón	Segmentos de poliuretano, goma elástica de silicón o ejes de carbón pirolítico con mallas de dacrón; heparina +GBH o TGBH revestimientos sobre teflón o goma elástica de silicón; PHEMA revestidas con polímeros; dacrón terciopelado, fieltros y tejidos; tejidos de poliolefinas (TP), TP con superficie de gelatina enlazada transversal; tan sólo teflón (PTFE)
REPARAR Y REEMPLAZAR EL ESQUELETO
Cadera total artificial, rodilla, hombro, codo, carpo, etc.	Reconstrucción artrítica o fractura de articulaciones	Vástagos: acero inoxidable 316L; aleaciones T-Al-V; aleaciones ahuecadas de Co- Cr-Mo-Ni; polietileno de alta densidad; "cemento" PMMA; alúmina de baja densidad; polímero poliacetal; recubrimientos de metal-carbón pirolítico; recubrimiento de metal-biovidrio; politetrafluoroetileno poroso (PTFE); recubrimientos de PTFE-carbón sobre metal; fibras de PMMA-carbón, polvos compuestos de PMMA-cervital; acero inoxidable poroso; Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti
Placas de hueso, tornillos, alambre	Reparar fracturas	Acero inoxidable 316L; aleaciones Co-Cr; Ti y aleaciones de Ti; fibra compuesta de polisulfona-carbón; fibra compuesta de biovidrio-metal; compuesto de ácido poliláctico-ácido poliglicólico
Clavos intramedulares	Alinear fracturas	El mismo
Varillas Harrington	Corregir la curvatura crónica de la espina	El mismo
Miembros del cuerpo artificiales implantados permanentemente	Reemplazar extremidades perdidas	El mismo, además de nylon o dacrón terciopelados sobre silastic para tejido suave con crecimiento interno
Separadores y extensores vertebrales	Corregir deformidades congénitas	Al2O3
Fusión espinal	Inmovilizar vértebras para proteger la médula espinal	Biovidrio
Estimulación funcional neuromuscular	Controlar músculos eléctricamente	Electrodos de Pt, Pt-Ir; silicón; aislamiento de teflón
DENTAL
Reposición de hueso alveolar, reconstrucció mandibular	Restaurar el soporte alveolar para mejorar la dentadura adecuada	PTFE carbón compuesto (proplast); Al2O3 poroso; cervital; HEMA hidrogel-relleno, apatita porosa; fosfato tricálcico; copolímero PLA/PGA; biovidrio, apatita densa
Implantes de reemplazo de dinetes (aletas, anclas, espirales,cilindros en forma natural o con base modificada)	Reemplazar dientes enfermos, lesionados o no existentes	Acero inoxidable, aleaciones Co-Cr-Mo, Ti y aleaciones de Ti Al2O3, biovidrio,carbón LTI, PMMA, proplast, aluminato de calcio poroso, mineral de MgAl2O4, carbono vítreo, hicroxiapatita densa
Implantes de reemplazo o de dientes subperiósticos	Soportar el puente de trabajo o directamente dientes sobre el hueso alveolar	Acero inoxidale, aleación de Co-Cr-Mo, recubrimientos de carbón LTI
Anclas ortodónticas	Proporcionar postes para la aplicación del esfuerzo requerido para cambiar deformidades	Biovidrio bañado de Al2O3; biovidrio bañado de Vittalium
PRÓTESIS PARA RELLENO DE TEJIDO BLANDO
Contorno de cara y prótesis de relleno (nariz, oreja, mejilla)	Reemplazar tejido enfermo, traumatizado o con tumores	Goma elástica de silicón (silastic), polietileno, PTFE, silicón fluido, fluido de colágeno disuelto
Prótesis mamarias	Reemplazar o aumentar el seno	Gel y goma elástica de silicón, tejido de dacrón, esponja hydrón
Hueso para defectos craneales y prótesis de reconstrucción máxilofacial	Rellenar defectos	Resina acrílica curada-uniforme; acero inoxidable, aleación Co-Cr, lámina de Ta, polietileno y uretano poliéster cubierto de tereftalato de poloetileno recubierto de malla tejida
Cartílago articular artificial	Reemplazar los cartílagos deteriorados por artritis	Hidrogel PVA cristalizado y polímeros de poliuretano; PFTE con fibras de grafito (proplast)
MISCELÁNEA DE TEJIDO SUAVE
Uretra, vejiga y pared intestinal artificiales	Reemplazar tejido dañado	Teflón, nylon-poliuretano compuesto; pericardio tratado de bovino; banda elástica de silicón
Piel artificial	Tratamiento en quemaduras severas	Colágeno procesado; membrana de silicón ultradelgada de espuma de policaprolactona (PCA); película PCA compuesta
Desviación hidrocefálica	Propiciar el drenaje y reducir la presión	Cinta elástica de silicón
Parches suaves	Reparar hernias	Acero inoxidable, malla de dacrón
Desviaciones internas	Propiciar el acceso rutinario a las unidades de diálisis	Colágeno modificado; silastic
Desviaciones externas	Propiciar el acceso rutinario para diálisis	Silastic-teflón o dacrón
Suturas	Mantener el contacto suave para ayudar a la cicatrización	Acero inoxidable, cera, nylon, PGA, dacrón, cuerda de tripa, polipropileno
Sistemas de liberación de drogas	Reemplazar drogas progresivamente; inmovilizar enzimas	Cinta elástica de silicón, hidrogels de copolímero etileno-acetato de vinilo; PLA/PGA polisacáridos-polímeros de vinil
Tráquea artificial	Reconstrucción de la tráquea	Malla de dacrón poroso-poliéster uretano, malla de Ta, esponja Ivalon y malla de polipropileno

Tal es el caso de la producci�n de pr�tesis mamarias para uso externo, cuyo proceso fue desarrollado en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM ante los requerimientos presentados por el Grupo RETO, A.C., como parte de su programa de rehabilitaci�n f�sica y psicol�gica de mujeres con mastectom�a (extirpaci�n del seno por tumor canceroso). Desafortunadamente, el n�mero de mujeres en M�xico que tiene que sujetarse a una cirug�a de esta naturaleza alcanza la cifra de 5 000 a 6 000 por a�o.

En este tipo de cirug�a, aparte del da�o f�sico resultado de la propia operaci�n, se presenta un da�o ps�quico severo que impone la necesidad del uso de una pr�tesis. Los precios de �stas son lo suficientemente elevados como para quedar fuera del alcance de ciertos estratos socio econ�micos.

En la actualidad, a nivel mundial, existen pr�tesis mamarias tanto para uso interno como externo. Las primeras, claro est�, proporcionan una soluci�n m�s de fondo, y son el resultado de una tecnolog�a m�s avanzada tanto de materiales como desde el punto de vista m�dico, y por consiguiente, tienen un precio m�s elevado que las segundas. �stas, por su parte, observan caracter�sticas en cierta manera opuestas, lo que representa enormes ventajas econ�mico-sociales.

La figura 26 muestra los moldes que fueron dise�ados y construidos para obtener los prototipos de la pr�tesis de uso externo y la pr�tesis misma, la cual es de poliuretano espumado.

Adem�s de este tipo de pr�tesis, y como resultado de crecientes investigaciones sobre los materiales, se ha seguido trabajando en forma multi e interdisciplinaria en la obtenci�n de pr�tesis y dispositivos internos a base de silic�n para el tratamiento de enfermedades muy diversas.

Figura 26.

LOS SUPERCONDUCTORES "CALIENTES"

Durante el proceso de elaboraci�n de este libro, se dio a conocer el resultado de una investigaci�n cient�fica que ha conmocionado al mundo. Se trata de un fen�meno "viejo": la superconductividad (v�ase pp. 75-77 del volumen 3 de La Ciencia desde M�xico) con un material "nuevo": las cer�micas. Lo que se ha obtenido son materiales cer�micos superconductores de alta temperatura de transici�n.

El "viejo" fen�meno de superconductividad (descubierto en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes) se manifiesta fundamentalmente en dos hechos experimentales, a saber:

— Un material superconductor es aquel que, en una temperatura determinada, presenta una resistencia el�ctrica igual a cero.

— En el estado superconductor el material se comporta como un diamagneto perfecto, es decir, se opone a que un campo magn�tico penetre en �l (efecto Meissner).

Las temperaturas a las que se hab�a observado este fen�meno eran, hasta 1986, menores a 24 K (249°C por debajo de la temperatura de congelaci�n del agua), lo cual representaba enormes dificultades tanto para observarlo como para utilizarlo en aplicaciones pr�cticas a costos razonables, ya que la �nica manera de alcanzar tan bajas temperaturas es mediante helio l�quido, que exige una tecnolog�a muy sofisticada tanto para obtenerlo como para manejarlo.

As� pues, aunque las posibles aplicaciones de la superconductividad fueron advertidas desde el descubrimiento mismo del fen�meno, su utilizaci�n se ve�a muy remota, y qued� como gran reto para la ciencia de los materiales y como gran demanda de la humanidad el encontrar materiales superconductores a temperatura lo m�s alta posible, incluso a la temperatura ambiente.

En su intento por satisfacer esta demanda, la humanidad ha dado los pasos que se muestran en la gr�fica 1, en la que es f�cil observar que en 64 a�os (de 1911 a 1973) se logr� un incremento de tan s�lo 20 grados (de 4.2 K a 23.4 K), mientras que, tan s�lo en 13 a�os (1973 a 1986), �se logr� un incremento de aproximadamente 67 grados! El avance ha sido enorme, espectacular, sobre todo si se toma en consideraci�n que ahora s�lo se requiere enfriar el material a la temperatura del nitr�geno l�quido (-196°C) para obtener una resistencia igual a cero en el material, as� como expulsi�n del campo magn�tico.

Gr�fica 1.

Por otra parte, no deja de llamar la atenci�n que los materiales que ahora se conocen como "de alta temperatura de transici�n" son materiales cer�micos, los cuales tradicionalmente se han venido utilizando como aislantes. �No son acaso de porcelana los aislantes utilizados en las l�neas de alta tensi�n? �Y no es la porcelana una cer�mica?

Los mecanismos responsables del fen�meno de superconductividad en estos nuevos materiales no han sido hasta la fecha debidamente dilucidados, y con toda seguridad habr�n de llevarse a cabo muchas investigaciones para explicar lo que est� ocurriendo en estas cer�micas superconductoras a alta temperatura. Ya se vislumbra que los mecanismos no son id�nticos a los que dan lugar a la superconductividad de baja temperatura, y la cantidad de preguntas que est�n surgiendo en torno a este nuevo fen�meno es enorme: �Ser� posible encontrar otros materiales que sean superconductores a temperaturas m�s elevadas? �Ser�n �stos los superconductores supercalientes? �Ser� acaso posible llegar a temperatura ambiente? Las aplicaciones que se supon�an posibles cuando el fen�meno s�lo se observaba a baja temperatura, �seguir�n como expectativas v�lidas para estos nuevos superconductores?

En nuestro pa�s se realizan investigaciones tendientes a proporcionar las respuestas a estas preguntas. La figura 27 muestra la levitaci�n magn�tica producida por el efecto Meissner. Los superconductores que aparecen en la fotograf�a son cer�micas de Y₁Ba₂Cu₃O_7-d, elaboradas en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM.

Figura 27.