Huevos de dinosaurio

06/11/2018 0 comentarios
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Los juguetes denominados huevos de dinosaurio permiten hacer un vistoso experimento en casa, y nos dan información del comportamiento de los hidrogeles, unos buenos representantes de la materia blanda.

A los niños los gusta manipular cosas asquerosas: es un hecho experimental y experimentado. Ya hace unos años el blandi-blub estaba en todas las casas, y actualmente lo ha sustituído el slime. Ambos son pastas de propiedades poco habituales, y podríamos añadir también a la lista la silly putty, a la que llaman plastilina inteligente u otros nombres imaginativos. Estamos en el mundo de la materia blanda, la soft matter como les gusta decir a algunos físicos.

Empecemos por el principio, que para mí es empezar por la realidad de las cosas, de los objetos y de las sustancias que los constituyen. El esquema simple de que los estados de la materia son sólido, líquido y gas, que se explicaba y se explica en las escuelas y en los libros, habría que dejarlo de explicar, al menos como muchos maestros lo hacen. Dejemos a los gases aparte, porque no constituyen objetos por ellos mismos. Nos rodean y estamos constituídos de materias de propiedades muy variadas. Cuando se aplica a la materia no gaseosa una fuerza de presión, de estiramiento o de cizallamiento presenta comportamientos muy diferentes: unos objetos son más o menos duros y otros más o menos blandos, unos fluyen más o menos, y otros no; unos pueden cortarse fácilmente y otros no; unos son deformables y otros indeformables; y entre los que se deforman, unos son elásticos y vuelven a su forma cuando deja de aplicarse la fuerza, y otros, en cambio, quedan deformados por siempre jamás (es un decir): tienen un comportamiento plástico.

Los objetos duros, indeformables, y que no fluyen los clasificamos como sólidos genuinos. Así, las sustancias puras constituidas por estructuras cristalinas suelen ser sólidas: son ejemplos de ello los metales y sus aleaciones, las sales inorgánicas como el bicarbonato de sodio o la sal común, o ciertos cristales orgánicos de plástico. Muchas de las sustancias puras formadas por moléculas pequeñas suelen ser, a temperatura ambiente, gases (como el oxígeno, o el amoníaco) o líquidos (como el agua, o el alcohol etílico). Al mezclar sales con agua muchas se disuelven y el líquido resultante se comporta cono un líquido genuino, similar al agua: fluye facilmente y "toma la forma del recipiente que lo contiene", como decía la frase cabalística de todos los libros.
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Pero las sustancias puras constituídas por moléculas grandes o muy grandes, y sus mezclas con agua, se comportan de formas muy diferentes. Entre los sólidos y los líquidos hay un gran número de sustancias con un comportamiento intermedio. Es la materia blanda, con productos como las espumas, las emulsiones, las suspensiones, los aerosoles o los geles. Suelen ser sistemas dispersos, es decir, mezclas de sustancias inmiscibles, una hidrofílica (afín al agua) y la otra hidrofóbica (que repele el agua). Estas sustancias se dispersan íntimamente una dentro de otra, pero manteniendo cada una su composición, y dan mezclas más o menos estables. Su estabilidad, que es casi siempre menor que la de los sólidos clásicos, se explica por la existencia de enlaces débiles entre moléculas, como los puentes de hidrógeno o los enlaces de van der Waals. Buena parte de esta materia blanda se encuentra de forma natural en la biosfera, constituyendo la mayor parte de tejidos y estructuras de los seres vivos. Los productos de cosmética o detergencia, los adhesivos, las pinturas y otros productos industriales están basados también en las características y aplicaciones de la materia blanda. En particular la cocina actual -lo que se suele denominar la gastronomía molecular, una denominación un poco abusiva- se basa en un uso creativo de las propiedades de muchos alimentos, que son materia blanda.

Son también materia blanda los mocos de gorila, las babas de elefante (¿o era a la inversa?) y los huevos de dinosaurio. Hablaremos de estos últimos, y dejaremos mocos y babas para otra entrada. No hablaremos de los auténticos huevos de dinosaurio fósiles que se encuentran por diferentes yacimientos, como Isona, en la Conca de Tremp (Lleida) o en Teruel. Por cierto, en la película Parque Jurásico clonan dinosaurios a partir del ADN tomado de la sangre que guardaba un mosquito que picó a un dinosaurio, mosquito que quedó englobado en una masa de ámbar que protegió la sangre sin degradarse. Pero por ahora todo es ciencia ficción.

Aquí hablaremos de los huevos de dinosaurio de juguete. Son una aplicación lúdica de los hidrogeles, materiales representativos de la materia blanda. Los geles son estructuras con una cierta rigidez formados por una red tridimensional de moléculas orgánicas de dimensiones considerables, con ramificaciones, unidas entre ellas por enlaces débiles, y que tienen una estructura química con muchos grupos hidrofílicos en sus cadenas. Estos grupos pueden adsorber moléculas de agua, y entonces la red se inflará notablemente, aumentando su volumen. Esto es lo que le pasa a la gelatina alimentaria cuando forma geles, y lo que les ocurre a los pañales actuales, tanto los de uso para niños como para adultos, pero sin hincharse tanto. El material absorbente -superabsorbente, le llaman los publicistas- solo ser poliacrilato de sodio, de siglas SAP. Es un polímero derivado del ácido acrílico, un producto sintetizado a partir del petróleo que cuando polimeriza genera unas intrincadas redes tridimensionales que pueden llegar a retener centenares de veces su peso de agua o del fluido acuoso que sea. Estos poliacrilatos se usan también en forma de bolitas para la retención de agua para regar tiestos, y otras aplicaciones industriales o agrícolas. Estos materiales se conocen desde la segunda mitad del siglo XX.

 

Los huevos de dinosaurio son un juguete que lleva un cierto tiempo en mercado, y que ahora ha llegado a la casa de un servidor junto con los nietos de la edad apropiada para jugar con ellos. Consisten en un huevo de 5 a 10 cm de diámetro mayor, que tiene un caparazón de material frágil, con dos agujeros en uno de sus extremos. En el interior del huevo hay una figura animal, como un dinosaurio, un camaleón, una serpiente o cualquier otro, hecho con el material gelificado. Al sumergir el huevo en el agua, entra por los agujeros de la base del huevo, y el material del interior empieza a hincharse. Al cabo de unas cuantas horas ha crecido tanto que la presión sobre el caparazón es suficiente para romperlo, con un efecto visual muy convincente de nacimiento del animal. Al cabo de dos o tres días ha crecido lo suficiente como para romper todo el caparazón, y el bicho se sigue hinchando si se mantiene en agua. El material es, en este caso, un derivado del poliacrilonitrilo (PAN), que es un material similar al caucho, y que se mezcla con glicerina y etilenglicol para darle la dureza y elasticidad deseadas. El resultado es un caucho muy flexible, y resistente, y que a la vez es muy absorbente (figura 1)

Figura 1. Huevo y dinosaurio una vez ha salido de su caparazón

Cuando se saca la figura del agua, va evaporándose el agua de su interior, y perdiendo volumen y masa, hasta volver prácticamente a las dimensiones que tenía dentro del huevo. El proceso de crecer y reducirse se puede repetir muchas veces. El proceso de secado, desde el punto de vista fisicoquímico, es tan interesante como el proceso de crecimiento. La representación de la masa de dinosaurio a lo largo del tiempo muestra una disminución paulatina, y ello nos indica que es un proceso de secado de la denominada humedad ligada (figura 2). Esta es la humedad del interior de la masa, que está retenida por enlaces débiles, pero más fuertes que los simples enlaces entre dos moléculas de agua.

La humedad de una longaniza recién hecha es también humedad ligada: cuando se seca a lo largo de los días va reduciéndose la masa paulatinamente. La velocidad de secado depende del grado de humedad del aire ambiente, pero cualitativamente la forma de la gráfica siempre es similar. Existe también la humedad no ligada, que es la que moja el objeto en su superficie, y que se evapora en poco tiempo.

Doy algunos datos de uno de los dinosaurios de mi casa. Cuando estaba dentro de su huevo tenía una longitud máxima de 10 cm. Al hincharse en el agua ha llegado a tener una longitud de 25 cm. Dado que, más o menos, el volumen es proporcional al cubo de la dimensión lineal, aproximadamente ha aumentado su volumen en quince veces. En dichas condiciones, saturado de agua, pesaba 730 g.

Dejado al aire ambiente, y registrando su masa y su longitud máxima cabeza-cola, se pueden dibujar las curvas de la figura 2. La reducción de la masa es progresiva y paulatina, más o menos como la longitud, y se llega en 40 días a los valores iniciales de 48 g y 10 cm. No es del todo casual que la masa cuando está llena de agua sea de 15 veces el valor inicial, aproximadamente como el incremento de su volumen

Todos estos objetos y materiales se prestan muy bien a hacer experimentos tanto de tipo cualitativo como cuantitativo en las clases, dependiendo del nivel de los alumnos. E incluso pueden hacerlo en casa, siempre que tengan una balanza de cocina que aprecie gramos. Y al final de los experimentos tendremos un juguete... o una longaniza seca que degustarás con gran placer.

Figura 2. Variación de la masa m y la longitud L en el proceso de secado