II. RECONSTRUYENDO LA NATURALEZA: LA INGENIER�A MOLECULAR

EL INTER�S cient�fico que despiertan los materiales laminares, como las arcillas, se debe principalmente a sus propiedades f�sico-qu�micas, las cuales son �nicas entre los minerales naturales. Asimismo, sus aplicaciones, tan diversas, provienen de ese mismo conjunto de propiedades, las cuales convierten a la arcilla natural en un material muy vers�til.

Entre las caracter�sticas principales podemos citar las siguientes: a) las arcillas est�n formadas por cristales muy peque�os, b) tienen la capacidad de intercambiar iones, c) son capaces de variar su composici�n qu�mica interna, d) pueden alojar mol�culas en el interior de su espacio interlaminar, e) la superficie de las l�minas presenta una actividad qu�mica considerable y f) los cambios f�sicos de la estructura laminar, por ejemplo el hinchamiento, son reversibles.

Numerosas son las bondades de estos s�lidos, producto de las modificaciones que sufre el edificio laminar al ponerse en contacto con otras especies qu�micas o al someterse a condiciones termodin�micas espec�ficas, lo que constituir� el tema de este cap�tulo. El lector posee ya una descripci�n de la arquitectura de los edificios laminares t�picos de las arcillas, as� como de las especies o "muebles" que intervienen en los fen�menos relacionados con ellas, por lo que ahora lo invitamos a hacer un cambio en la decoraci�n.

Desde la antig�edad, el hombre ha practicado actividades diversas de las que desconoc�a, por supuesto, los fundamentos cient�ficos que se relacionan con aquellas. De hecho, hoy en d�a no tenemos una descripci�n satisfactoria de todos ellos, sin embargo, esto no fue impedimento para que, emp�ricamente, se haya llegado a realizar una serie de desarrollos, que pueden calificarse de fant�sticos, propios de un conocimiento avanzado a escala molecular. Las espadas de Damasco y las porcelanas chinas del periodo Sung son buenos ejemplos. Baste mencionar que los chinos, en los siglos IX al XII, obtuvieron materiales cer�micos de gran dureza al mezclar las arcillas con sustancias org�nicas. Esta operaci�n permiti� fabricar la porcelana de fin�simo grosor que asombr� a los europeos de �pocas posteriores.

Sin embargo, con prop�sitos m�s pr�cticos y menos est�ticos hoy en d�a millones de toneladas de arcilla, de la familia de las esmectitas, se utilizan durante la perforaci�n de los pozos petroleros con el fin de impartir la viscosidad apropiada a los lodos de perforaci�n. En estas aplicaciones tan dis�mbolas existe un factor com�n que es la modificaci�n de la estructura laminar de la arcilla al ponerse en contacto con especies qu�micas, por ejemplo el agua y las mol�culas org�nicas. Esta situaci�n puede simularse si, con imaginarios obuses qu�micos, nos disponemos a bombardear el edificio laminar de las arcillas provocando cambios que pueden o no ser permanentes. En nuestro arsenal contamos con tres tipos de obuses: el agua, las mol�culas org�nicas y los pol�meros inorg�nicos de tama�o variable.

Imaginemos que lanzamos un proyectil sobre el edificio laminar de una arcilla, por ejemplo de agua, de modo que al chocar se produzca una interacci�n explosiva, en donde la carga estar�a representada por la fuerza electrost�tica. Esta fuerza es resultado del car�cter dipolar de la mol�cula de agua, es decir, que �sta se comporta como un peque�o im�n, ya que se halla compuesta por un �tomo de ox�geno (O^2-) y dos de hidr�geno (H⁺); como los hidr�genos se localizan en un extremo de la mol�cula, aparece a un lado una concentraci�n de carga positiva, mientras que en el otro es m�s negativa.

Por eso los proyectiles se asocian de inmediato a la superficie de las l�minas de arcilla, las cuales tambi�n presentan una carga neta negativa. En particular, a cierta temperatura, por ejemplo 0�C, las mol�culas de agua se asocian f�cilmente a las superficies y tambi�n unas con otras, logrando una densidad y una viscosidad a�n mayores que la densidad del agua en estado natural, a semejanza del hielo, y extendi�ndose en varias capas.

Tambi�n por estas razones, al a�adir una peque�a proporci�n de arcilla al agua �sta permanece flotando sobre el l�quido indefinidamente, alcanzando el estado coloidal. Sin embargo, si se a�ade a�n m�s, el l�quido se torna viscoso y se resiste a fluir; en cambio, si se agita vigorosamente la suspensi�n, el l�quido recupera su fluidez, perdi�ndola nuevamente al cesar la agitaci�n. A esta propiedad se le llama tixotropía, y es t�pica de muchas de las arcillas comunes. Tiene su asiento en la afinidad por el agua, as� como en la capacidad de hinchamiento del espacio interlaminar, el cual puede alcanzar hasta quince veces el volumen original.

Veamos ahora en forma secuencial lo que ocurre cuando el agua se aproxima al edificio laminar de la arcilla con ayuda de la figura 18.

Etapa 1: en el principio la arcilla se encuentra en un estado deshidratado, son algunos iones de sodio (Na⁺), potasio (K⁺) o tal vez calcio (Ca²⁺) adsorbidos en el espacio interlaminar.

Etapa 2: desde el punto de vista electrost�tico, las cargas negativas en la arcilla se acumulan en las superficies planas de las laminillas, mientras que los bordes acumulan cargas positivas. Luego los iones de sodio tienden a concentrarse sobre las caras planas.

Etapa 3: al ponerse en contacto con la arcilla, las mol�culas de agua son atra�das fuertemente hacia las superficies planas debido a la presencia de los iones sodio cargados positivamente. Hay que recordar que, a la escala molecular, las fuerzas electrost�ticas son las m�s importantes.

Etapa 4: en este estado, las mol�culas de agua se hacen m�s dipolares, atrayendo a otras de su especie.

Etapa 5: la carga negativa en la superficie de las laminillas se incrementa conforme las mol�culas de agua se enlazan unas con otras al aumentar su polarizaci�n. Llega un momento en que la carga superficial es tal, que las l�minas se repelen entre s� separ�ndose unas de otras por lo que el espacio interlaminar se expande, originando el hinchamiento caracter�stico de las arcillas.

Etapa 6: las mol�culas de agua contin�an llenando el espacio interlaminar, neutralizando parcialmente las superficies expuestas y manteniendo las l�minas apartadas unas de otras, hasta que el agua es eliminada mediante alg�n procedimiento de secado, lo cual origina una contracci�n del volumen de la hojuela.

Etapa 7: el equilibrio de la hidrataci�n es alcanzado cuando termina la mezcla de la arcilla con el agua, dando como resultado una estructura interna hidratada que hace coincidir los bordes cargados positivamente con las caras planas cargadas negativamente, de modo que se forma una estructura de castillo de naipes, por lo que las mol�culas de agua entran y salen libremente. Este castillo puede derrumbarse mediante una agitaci�n vigorosa de la suspensi�n, pero tiende a formarse de nuevo si la agitaci�n termina, esto es, si el medio queda libre de esfuerzos mec�nicos. Este �ltimo efecto se debe a que las hojas mantienen la fuerte carga electrost�tica que las atrae.

Conociendo el lector estos mecanismos de interacci�n arcilla-agua, seguramente viene la pregunta: �qu� provecho pr�ctico se puede obtener de ello?, por lo que mencionaremos un par de ejemplos a fin de mostrar su valor.

Se puede decir que casi todos los suelos contienen arcilla en mayor o menor proporci�n. Hoy en d�a se sigue estudiando la correlaci�n que existe entre la cantidad y la clase de arcilla en los terrenos y su relaci�n con la fertilidad. Los cient�ficos en este campo, como sucede a menudo en otras ramas de la ciencia, se quejan de que en la actualidad no se conoce en su totalidad el proceso y proponen la necesidad de estudiar in situ las propiedades de las arcillas, el efecto de las mezclas y las modificaciones que �stas provocan. Es necesario decir que los modelos de laboratorio muchas veces no reflejan las observaciones realizadas en el terreno, por lo que deben llevarse a cabo en condiciones m�s pr�ximas al fen�meno natural.

Como se ha mencionado, la presencia de arcillas y un conjunto de factores como la acidez, el tipo de cationes, la humedad, etc., producen efectos ben�ficos y da�inos en los suelos agr�colas. Se ha llegado a determinar que la composici�n �ptima de arcilla oscila entre un 15 y 25% en peso de componentes finos, con di�metros de part�cula menores a 2 micras, y una proporci�n mayor de componentes gruesos con un di�metro de part�cula mayor a 60 micras. Esto se debe a que una de las principales funciones de las arcillas es su contribuci�n a la estabilidad y cohesi�n de los suelos para resistir los efectos mec�nicos nocivos como la lluvia y el viento. La habilidad de las arcillas para hincharse o contraerse en respuesta al grado de humedad es vital en la generaci�n de la estructura granular de los suelos agr�colas, los cuales requieren de permeabilidad adecuada del aire y del agua, y tambi�n que no dificulten la penetraci�n a las ra�ces de las plantas.

Estudios recientes realizados mediante la microscop�a electr�nica, revelaron que a nivel submicrosc�pico existen en los suelos part�culas con una configuraci�n y jerarqu�a particulares, las cuales var�an en un intervalo muy amplio, comenzando con las fisuras comunes de 10 a 100 mil�metros de tama�o y terminando con los microporos de 10 a 100 angstroms (1 angstrom = 0.0000000001 m).

Sumando a lo anterior la capacidad de intercambio i�nico t�pica de las arcillas, la cual ejerce un efecto directo sobre el almacenamiento y la cualidad de ceder nutrientes minerales como magnesio, sodio, potasio, calcio y los compuestos nitrogenados y fosfatados, llegamos a un punto realmente vital en el papel tan importante que desarrollan las arcillas en el crecimiento de las plantas y de los animales que se alimentan de ellas. Tambi�n es un hecho experimental que, bajo condiciones de acidez adecuadas, los iones de hidr�geno (H⁺) reaccionan con las l�minas de arcilla, disolviendo el magnesio, el hierro y el aluminio asociados com�nmente a la hoja octa�drica de las arcillas. Pero, en los terrenos que poseen altas concentraciones de aluminio intercambiable, la extracci�n de aluminio realizada por la v�a �cida suele ser nociva para el crecimiento de las plantas. En cualquier caso, la interacci�n de la arcilla con el agua y el medio mineral circundante es determinante para el desarrollo de los suelos agr�colas.

La gran capacidad que para hincharse tienen las arcillas puede utilizarse positivamente. En efecto, al hincharse las hojuelas por efecto de la hidrataci�n se producen esfuerzos considerables que vencen la atracci�n electrost�tica entre las l�minas, y el concurso de todas estas fuerzas sobre una masa de arcilla que equivale apenas a unos cuantos miligramos es tal que f�cilmente pueden desintegrar un aglomerado, o bien �una pastilla! As� tenernos, pues, una aplicaci�n concreta aprovechada frecuentemente en la f�rmula de numerosas pastillas de uso farmac�utico y veterinario. Debido a que las fuerzas que se generan durante la expansi�n del material son importantes a escala microsc�pica, �stas conducen a la desintegraci�n de las pastillas, que contienen arcilla en su composici�n, al contacto con los jugos g�stricos, liberando los componentes activos en el organismo del paciente. �Cu�ntas aspirinas habremos tomado sin enterarnos de que el agente aglutinante de la pastilla era una arcilla mineral!

Tambi�n el uso de estas f�rmulas se ha extendido al campo de la preparaci�n de insecticidas y herbicidas que pueden liberarse en los suelos de manera controlada al ser humedecidos.

De toda esta historia del ob�s de agua vale la pena retener algunos puntos importantes: las arcillas que no presentan carga residual negativa carecen de las propiedades de hinchamiento descritas anteriormente, tal es el caso del talco y la pirofilita. Por otra parte, los minerales, como la mica muscovita, s� presentan carga residual negativa, pero �sta es muy elevada, de modo que tampoco expanden su estructura laminar al ponerse en contacto con el agua. La explicaci�n de unas y otras est�, pues, en el valor de su carga negativa: si es nula (E = 0) o muy elevada (E = 1.0) no se produce el fen�meno de hinchamiento. En el caso de las micas, la carga laminar asociada a cada unidad estructural es tan fuerte que las l�minas atrapan los cationes positivos como el potasio, de manera que el agua, a pesar de su dipolo, no puede romper ese enlace.

En el caso intermedio se encuentran las arcillas tipo montmorillonita y algunas tipo vermiculita, las cuales se expanden r�pidamente en presencia de un gran volumen de agua. M�s a�n, si hacemos un experimento cuidadoso, como el que se muestra en la figura 19, en la que observamos la separaci�n laminar que sufre una bentonita s�dica al ponerse en contacto con concentraciones crecientes de agua, veremos que se presenta una serie de escalones, cada uno de los cuales indica la formaci�n de una primera capa de mol�culas de agua en el espacio interlaminar, una segunda capa y una tercera, respectivamente, se�alando que el edificio laminar se expande ordenadamente al ser bombardeado por el ob�s de agua.

Al igual que las mol�culas de agua, las especies org�nicas tambi�n penetran en el espacio interlaminar de las arcillas. El arsenal en este caso es m�s abundante ya que las especies org�nicas forman un grupo muy prolijo, variando tanto su tama�o como sus grupos funcionales, hasta llegar a las mol�culas complejas caracter�sticas de las prote�nas y los amino�cidos. Los cambios de propiedades que pueden producirse por la intercalaci�n de especies org�nicas en el espacio interlaminar son muchos y muy variados, de ah� que despierten gran inter�s, desde el punto de vista cient�fico y el de sus aplicaciones. Por ejemplo, las propiedades tixotr�picas mejoran al tratar la arcilla con compuestos org�nicos, que dan origen a f�rmulas diversas de pinturas o de cosm�ticos. La intercalaci�n de especies org�nicas como los alcoholes, las prote�nas y los hidrocarburos en el espacio interlaminar se realiza de manera muy f�cil, expandiendo la estructura laminar y creando as� una porosidad interna en el material, con lo cual la arcilla se convierte en una verdadera esponja molecular.

Enseguida veremos c�mo el estudio de estos fen�menos nos puede conducir al control de la porosidad y otras propiedades a escala molecular, de modo que puedan lograrse aplicaciones interesantes. Tal vez uno de los sistemas m�s estudiados es el compuesto por la arcilla y los derivados org�nicos del amonio, fen�meno descubierto en 1934. A partir de entonces se inici� una b�squeda febril en varios laboratorios del mundo con el fin de identificar nuevos compuestos de ese tipo y las propiedades logradas mediante la intercalaci�n de una gama de compuestos arcilla-org�nicos. Treinta a�os despu�s se hab�a informado de �m�s de 9 000 compuestos!

Se ha descubierto que las mol�culas org�nicas se acomodan entre las l�minas de la arcilla produciendo un efecto de expansi�n que var�a seg�n dos factores principales:

Por ejemplo, a partir de una estructura como la esmectita s�dica, cuyo espacio interlaminar se encuentra colapsado en el estado anhidro (sin humedad). Es decir, que si la separaci�n inicial entre los centros de las dos l�minas contiguas es de 9.5 Angstroms aproximadamente, entonces habr� una modificaci�n de la distancia interlaminar al intercalar mol�culas org�nicas de la siguiente manera:


Molécula	Separación interlaminar
	(en Angstroms)

(CH)₃ NH₃⁺	12.0
(CH₃)₂ NH₂⁺	12.2
(CH₃) NH⁺	13.0
(CH₃)₄ N⁺	13.5

El efecto de la otra variable, es decir la carga el�ctrica de las l�minas, se ilustra en la figura 20, la cual muestra la expansi�n del edificio laminar de una arcilla al intercalarse una mol�cula org�nica que contiene doce �tomos de carbono. La posici�n de la mol�cula var�a seg�n la carga laminar de la arcilla. As�, cuando la carga es baja la mol�cula org�nica se acomoda con sus partes planas dispuestas paralelamente a las l�minas de la estructura, mientras que si se incrementa la densidad de carga entonces la cadena comienza a levantarse hasta llegar al caso extremo en que se coloca perpendicularmente a las l�minas. Esta �ltima situaci�n es id�nea en lo que a estabilidad se refiere, ya que en esa posici�n erecta la mol�cula forma enlaces por los dos extremos mediante los �tomos de hidr�geno del grupo NH y los �tomos de ox�geno que se encuentran en los anillos de seis miembros de la capa tetra�drica de la arcilla.

Figura 20. Orientaci�n de las mol�culas org�nicas en funci�n de la carga el�ctrica creciente.

Luego, estos mecanismos permiten explicar c�mo la intercalaci�n de algunas prote�nas de gran tama�o induce s�lo una peque�a variaci�n de la distancia interlaminar, mientras que otras provocan variaciones importantes que no siempre corresponden a su tama�o y configuraci�n. Se ha encontrado que algunos de los complejos org�nicos adquieren gran estabilidad al ser intercalados en el espacio interlaminar as�, por ejemplo, se tiene que la guanidina, uno de los principales �cidos nucleicos, se mantiene �ntegra en la montmorillonita, aun a temperaturas superiores a los 600 grados cent�grados.

Otras propiedades de los complejos org�nicos intercalados es su resistencia a la descomposici�n causada por microbios. Es decir, que las prote�nas, enzimas y antibi�ticos muestran mayor resistencia cuando se encuentran adsorbidos en el espacio interlaminar de una arcilla, que cuando se hallan solos. Una de las explicaciones probables de este fen�meno se relaciona con la orientaci�n de las mol�culas adsorbidas en la arcilla, ya que en su interior los grupos activos de las mol�culas org�nicas son inaccesibles a los agentes externos y, adem�s, al adsorberse sobre las l�minas de las arcillas esos mismos grupos se desactivan. Numerosos experimentos han demostrado que los antibi�ticos adsorbidos pierden su actividad caracter�stica al adsorberse en las paredes laminares de las arcillas.

Asimismo, ciertas reacciones qu�micas que no ocurren en el estado normal de los compuestos org�nicos toman lugar al ponerse en contacto con las arcillas, indicando que estas �ltimas act�an como catalizadores, tema que ser� tratado m�s adelante.

El efecto de las arcillas sobre algunas mol�culas org�nicas es claro y evidente en algunos casos. Tomemos por ejemplo las anilinas, las cuales cambian su color al contacto con las arcillas, pasando al color rojo cuando la carga es baja (p. ej. E = 0.33 en las montmorillonitas), al azul p�rpura cuando la carga es ligeramente mayor (E = 0.55 en las vermiculitas y algunas montmorillonitas) y al negro cuando la carga es alta (E = 1.0 o mayor, como en las micas).

La porcelana se ha fabricado en China probablemente desde el siglo VI de nuestra era; ya que en el siglo IX se hac�an grandes exportaciones a Jap�n, Corea y los pa�ses �rabes. El jesuita D'Entrecolles vivi� en China de 1711 a 1722, y menciona en sus cartas que en el centro de fabricaci�n de porcelana m�s importante, unas 180 000 familias trabajaban en la producci�n, en la que se empleaban 3 000 hornos que trabajaban d�a y noche. Entre los siglos XVI y XVII la porcelana china se introdujo a Europa creando una verdadera pasi�n, que asumi� proporciones de enfermedad, por la posesi�n de una de sus piezas tan valiosas. En particular, las porcelanas del periodo Sung (siglos IX al XIII) destacan por su belleza y resistencia, adem�s de su grosor incre�ble ya que hay piezas de s�lo 0.4 mm. de espesor.

El secreto de la fabricaci�n de la porcelana Sung se perdi� debido, principalmente, a la invasi�n mong�lica (1286-1386 d.c.); los manuscritos originales del periodo Sung se perdieron y aquellos escritos posteriormente mencionan s�lo de manera vaga los detalles qu�micos de la preparaci�n o de la t�cnica de producci�n. No obstante, los chinos recuperaron parte de la experiencia previa durante el periodo Ming (siglo XVIII), cuando volvieron a fabricar porcelana de gran delicadeza la cual recibi� el nombre de Ling-Lung, es decir, "trabajo del diablo", para indicar que iba m�s all� de la habilidad humana. Estas porcelanas s�lo pod�an fabricarse por orden directa del emperador, y eran tales sus caracter�sticas de dureza y resistencia que, una vez secadas al horno, se les disminu�a el espesor mediante buriles de acero.

Investigaciones realizadas en la �poca y, m�s recientemente, en nuestro siglo, mostraron que durante el periodo Ming se empleaba un caol�n muy cristalino pero de plasticidad muy pobre y que por s� solo no produce materiales de alta calidad en cer�mica, ni ofrece resistencia a la ruptura. Los an�lisis qu�micos indican que la porcelana china no se ha modificado en su composici�n a lo largo de 200 a�os, por lo tanto se deduce que la calidad del material de base depend�a de la sensibilidad del tacto del artesano. Por ello mismo, se deduce nuevamente que el secreto no estaba en los materiales de base, sino que �deb�a ser la t�cnica! Una de las operaciones esenciales de la fabricaci�n es la molienda del material, que deb�a hacerse mediante muelas o piedras en la �poca Sung, a diferencia de los m�todos actuales mediante molinos de bolas. Otro aspecto clave del proceso de fabricaci�n era sin duda el a�ejamiento, ya que los artesanos chinos somet�an el material de base a un proceso de a�ejamiento que consist�a en enterrarlo y mojarlo subsecuentemente con orina (s�, ley� bien �con orina!) durante periodos que variaban de unos meses a centenares de a�os. La explicaci�n cient�fica de estos procedimientos, que se aplicaban emp�ricamente, viene a levantar el velo de misterio que cubr�a a la porcelana Sung.

Recordemos del cap�tulo I que la estructura molecular de los caolines consiste en una l�mina formada por la uni�n de una hoja de tetraedros de s�lice con otra de octaedros de al�mina y oxhidrilos. Esta estructura es qu�micamente muy estable y muy resistente al ataque de �cidos o bases. Esto nos conduce a pensar que los procesos de a�ejamiento mencionados deb�an tener, principalmente, incidencia sobre la superficie de los cristales, m�s a�n siendo los reactivos una serie de productos derivados de la descomposici�n de la orina: iones de amonio, urea e iones de OH. Ahora bien, puesto que la estructura molecular de los caolines es semejante a una gran mol�cula bidimensional enlazada por puentes de hidr�geno, por ejemplo Al-OH^__O-Si, �stos pueden romperse por la acci�n de ciertos compuestos que tienen la facilidad de penetrar al espacio interlaminar, tal y como ocurre con la urea, la cual penetra en la estructura expandi�ndola de 7.2 hasta 10.7 Angstroms; nuestro conocido ob�s. Otro derivado de la fermentaci�n de la orina es el acetato de amonio, que se forma en cantidades copiosas y, al igual que la urea, tiene gran facilidad para penetrar el espacio interlaminar de las arcillas, expandiendo la estructura laminar de los caolines hasta 14.2 Angstroms. Estos procesos de intercalaci�n no requieren de condiciones especiales sino que se llevan a cabo a temperaturas moderadas, entre 20 y 30 grados cent�grados, condiciones que seguramente prevalecen durante el proceso de a�ejamiento mencionado.

Ahora bien, si ya se ha demostrado que tanto la urea como el acetato de amonio tienen la facilidad de penetrar la estructura de la caolinita y expanderla, �qu� sucede con las propiedades f�sicas del material cer�mico derivado de esa pasta a�ejada? La respuesta a esta pregunta es favorable: como lo hemos visto a lo largo de este libro, las propiedades pl�sticas y la resistencia a la ruptura se incrementan cuanto menos apiladas y m�s peque�as sean las hojuelas de la arcilla de base. La intercalaci�n de la urea y los otros compuestos de amonio tiene por efecto cambiar dr�sticamente la forma de los cristales, sin necesidad de tratamientos mec�nicos, ya que las l�minas de caolinita se separan unas de otras por efecto de la expansi�n inducida por la urea, dado que los puentes de hidr�geno son sustituidos por enlaces con la urea. Los cambios de forma vienen asociados a esta separaci�n, ya que al deslaminarse las hojuelas, las l�minas individuales tienden a enrollarse a fin de aliviar la tensi�n creada por la uni�n de las hojas tetra�drica y octa�drica, pues �stas tienen distintas dimensiones. El resultado es un material extremadamente pl�stico, f�cil de modelar y con una resistencia mec�nica superior. Una vez revelado el secreto de la porcelana china dejo en manos del lector la decisi�n de iniciar su fabricaci�n.

Hasta este momento hemos descubierto las interacciones que tienen lugar entre las arcillas, el agua y las mol�culas org�nicas, todas ellas interacciones reversibles. Es decir, que si sometemos al s�lido intercalado a un tratamiento t�rmico o f�sico-qu�mico, el material recuperar� su forma original cuantas veces se repita el ciclo, tal y como ocurre con un acorde�n que se expande y se contrae seg�n la fuerza que se aplica sobre sus fuelles. En este aspecto las arcillas son semejantes, precisamente, a �un acorde�n!

Las arcillas podr�an desempe�ar un papel importante en m�ltiples campos a condici�n de que las dimensiones de su espacio interlaminar fuesen perdurables, es decir, que la separaci�n interlaminar se diera en forma constante, sin importar los tratamientos a que fuese sometido el material. Como veremos enseguida, las arcillas son capaces de actuar como verdaderos catalizadores en un sinn�mero de reacciones de inter�s industrial, por lo que los cient�ficos idearon la manera de hacerlas estables mediante la fijaci�n de la distancia interlaminar. La estrategia que permitir�a realizar este prop�sito fue fijada en 1974 durante una reuni�n de especialistas en cat�lisis. Despu�s de varias discusiones se estableci� lo siguiente: para impedir que el edificio laminar de la arcilla recupere su forma inicial es necesario apuntalar el espacio entre los pisos. �C�mo?, fue la pregunta colectiva. �Mediante pilares!, fue la respuesta l�gica, �tal y como ocurre con el piso y el techo de un edificio! De esta forma caemos en el mundo de la ingenier�a molecular pues utilizando conceptos macrosc�picos, como apuntalar el piso y el techo de un edificio, descubrimos la posibilidad de efectuarlos a escala molecular.

Se trata de desarrollar especies qu�micas de tama�o adecuado para que penetren en el espacio interlaminar de las hojuelas de arcilla, expandan su estructura y, posteriormente, se transformen en otra fase estable que resista convenientemente la desintegraci�n. En forma gr�fica este proceso se ilustra en la figura 21.

En resumen veamos qu� caracter�sticas deben tener las especies qu�micas a fin de poder ser candidatos al "pilareo" de las arcillas:

4) Ser susceptibles de descomponerse en otra especie m�s estable cuando se les trata t�rmicamente o mediante otro procedimiento.

Con las premisas anteriores, los investigadores cient�ficos se armaron de "picos y palas" e iniciaron la b�squeda de especies que cumplieran los requerimientos. Los materiales id�neos resultaron ser los inorg�nicos, dado que los org�nicos son inestables al efecto de la temperatura. Una de las primeras familias de compuestos inorg�nicos fue la de los complejos del aluminio, que se obtienen mediante hidr�lisis. En este punto es necesario recordar que cuando el agua se combina con otra sustancia, sin que ninguno de sus enlaces se rompa, se tiene un fen�meno de hidrataci�n. Un ejemplo de este fen�meno es el cloruro de aluminio, el cual se forma con cristalizaci�n y que contiene seis mol�culas de agua: AlCl₃� 6H₂O. La tenacidad con la que un ion met�lico retiene a las mol�culas acuosas var�a considerablemente de un elemento qu�mico a otro. Si, por el contrario, el agua reacciona qu�micamente con una sal, produci�ndose una ruptura de enlaces O-H, entonces se tiene una reacci�n de hidr�lisis, en la cual se producen especies i�nicas hidratadas que imparten una cierta acidez. Es com�n que los hidratos sufran reacciones de hidr�lisis las que, en forma simple, podemos representar de la manera siguiente:

No obstante, resulta que cuando una sal de aluminio se hidroliza bajo condiciones controladas se genera una serie de reacciones complejas de hidr�lisis y polimerizaci�n, las cuales conducen a la formaci�n de especies solubles cuya identidad no est� del todo esclarecida. En fin, los cient�ficos buscaron en los cat�logos de los productos hidrolizados del aluminio y, para su sorpresa, encontraron que las especies m�s prometedoras se empleaban con �xito desde hac�a muchos a�os en �los desodorantes! Desde el punto de vista fundamental, sin embargo, investigaciones recientes han demostrado que esas especies tienen como constituyente principal al ion Al₁₃, cuya f�rmula qu�mica es lo suficientemente compleja como para espantar a un principiante:

La figura 22 (a) ilustra la estructura molecular de este compuesto, el cual est� formado por un �tomo central de aluminio de valencia 4 (tetra�drico) rodeado por 12 �tomos de aluminio de valencia 6 (octa�dricos) que forman una cadena, o sea un pol�mero inorg�nico. Este ion tiene asociada una fuerte carga positiva, por lo que es capaz de interaccionar con las cargas negativas presentes en las l�minas de la arcilla. Es necesario mencionar en este punto que las reacciones de hidr�lisis controlada permiten el acoplamiento del Al con otras especies m�s peque�as: Al₆, o bien Al₁₃ con Al₁₃ para formar Al₂₆, con lo cual la ingenier�a molecular adquiere su valor real, al permitir la obtención de especies precursoras de tama�o variable.

Adem�s del aluminio, tambi�n se ha utilizado el circonio, el cual forma iones complejos en soluci�n, por ejemplo el Zr(OH)₂ 4H₂O₄⁸⁺, que compone unidades tetram�ricas del tipo Zr semejantes a las mostradas en la figura 22 (b) con la posibilidad de penetrar el espacio interlaminar y formar especies estables en el interior. Otros complejos menos comunes se pueden obtener a partir de las sales de titanio, cromo, galio, hierro y zinc, principalmente.

Recapitulando, vemos que las especies descritas pueden presentarse en longitudes variables, seg�n la longitud de la cadena polim�rica, con lo cual se puede variar el tama�o del pilar formado en el interior del espacio interlaminar. Tambi�n esos complejos son solubles en el agua y portan una carga positiva que, como si fuera un im�n, se dirige hacia las zonas de la arcilla con carga negativa, ocupando naturalmente esos espacios mediante un proceso de car�cter electrost�tico. Si hubiera ya otro cati�n en ese lugar, la especie polim�rica tomar� su lugar, debido a un proceso de intercambio i�nico en el que la fuerte carga positiva de este �ltimo determina la posici�n final.

Finalmente, una vez intercambiados los iones dentro del espacio interlaminar de la arcilla, se procede a transformar al precursor del pilar en una especie m�s estable, lo que abordaremos a continuaci�n.

La transformaci�n en un pilar m�s estable de la especie intercalada se logra mediante un tratamiento t�rmico, a temperaturas elevadas, que provoca la descomposici�n del precursor y la transici�n hacia una nueva fase inorg�nica. Esta secuencia, considerando al complejo Al₁₃, se ilustra en la figura 23. Como puede observarse, la expansi�n de las l�minas aumenta por efecto de la intercalaci�n, pasando de 9.4 Angstroms en el estado deshidratado hasta 18.8 Angstroms una vez que el material se ha estabilizado. Un m�todo complementario de expandir la estructura laminar a distancias mayores se logra mediante la intercalaci�n de especies formadas por cationes met�licos distintos, como se indica en la figura 24.


Complejo metálico	Espacio interlaminar
	( en Angstroms )

Al	18.8
Zr	22.0
Cr	27.6
Fe	13.9
Ti	29.5

Figura 24. Relaci�n entre el tipo de metal y la expansi�n alcanzada.

El dominio de la ingenier�a molecular no se considera todav�a muy completo y a�n no estamos en posibilidad de responder todas las preguntas generadas en el proceso de modificaci�n de las estructuras. Por ejemplo, �cu�l es la naturaleza qu�mica del pilar?, o bien �qu� tipo de anclaje f�sico se tiene entre la base del pilar y la l�mina de arcilla?; �cu�l es la distribuci�n de los pilares en el espacio interlaminar? As�, aunque todas estas preguntas son de car�cter fundamental, tienen inter�s pr�ctico enorme, cosa que sucede muy a menudo en la investigaci�n cient�fica. Es decir, que las propiedades necesarias para el uso industrial de las arcillas pilareadas est�n relacionadas con par�metros tales como la estabilidad estructural y el di�metro de los poros, que a su vez dependen de la estabilidad del pilar y de la firmeza de su anclaje a escala microsc�pica, as� como de la distnbuci�n de los pilares entre las l�minas, siendo todos ellos importantes para llegar al dise�o de un tamiz molecular de propiedades adecuadas.

La naturaleza del pilar ha sido estudiada extensivamente en a�os recientes y, aunque su estructura se asemeja a la de un �xido met�lico, lo cierto es que no se cuenta a�n con evidencias claras al respecto.

En cuanto a la distribuci�n de los pilares, se presentan dos casos. En el primero se tendr�a una distribuci�n no uniforme e irregular de los pilares dentro del espacio interlaminar, como se observa en la figura 25 (a), mientras que en el segundo se tendr�a un arreglo ordenado en donde la distancia entre los pilares es constante (Figura 25 (b)).

Resulta obvio que esta distancia es de vital importancia si queremos obtener un tamiz molecular que permita la entrada selectiva de mol�culas dentro de cierto intervalo de tama�os.

En este punto cabe hacer notar que, a pesar de que las arcillas se utilizan desde hace cientos de a�os, a�n no hemos alcanzado todo el potencial que representan, mediante el dise�o inteligente y avanzado de sus propiedades estructurales.

Por �ltimo, y a guisa de comparaci�n, fij�monos un momento en la estructura pilareada que se presenta en la figura 26, la cual ha sido estabilizada por muchos siglos m�s.