La química que usa el ladrón de bicicletas

Un buen día decides que debes hacer más ejercicio del habitual y vas en bicicleta a comprar el pan. Aparcas tu bici, la sujetas con una cadena de seguridad a una farola, entras a comprar y cuando sales cinco minutos después… ¡ya no tienes bici! En la farola solamente quedan los restos de tu cadena, que ha sido cortada con unas tenazas.

Esta historia es bastante habitual, si no lo habéis vivido conoceréis a alguien cercano al que le haya pasado. Pero, ¿por qué es tan habitual? Conseguimos llevar al hombre al espacio en un cohete, hacer chalecos capaces de parar un disparo y ¿no somos capaces de hacer una cadena de seguridad irrompible? La respuesta es que no, y la química de materiales tiene la explicación.

Para diseñar una cadena irrompible ideal debemos tener en cuenta dos características de cualquier material: la dureza y la flexibilidad. La dureza indica la resistencia de un material a ser rallado o cortado, y la flexibilidad su capacidad de deformación y la resistencia a los golpes. Ambas características se relacionan con la distribución de los átomos en un material y con la fuerza de los enlaces entre ellos, pero son opuestas: un material muy duro necesariamente será poco flexible y viceversa.

Imaginemos una cadena de diamante, el mineral de mayor dureza. Sería imposible cortar la cadena con unas tenazas, por muy grandes que sean porque el material resiste los cortes. Sin embargo la cadena de diamante se rompería simplemente golpeándola con un martillo, ya que el diamante no es flexible y al no ser capaz de absorber la energía de los golpes acaba rompiéndose. Imaginemos ahora el caso contrario, si tuviésemos una cadena hecha de goma, resistiría los golpes de un martillo gracias a su flexibilidad pero sería muy tentador cortarla con unas tijeras.

Esta relación entre dureza y flexibilidad es el obstáculo al que se enfrenta un fabricante de cadenas de bicis. La mejor solución es llegar a un punto intermedio: un material que sea medianamente duro pero también un poco flexible, sin llegar al extremo en ninguno de los dos casos. Además es importante que sea un material barato, abundante o fácil de fabricar. Por suerte, ya existe un material así, que irónicamente es justo el material de la cadena de tu bici robada: el metal.

Si vemos un metal a nivel atómico comprobaremos algo muy interesante: no tiene orden establecido. Los átomos están apilados de manera homogénea en el metal y los electrones viajan libremente entre ellos (esta libertad de movimiento es la causa de que los metales puedan conducir la electricidad). Esta estructura única da una dureza intermedia, ya que los átomos están apilados de una manera compacta, pero también una cierta flexibilidad, porque es capaz de absorber la energía del golpe por modificaciones en su forma. La imagen tradicional de un trozo de metal no induce a pensar que sea un material flexible, pero si se golpea con un martillo se puede doblar sin romperlo (con un cristal, que no es nada flexible, el golpe produce su ruptura).

Según que metal usemos, las propiedades de dureza y flexibilidad varían. La industria siderúrgica ha diseñado diferentes mezclas entre metales o metal y otro material (mezclas llamadas aleaciones). Estos nuevos materiales tienen propiedades diferentes. Normalmente los candados de seguridad están fabricados con acero, una aleación entre hierro y carbono. Según la proporción de ambos componentes y la posibilidad de añadir algún elemento más podemos obtener diferentes tipos de acero, buscando el que tenga la mejor relación dureza-flexibilidad.

Pero imaginemos que realmente incumplimos varias leyes de la física y obtenemos un supermaterial extraterrestre que tiene una dureza y flexibilidad máxima, y lo usamos para construir una cadena de seguridad para nuestra bici. ¿Podríamos romperla?

Un químico ladrón atosigado por la falta de becas podría. El truco esta en cambiar las propiedades del supermaterial para hacerlo menos flexible y más duro aun, y esto se puede lograr congelándolo. Al congelar un material aumentamos su dureza y disminuimos su flexibilidad haciendo que se vuelva vulnerable a los golpes con un martillo, pudiéndose romper con facilidad.

Pero meter la cadena en el congelador no sirve: para congelar el acero lo suficiente como para cambiar sus propiedades necesitamos una temperatura mas fría que la de un congelador de cocina, de al menos -25 ºC según la composición del  metal. Esta temperatura se puede conseguir rociando el candado con un spray de aire comprimido, que al expandirse fuera de la lata, absorbe el calor del material alcanzando esta temperatura. (Podeis ver los resultados en este video). Aunque si nos ponemos mas técnicos podemos obtener temperaturas mas frías usando nitrógeno liquido (–195,8  °C), capaz de condensar el aire de nuestro alrededor, formando una nube que nos permita escapar con nuestra “nueva” bici.

No obstante, robar es malo. No lo hagáis.

Fuente | Popular Science