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Química

Electricidad en el aire, en el agua y en todas partes

Un modelo sobre las cargas eléctricas desarrollado en la Unicamp indica que no existen los materiales neutros

DSC_0714EDUARDO CESARHace doce años, el químico Fernando Galembeck encontró cargas eléctricas esparcidas en la superficie y en el interior de partículas y películas de látex naturales y sintéticos. Las cargas no deberían hallarse ahí, pero estaban, contrariando la supuesta verdad que reza que materiales plásticos tales como aquéllos, utilizados en la fabricación de muebles y computadoras, serían eléctricamente neutros. Reuniendo resultados similares, Galembeck y su equipo en el Instituto de Química de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) desarrollaron un conjunto de conocimientos con hipótesis, descubrimientos y demostraciones -un modelo científico-sobre la asiduidad y las interacciones de las cargas eléctricas positivas o negativas que habitan en cuerpos supuestamente neutros.

Los conceptos que emergen en la Unicamp y en otras universidades en Estados Unidos, amplían las posibilidades de estudio de la interacción de materiales entre sí y con el medio ambiente -ya que el aire y la mera humedad del aire también pueden transportar cargas eléctricas- explicando la formación de los relámpagos, por ejemplo. También inspiran la construcción de nuevos equipamientos. En 2007, los descubrimientos del físico estadounidense Lawrence Schein, ex investigador de Xerox e IBM, sobre partículas con cargas eléctricas, motivaron la creación de una empresa en Taiwán para desarrollar una tecnología de impresión color láser -las impresoras color actualmente son hasta tres veces más caras que las blanco y negro.

Aparte de las impresoras láser, la electricidad estática -o electrostática- es parte del funcionamiento de máquinas copiadoras y de un tipo de pintura que protege heladeras y cocinas contra los efectos de las variaciones constantes de temperatura. Las descargas electrostáticas pueden destruir chips de computadoras, interferir en transmisiones televisivas u originar incendios y explosiones en fábricas, globos dirigibles o cohetes, tal sucedió con el vehículo de lanzamiento del satélite brasileño en 2003. O causar sustos tales como la descarga que podemos sufrir al asir un picaporte en un día seco. Al inducir el paso de la electricidad de un rayo por el hilo de una cometa de papel, Benjamin Franklin no sólo entró en la historia como inventor (más tarde ingresaría también como presidente de Pennsylvania y uno de los padres fundadores de Estados Unidos), sino que también presentó al mundo una forma de energía que ahora cobra mayor importancia.

Dos  siglos más tarde, por caminos paralelos, algunos científicos como Galembeck y el químico George Whitesides, quien coordina un grupo de investigación en la Universidad de Harvard, Estados Unidos, están arribando a la misma conclusión: no existe nada eléctricamente neutro. En 2007, Whitesides era uno de los autores de un artículo publicado en la revista Journal of American Chemical Society, que invitaba a revisar el principio de la electroneutralidad, enseñado en los colegios y facultades a los estudiantes de química, física e ingeniería. En 2008, en otro estudio, Whitesides refrendaba también la siguiente declaración: “Cualquier material que tenga iones [partículas con carga eléctrica predominantemente positivas o negativas] en su superficie o en su interior, puede comportarse como un electreto iónico” [los electretos son materiales con un campo eléctrico permanente en su superficie, que funcionan para la electrostática tal como los imanes para el electromagnetismo]. “Cuando este material entra en contacto con otro, los iones pueden circular de uno al otro”.

Nuevas ideas
“Somos eléctricos, todo es eléctrico”, sintetiza Galembeck. En el laboratorio, para demostrar cómo las cargas eléctricas circulan de manera imperceptible, él apoya el dedo en una placa de silicona con una carga eléctrica que genera un potencial, medido por un voltímetro, de 267 voltios. “No morí electrocutado porque las cargas están paradas”, recuerda. “Pero me hubiera electrocutado si lo apoyase en este electrodo aquí, que mide la electricidad de la placa generando un potencial eléctrico de la misma intensidad”. Las cargas eléctricas están detenidas, explicando así por qué no sufrimos descargas a cada momento al tocar objetos antes considerados como neutros, aunque no siempre se hallan paradas: pueden traspasar hacia el interior de los materiales o atraer cargas opuestas, tal como él y su equipo demostraron examinando casi 50 materiales diferentes bajo un microscopio de fuerza atómica modificado, que identifica la variación de la carga eléctrica a lo largo de la superficie.

En poco tiempo, los resultados condujeron a nuevas ideas e hipótesis para fenómenos poco explicados. Quien sufre un infarto, por ejemplo, no puede utilizar nada en el corazón o en las arterias construido con polietileno o con polipropileno: esos materiales pueden originar coágulos y bloquear el paso de la sangre. “Tal vez sea que esos polímeros, normalmente negativos, atraigan partículas con carga positiva que circulen por la sangre”, propone Galembeck. “Si ésa fuera la causa, y si conseguimos controlar la carga eléctrica, tal vez puedan desarrollarse materiales nuevos y mejores, para muchas finalidades”.
Doce años de análisis de compuestos orgánicos tales como polímeros (látex) y celulosa o inorgánicos tales como los minerales indicaron que la distribución espacial de cargas fijas siempre resulta muy irregular. “Las cargas eléctricas salpican la superficie de los materiales, formando manchas como las de un yaguareté”, compara Galembeck. “Antes, pensábamos que todos los materiales eran uniformes como la piel de un puma”. Bajo el microscopio, la superficie de esos materiales aparece como los paisajes amarillentos de la superficie de Marte enviados por la sonda Phoenix en 2008, con regiones más claras, que corresponden a las cargas positivas, mezcladas con otras más obscuras, con cargas negativas. El óxido de titanio depositado sobre la mica es una rareza entre las formas irregulares: es casi todo oscuro, con raras manchas claras.

Un material plástico denominado poliestireno metacrilato de hidroxietila (PS-Hema) es otra excepción, esta vez por causa de una estructura de partículas en forma de colmena. Examinando ese material, André Herzog, André Galembeck, Carlos Costa y Camila Rezende, químicos del equipo de Galembeck, observaron colmenas dentro de esas colmenas con variaciones de carga eléctrica hasta en áreas de 1 micrón por 1 micrón (1 milésima de milímetro). “El hecho de que un área sea negativa no significa que toda la muestra sea negativa”, dice Camila. El microscopio revela detalles de los denominados mapas eléctricos, mientras que un macroscopio, instalado en una caja de aluminio con un sensor en forma de lapicera -todo creación de los propios investigadores- suministra la identidad eléctrica de los materiales. En potencial de equilibrio, luego que las cargas eléctricas se acomodan, el polipropileno exhibe 7 voltios negativos, el poliestireno 5 voltios negativos.

Excesos
Los estudios realizados hasta ahora en la Unicamp indican que en el látex sintético las cargas negativas resultan del exceso de iones clorato (Cl) o sulfato (-SO4, en ese caso sólo con una carga negativa, en lugar de dos, porque está ligado a una molécula a la cual se ligan otras conformando una larga cadena que es la característica de los látex) y fosfato (PO4, con una sola carga negativa por la misma razón que el sulfato), mientras que las positivas expresan el exceso de iones potasio (K+) o sodio (Na+). Según Galembeck, los iones positivos son restos de las sustancias que inician la formación del látex, que permanecen aislados, sin fijarse en las partículas de látex. Aunque el caucho natural, de acuerdo con la tesis doctoral de la química Márcia Maria Rippel, graduada en 2005, puede presentar regiones con un exceso de cargas positivas, como resultado de la abundancia local de calcio, sodio y potasio (Ca2+, Na+ y K+), o negativas, con proteínas y fosfolípidos (que son sustancias similares a la lecitina de leche y de soja).

La supuesta neutralidad eléctrica del aire y del agua también cayó. De acuerdo con un estudio de revisión escrito por Camila, Rúbia Gouveia, Marcelo Silva y Galembeck, los iones positivos y negativos pueden formarse en el aire, como resultado de la emisión radiactiva emanada de minerales como el radón, del Sol o del espacio, como así también del campo eléctrico que existe entre la superficie de la Tierra (negativa) y la ionosfera (positiva). Siguiendo este razonamiento, el agua deja de ser un conglomerado de moléculas neutras de H2O y se transforma en una mezcla de H2O y de iones positivos hidronios (H3O+) y negativos oxhidrilo (OH). El líquido más abundante del planeta se convierte así en un acumulador de electricidad. Una de las consecuencias es que el agua se torna, también, cohesiva.
“Con algunos iones, el agua puede adherir cualquier cosa con cualquier otra cosa”, expresa Galembeck.

Leonardo Valadares, químico de su equipo, coordinó un experimento que demostró algunas de esas posibilidades. Materiales que normalmente no se mezclan -sílice, un polímero, un mineral rico en calcio y dióxido de titanio- se presentaron mezclados luego de ser diluidos en agua, secados y examinados bajo un microscopio electrónico, de acuerdo con un estudio publicado en 2008 en la Journal of Physical Chemistry. El grupo de la Unicamp analiza las posibilidades de interacción de los iones positivos y negativos del agua con otros materiales, mientras que el de Whitesides se concentra en el oxhidrilo. Ambos grupos exploran las posibilidades de construcción de dispositivos con base en esos conceptos: Whitesides mostró cómo construir nuevos electretos (captadores de cargas eléctricas) con poliestireno en la Journal of American Chemistry Society en febrero de 2007; ahora, en febrero de este año, los equipos de la Unicamp y de la universidad inglesa de Sheffield describen en la revista interdisciplinaria Langmuir, partículas formadas por sílice y poliestireno fuertemente adheridos, formados en presencia de agua.

UNICAMP

Agua eléctrica
El agua reveló también otra propiedad: además de ser portadora de cargas eléctricas de otros materiales, puede ser una fuente de cargas eléctricas. En la Universidad de Washington en Seattle, Estados Unidos, Gerald Pollock y Kate Ovchinnikova examinaron la capacidad de ser momentáneamente eléctrica del agua, en un artículo publicado en noviembre de 2008 en la revista Langmuir, una de las principales revistas científicas internacionales en fisicoquímica, bajo un título interrogativo: “¿Can water store charge?” (¿Puede el agua almacenar cargas eléctricas?). Ellos verificaron que la corriente eléctrica en el agua persistía durante diez minutos luego de que los polos negativos y positivos de la corriente eléctrica -los electrodos- fuesen desconectados. Los investigadores concluyeron que el agua “parece tener” la capacidad para almacenar y distribuir cargas eléctricas. La cautela de los autores es algo que parece excesivo, ya que ellos dicen haber recogido con un equipamiento, la mayoría de la carga eléctrica separada en el agua.

El hecho de considerar el agua como una fuente de electricidad ayuda a comprender de fenómenos atmosféricos tales como la formación de relámpagos, que son disparados por cargas eléctricas liberadas por las propias nubes. “Si consiguiésemos controlar esa electricidad estática a punto tal de evitar los relámpagos…”, imagina Galembeck. “Todo lo que conseguimos hasta ahora es intentar atraer los rayos hacia los pararrayos”. En las propias nubes sucede una acumulación y separación de cargas eléctricas, más fácil de entender observando el líquido más abundante en el planeta como si fuera una sopa raleada de iones -los positivos normalmente en altitudes más elevadas que los negativos.

“Existe un campo eléctrico en la atmósfera”, dice él, buscando explicaciones para la separación de las cargas eléctricas en las nubes. “La ionosfera [una de las capas más altas de la atmósfera] es predominantemente positiva y la Tierra, negativa”. Uno de los experimentos de su grupo demostró que el agua de la atmósfera cumple un rol muy importante en la electrificación de los materiales, por transferir iones: el simple hecho de que una hoja de papel cambie de un ámbito de humedad mayor para otro de humedad más baja es suficiente para cambiar su estado de electrificación. “Los cuerpos pueden interactuar con el espacio que los circunda, ganando o cediendo cargas eléctricas”, observa Galembeck.

También surgen explicaciones para el hecho de que polvos normalmente inocuos como el azúcar o la harina de trigo exploten por causa de una electrificación descontrolada -uno de los mayores accidentes industriales en Estados Unidos, en 2003, se dio en una fábrica de materiales quirúrgicos, causando 16 muertes, debido al polvo de polietileno acumulado en los ductos del aire acondicionado, que se electrificó y explotó. Los polvos pueden explotar con mayor facilidad que otros materiales porque presentan una mayor área para interactuar con los iones del agua de la atmósfera. No conocemos tanto, sin embargo, porque las lagunas del conocimiento aún son enormes. “Este plástico”, dice Galembeck señalando la placa de fórmica que reviste el armario junto al que se encuentra sentado ¿absorbe más oxhidrilos o hidronios de la humedad del aire?¿Qué sucederá, al interactuar con un ión u otro? Estoy partiendo del supuesto de que no se absorbe en la misma proporción. Absorbe agua, claro, pero debe haber una partición, una separación de los iones”.

Las preguntas más básicas continúan sin respuestas satisfactorias: ¿por qué aparecen las cargas?, ¿por qué un cuerpo se electriza?, ¿qué es lo que hace que una carga normalmente estática se movilice? “Los portadores de carga no son solamente los electrones”, sospecha Camila. En opinión de Galembeck, la electrostática generó empresas y el millonario negocio de las fotocopiadoras e impresoras, aunque su progreso ha dependido de nuevos conceptos e ideas. “Necesitamos salir de la situación actual, que es la peor posible: no sabemos a qué atribuir lo que sabemos”. En un artículo publicado en 2007 en la revista Science, con la autoridad de quien ha trabajado en empresas innovadoras, Schein amplió más allá de los círculos académicos el deseo de otras respuestas: “Necesitamos entender cómo es que surgen las cargas y cómo se comportan las fuerzas electromagnéticas”.

Nubes
Luego de años de trabajo silencioso en busca de explicaciones para los resultados, aparte de la ley que planteara, Galembeck puede ahora celebrar una estrategia de trabajo que dio en el blanco: investigar en temas científicos actuales, pero también apostar por caminos menos conocidos. “No conté con ningún estímulo ni presupuesto específico para los estudios sobre electrostática, pero si tuve autonomía”, cuenta él. “Aproveche información y sobrantes de equipamientos de otros proyectos”. Con los resultados experimentales, artículos e ideas nuevas disponibles, ahora cuenta con los medios para explicar situaciones que lo intrigaban desde hace mucho tiempo. “¿Por qué la forma de las nubes de lluvia y las de los incendios son tan diferentes? Tal vez por causa de la separación de los iones”.

Él no vacila en dejar de lado las nubes para explicar un experimento que el profesor de física Walter Lewin suele mostrar a los estudiantes del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) (la experiencia puede verse en YouTube). De dos canillas caen gotas de agua que pasan a través de un cilindro metálico y caen en latas separadas. De cada lata sale un alambre terminado en una esfera. Las esferas de las puntas de los alambres casi se tocan. Luego de algunos segundos que el agua comienza a gotear, las esferas disparan una chispa eléctrica. ¿Cómo explicarlo? Según la clase del profesor Lewin, disponible en Internet, el agua que se acumula en el fondo de las latas es un agua electrificada, con capacidad para provocar una descarga eléctrica en el aire. Ese fenómeno, tan sencillo y conocido desde los tiempos de Kelvin, podría constituir una fuente de energía eléctrica, pero no es así, porque no se halla bien interpretado. ¿Cómo surge esa electricidad?” Galembeck plantea una nueva explicación: “El agua, al gotear, se evapora parcialmente, reteniendo mayor cantidad de iones positivos o negativos”. ¿Alguien más arriesga una explicación?

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