Historias de la Ciencia

Si la materia fuera totalmente neutra, la química, como ciencia, poco tendría que hacer. No obstante, a pequeñas distancias (de orden molecular) se ponen de manifiesto fuerzas de corto alcance que hacen que el mundo que conocemos sea como es. En nuestra historia de hoy daremos una pincelada sobre esas fuerzas.

En los átomos, los electrones se mueven continuamente alrededor del núcleo atómico y hay momentos en que están en un lado y momentos que están en otro. ¿Y qué sucede si tenemos una carga positiva en un sitio y una negativa en otro? Pues que entre ellas forman un dipolo eléctrico. Esto puede ocasionar que si hay cerca otro átomo, aunque sea neutro, reordene sus electrones acercándolos a las cargas de signo contrario entre sí hacia el primer dipolo.

En ese momento, las moléculas estén enlazadas con una fuerza muy débil, pero suficiente como para hacer, por ejemplo, que un gas se vuelva líquido. A estas fuerzas se las conoce como Fuerzas de Van der Waals y su radio de acción se llama, precisamente radio de Van der Waals. Por cierto, que Johannes Diderik Van der Waals se llevó el Premio Nobel de Física de 1910.   Estas fuerzas son las responsables de muchos fenómenos físicos y químicos como la adhesión, el rozamiento, la difusión, la tensión superficial y la viscosidad.

Pero hoy quería hablaros, sobre todo, de qué sucede cuando nos lavamos las manos. Si tenemos las manos grasientas y las aclaramos sólo con agua apenas conseguimos nada, pero si añadimos detergente quedan limpias. Bien, ¿cómo funcionan los detergentes que son capaces de mezclarse tanto con el agua como con la grasa cuando ambos, a primera vista, son incompatibles?

Ya Irving Langmuir, alrededor de 1930, se dio cuenta que a los materiales tipo detergente les gusta estar en la superficie del agua porque sus moléculas tienen extremos químicamente diferentes. Uno de esos extremos es “hidrofílico” o amante del agua: le gusta estar en el agua; el otro es “hidrofóbico”: que repele u odia el agua.

Los científicos han acabado tan hartos de esas palabras que llaman a los extremos cabeza y cola. Cuando mezclamos el detergente con el agua y agitamos la mezcla, unas cuantas moléculas se quedarán en la superficie y otras se quedarán dentro del agua.

Si se quedan en la superficie, las cabezas tienden a situarse junto al agua y las colas hacia fuera quedando estrechamente agrupadas (o sea, la parte hidrofílica en contacto con el agua y la hidrofóbica fuera).

Las que queden bajo la superficie del agua tienen dos opciones. Una de ellas es unir todas las colas de manera que en contacto con el agua sólo queden las cabezas. Es lo que se llama una micela.

En el centro de esa micela se sitúan las partículas de grasa. Como las micelas tienen la parte hidrofílica externa en contacto con el agua se disuelven con ella. Eso es lo que sucede cuando nos lavamos las manos. Las mujeres de la limpieza son, en este caso, unas químicas de primera.

Otro modo de comportarse los detergentes en el agua es formar una bicapa:

La parte central de las bicapas está cómoda por tener sólo la cabeza tocando con el agua. El problema está en los extremos que pueden ponerse en contacto entre sí y se forma entonces lo que se conoce como un liposoma.

La diferencia más remarcable entre las micelas y los liposomas es que las micelas llevan en su interior sustancias solubles en aceite y los liposomas llevan sustancias solubles en agua.

Las paredes de las burbujas de jabón no son otra cosa que una doble capa de jabón o detergente con las colas orientadas hacia el aire y las cabezas hacia la capa de jabón, en contacto también con una finísima capa de agua, que, además, se evapora con facilidad y da como resultado la pérdida de la estructura y la ruptura de la burbuja a pocos segundos de que se ha formado.

Por supuesto, todas estas cosas están íntimamente relacionadas con la geometría molecular, o sea, la forma que tienen las moléculas en el espacio. Os pongo dos imágenes muy significativas en las que se pueden ver los resultados de tener la cabeza igual que la cola o la cabeza más grande que la cola.

Estamos en 1757, en una travesía marítima donde viajaba Benjamin Franklin. Observó que las estelas de dos de los barcos del grupo eran lisas mientras que la que dejaba su barco y el resto eran encrespadas. Corrió al capitán a explicarle este fenómeno. La respuesta no se hizo esperar: Los cocineros, supongo, deben haber estado vaciando sus grasientas aguas por los imbornales y han engrasado un poco los costados de esos barcos.

Pero Franklin pensó que en realidad el aceite afectaba al agua y no a los barcos. Comprobó esta idea durante 17 años y culminó en un estanque en el Claphmam Common de Londres. El viento rizaba el agua cuando vertió una cucharada de aceite de oliva en la superficie. Con sus propias palabras:

Aunque no era más que una cucharadita, el aceite produjo una calma instantánea en un espacio de varias yardas cuadradas, calma que se propagó de forma asombrosa y se extendió gradualmente (…) haciendo que toda aquella parte del estanque se volviera tan lisa como un espejo.

¡Ay!, Franklin. Querías calmar las olas pero lo que no sabías es que ese mismo experimento se utilizaría más tarde para calcular el grosor de las moléculas. Hoy día sabemos que un película oleosa se extiende formando una capa de una molécula de espesor que permanece unidas gracias a las fuerzas de Van der Waals.

De hecho, 116 años más tarde, Lord Raileigh repitió el experimento en un baño con un volumen de aceite cuidadosamente medido y colocando piezas de alcanfor flotantes para que marcaran los límites de la película. Llegó a la conclusión que el espesor de la molécula era 1,6 nanómetros (1,6 millonésimas partes de 1 mm). Con esa información se pudo saber que la cucharilla de Franklin debía tener un volumen de unos 3 ml, lo que equivale a una de té georgiana de la época.

De ahí a hacer un auténtico instrumento científico con el que medir espesores de moléculas tuvo que hacerlo el propio Irving Langmuir, en 1935.

Unas fuerzas débiles, pero tremendamente decisivas.

Fuentes:
“Cómo mojar una galleta”, Len Fisher
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/18/html/sec_6.html
http://castellano.revistaeureka.com/index.php?option=com_content&task=view&id=77&Itemid=50
http://members.tripod.com/plinios/acapulco.htm
http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070223144357AAN4Vje