Por José Carlos Canalda (CSIC)*

Es una imagen cotidiana y que hemos visto mil veces: una botella de agua (vacía, claro está) que con altas temperaturas se retuerce y se derrite. A menudo nos encontramos con una serie de fenómenos físicos o químicos que, por habituales, suelen pasar desapercibidos. Por ejemplo, ¿se han parado a pensar por qué algunos materiales poliméricos, como el polietileno de las bolsas de plástico o el caucho, son flexibles, mientras que otros, como el PVC o el metacrilato, son rígidos? (Empleo el término ‘materiales poliméricos’ y no ‘plásticos’ porque, si bien todos los plásticos son polímeros, otros polímeros no son plásticos, como ocurre con el caucho o con productos naturales como la celulosa o las proteínas).

Cuestión de flexibilidad

Con el calor, los cristales se transforman en líquidos, pero los vidrios, como las botellas, se reblandecen / A. Foncubierta (Flickr)

La razón está en una magnitud física denominada transición vítrea que, aunque no es exclusiva de estos materiales, sí es típica de ellos debido a su peculiar estructura interna. La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa. Es un fenómeno que está asociado a los sólidos amorfos o vítreos, de ahí su nombre, y que no se presenta en los materiales cristalinos. Veamos por qué.

Mientras los cristales se funden transformándose en líquidos, los vidrios se van reblandeciendo conforme los calentamos. Esto se debe a que un vidrio es en realidad un líquido subenfriado, es decir, un material con la misma estructura interna de un líquido -amorfos ambos- pero con una viscosidad tan alta que sus moléculas carecen de libertad de movimiento. Entonces, no hay una diferenciación clara, a modo de cambio de fase, entre un líquido y un vidrio pastoso.

Donde sí hay diferencias es entre un vidrio flexible y uno rígido, aunque en ambos casos el material sigue siendo amorfo. La rigidez se debe a que las moléculas que constituyen el material están confinadas sin capacidad de desplazarse, mientras que la flexibilidad existe cuando éstas disponen de cierta libertad de movimiento, aunque inferior a la que presentan los líquidos.

Desde un punto de vista físico la transición vítrea no es un cambio de estado, tal como ocurre con la fusión o la evaporación. La diferencia es fácil de entender. Si cogemos agua a temperatura ambiente y le aplicamos calor, lo primero que empieza a hacer es calentarse, incrementándose su temperatura. Pero cuando alcanza los 100º C -en realidad la temperatura exacta de ebullición depende de la presión- y comienza a hervir, la temperatura se queda clavada en ese valor, ya que el calor que le seguimos suministrando se consume ahora no en un aumento de temperatura, sino en el proceso de evaporación. No será hasta que toda el agua se haya evaporado, cuando el vapor resultante comience a calentarse de nuevo. Lo mismo ocurre con cualquier otro cambio de fase, de manera que, si bien podemos tener hielo por debajo de 0º C, una mezcla de agua y hielo en equilibrio termodinámico tendrá que estar forzosamente a esa temperatura hasta que se funda todo el hielo o hasta que se congele toda el agua, según calentemos o enfriemos.

La transición vítrea es el cambio de un estado flexible a otro rígido, o viceversa. / Wikipedia

Sin embargo, en la transición vítrea no ocurre esto, ya que mientras tiene lugar la transformación de rígido a flexible, o viceversa, la temperatura sí varía. Por eso no es un verdadero cambio de fase, aun cuando sus efectos sean ciertamente notables. Se la denomina transición de segundo orden.

Volvamos a los polímeros. Tal como comenté en un post anterior, éstos se caracterizan por ser materiales semicristalinos -aunque los hay amorfos-, estando formados por regiones cristalinas que se intercalan entre otras amorfas. Así pues, además de una temperatura de fusión en la que la fracción cristalina se funde, los polímeros suelen presentar además una temperatura de transición vítrea, que es la que determina que sean flexibles o rígidos a temperatura ambiente.

Los polímeros flexibles son aquellos cuya temperatura de transición vítrea está por debajo de la temperatura ambiente. La del polietileno es de -125º C, la del caucho sintético, -120º C; y la del caucho natural, -75º C, por poner tan sólo unos ejemplos. En el extremo opuesto están los polímeros rígidos cuya temperatura de transición vítrea es mayor que la temperatura ambiente, como el PVC (80º C), el metacrilato (120º C), el poliestireno (100º C) o el PET de las botellas de agua (60º C). En todos los casos esta magnitud es característica de cada tipo de polímero.

Si calentamos un polímero rígido hasta hacerle rebasar su temperatura de transición vítrea -sin alcanzar el punto de fusión, porque entonces se derretiría-, se hará flexible; así, una botella de plástico calentada por encima de 60º C se volverá blanda y se aplastará, al no poder soportar su propio peso. Justo al contrario, si introducimos un tubo de goma en nitrógeno líquido, a casi 200º C bajo cero, éste se volverá duro y frágil como el cristal… perdón, quería decir como el vidrio.

* José Carlos Canalda es doctor en ciencias químicas y pertenece al Instituto de Estructura de la Materia (CSIC). También mantiene una sección dedicada a la divulgación científica en su página personal http://www.jccanalda.es/