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Un chocolate de cristal con textura de terciopelo

Fernando Gomollón Bel (CSIC)*

Estamos rodeados de cristales. Quizás no lo sepáis, pero es verdad. Y no, no me refiero a esos trocitos de vidrio que no barriste bien la última vez que se te rompió un vaso en la cocina y que siguen apareciendo por toda la casa. Estoy hablando de cristales, los sólidos más ordenados que existen.

Existen varios estados de la materia: sólido, líquido, gas, plasma… Los sólidos suelen ser los estados más densos, en los que las moléculas de una sustancia están más apretadas. Los cristales son unos sólidos muy especiales. Las moléculas de un cristal, además de estar muy próximas unas de otras, presentan una estructura ordenada.

Chocolate de terciopelo

Efecto de terciopelo en huevos de chocolate /(© American Chemical Society)

Gracias a la cristalografía (la ciencia que, con la inestimable ayuda de los rayos X, se dedica a estudiar los cristales) hemos descubierto la doble hélice del ADN, la estructura de miles de proteínas o la disposición exacta de los átomos en nuevos fármacos antitumorales. Más de 29 premios Nobel han recibido su galardón por estudios directamente relacionados con esta disciplina. Tampoco es complicado encontrar aplicaciones más cercanas. Basta con ir a la cocina y observar con atención en el salero. Esos pequeños cubitos son cristales. Echad un ojo al azúcar también. De nuevo, cristales. La pasta de dientes, los huesos o los diamantes también poseen una estructura cristalina.

¿Todavía no te has convencido de la importancia de los cristales? ¿Y si te dijera que sin cristales no tendríamos chocolate? ¡El acabose! Ahora sí que sí, es incontestable: estudiar los cristales merece la pena.

Como ayer, 13 de septiembre, se celebró  en algunos países el Día Internacional del Chocolate en homenaje al natalicio de Roald Dahl (1916-1990), creador de Charlie y la Fábrica de Chocolate, aprovecho para explicarte que el chocolate está hecho de manteca de cacao cristalizada, con algunas ‘impurezas’ de azúcar, masa de cacao y otros ingredientes. Se conocen seis formas distintas de cristales de chocolate, con distintas propiedades.

 

Forma T. de fusión Notas
I 17 °C Suave, se desmigaja, se funde muy fácil.
II 21 °C Suave, se desmigaja, se funde muy fácil.
III 26 °C Firme, sonido pobre, se funde muy fácil
IV 28 °C Firme, sonido bueno, se funde muy fácil
V 34 °C Brillante, firme, sonido perfecto, funde en la mano
VI 36 °C Muy duro, tarda semanas en formarse

 

En los años 60, unos maestros chocolateros catalanes descubrieron una forma sólida de chocolate muy curiosa: el chocolate “de terciopelo”, bautizado así por su textura. Muchos reposteros han ido perfeccionando la técnica de fabricación de este tipo de chocolate desde entonces, pero nadie se había sentado a estudiar sus cristales hasta ahora. Unos investigadores de la Universidad de Barcelona, en colaboración con la Universidad de Hiroshima y el chocolatero Enric Rovira, se han puesto manos a la obra y han conseguido unos resultados muy interesantes.

Para conseguir el chocolate aterciopelado se pulveriza chocolate fundido sobre una superficie metálica muy fría. Se trata de un proceso de templado similar al que se utiliza en la fabricación de objetos de vidrio. En un artículo reciente, el equipo de la doctora Bayés García describe que la temperatura de la superficie metálica es clave en la obtención de la textura perfecta.

Tabla

La temperatura es clave para conseguir el efecto de terciopelo (© American Chemical Society)

A saber, si el metal se encuentra a una temperatura de entre 16 y 18 ºC, el chocolate acaba cristalizando en forma de partículas de tamaño muy variado. Algunos cristales son muy grandes y otros muy pequeños. Sin embargo, si el metal se encuentra mucho más frío (entre 4 y 12 ºC), el chocolate, una vez atemperado, compondrá una forma cristalina como la categoría V de la tabla anterior (brillante, firme, sonido perfecto, funde en la mano), con un tamaño de cristal homogéneo. Este chocolate no sólo presentará el efecto terciopelo deseado, sino que además tendrá un aspecto mucho más brillante que el chocolate templado en planchas más calientes.

Ya veis, la ciencia no sólo estudia moléculas con nombres larguísimos e impronunciables y manda sondas a planetas que quizás nunca visitemos. También se preocupa por retos cotidianos como conseguir un chocolate todavía mejor. Como ya vimos en el programa Órbita Laika de La 2, la ciencia y la cocina hacen muy buenas migas.

 

Mil gracias a Bernardo Herradón (IQOG-CSIC) por descubrirme el artículo original sobre el chocolate de terciopelo que ha inspirado este post y por explicar muchísimo mejor que yo qué es y cómo nació la cristalografía.

 

*Fernando Gomollón Bel es investigador en el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (UZ-CSIC) y colabora habitualmente en el blog Moléculas a reacción.

¿Por qué una botella de plástico se ablanda con el calor?

jccanalda70Por 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 crisstales se transforman en líquidos, pero los vidrios, como es el caso de las botellas, se reblandecen / A. Foncubierta (Flickr)

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

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/

Sólido, líquido, gaseoso, plasma… ¿Hay más estados de la materia?

jccanalda70Por José Carlos Canalda (CSIC)*

Todos hemos estudiado en el colegio que los estados de la materia eran tres: sólido, líquido y gaseoso. También habremos leído que el cuarto estado de la materia era el plasma, en realidad un gas cargado eléctricamente. Pero aparte de estos cuatro, ¿puede considerarse que hay más estados de la materia? Pues por ejemplo, si tenemos en cuenta que en realidad el estado sólido no es tal, sino un conjunto de diferentes formas de ‘solidificarse’ la materia, sí.

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Aunque sabemos identificar de forma intuitiva un sólido, basta con estudiar su estructura interna para encontrarnos con diferencias muy importantes según estén distribuidas las partículas que lo componen (átomos, moléculas o iones, según el caso). También es relevante la movilidad relativa de estas partículas entre sí, es decir, su capacidad de moverse unas con respecto a otras.

Para empezar, es necesario diferenciar entre los cristales y los vidrios, advirtiendo que para los químicos los términos ‘cristal’ y ‘vidrio’ no tienen nada que ver (es más, son opuestos) con el uso habitual que se hace de ellos. Lo que llamamos cristal, como por ejemplo el de una botella, es en realidad un vidrio desde el punto de vista químico.

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

La diferencia entre ambos tipos de sólidos estriba en la forma en la que están constituidos ‘por dentro’: en un cristal las partículas que lo componen están rígidamente ordenadas siguiendo unas pautas geométricas determinadas, mientras que en un vidrio éstas se distribuyen al azar sin ningún tipo de orden, por lo que también podemos hablar de materiales amorfos. Los cristales serían el equivalente a un desfile militar y los vidrios a una calle llena de peatones paseando despreocupadamente. Así pues, el concepto diferenciador entre ambos es el de orden-desorden. Por cierto, un cristal no tiene por qué ser transparente -el diamante lo es, pero la pirita no- y, asimismo, hay vidrios transparentes -el de las botellas- y vidrios opacos, como la obsidiana o el ópalo.

La cosa se complica todavía más si consideramos que entre los cristales (orden total en las tres dimensiones) y los vidrios (desorden total en las tres dimensiones) podemos encontrarnos con situaciones intermedias, tal como ocurre con los polímeros. Estos materiales, cuyos componentes más conocidos son los plásticos, están constituidos por unas moléculas de gran tamaño, o macromoléculas, formadas por el ensamblado de otras más pequeñas, de forma similar a los eslabones de una cadena. Debido a sus dimensiones, para estas moléculas es difícil cristalizar, es decir, colocarse de una manera ordenada, razón por la cual en muchos polímeros se alternan las regiones cristalinas con las regiones amorfas, siendo por lo tanto unos materiales semicristalinos… Aunque no todos, ya que también existen polímeros amorfos. Lo que nunca podremos encontrar será polímeros completamente cristalinos.

Las partículas que componen os cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Las partículas que componen los cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Existen también unas estructuras intermedias denominadas mesofases, en las cuales nos encontramos con diferentes tipos de orden parcial; pero no como ocurría en los polímeros, en los que las regiones cristalinas al 100% alternaban con regiones amorfas también al 100%, sino de otra manera diferente, con orden total en una o dos de las tres dimensiones y desorden también total en las restantes. Éste es el caso de los cristales líquidos (móviles, pantallas táctiles, etc.), de los cuales existen dos grupos principales -aunque hay varios más- según sus átomos estén ordenados en una dirección, como ocurre con un manojo de espárragos, o en dos, tal y como sucede con un puñado de monedas desparramadas en una mesa. Sus nombres respectivos son nemáticos -del griego ‘nema’, ‘hilo’- y esmécticos.

Para terminar, nos encontramos con los cuasicristales, que poseen una estructura ordenada pero no periódica, es decir, que no se repite indefinidamente; y también con los cristales plásticos, en los cuales las moléculas que los conforman están distribuidas de una forma regular, pero gozan de cierta libertad de movimientos que les permite rotar parcialmente sobre su punto de equilibrio sin llegar a romper la estructura geométrica del cristal.

 

* 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/