Desde el oxígeno en tus pulmones hasta el indio en la pantalla de tu teléfono, los elementos que componen el universo tienen trabajos sorprendentemente específicos, y a menudo inesperados, que realizar.
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La tabla periódica es uno de los grandes logros organizativos del conocimiento humano: 118 elementos dispuestos por número atómico y configuración electrónica en una cuadrícula que revela la estructura subyacente de toda la materia. La mayoría de las personas la encuentran en la escuela, memorizan lo suficiente para pasar un examen y luego la archivan mentalmente bajo "cosas que fueron importantes alguna vez". Ese archivo es un error. La tabla periódica no es un catálogo abstracto. Es un mapa del mundo físico, y los elementos en ella están en todo lo que te rodea: en el teléfono en tu bolsillo, la comida que comiste esta mañana, el puente por el que cruzaste, el medicamento que tomaste la semana pasada y el aire que actualmente estás respirando.
La brecha entre lo que la mayoría de las personas saben sobre los elementos y lo que los elementos realmente hacen es grande e interesante. El tungsteno aparece en la tabla periódica como el elemento 74, un metal denso de color blanco plateado con un símbolo poco notable (W, de su nombre en alemán Wolfram). Lo que la mayoría de las personas no saben es que el tungsteno tiene el punto de fusión más alto de cualquier elemento: 3,422 grados Celsius, lo que lo convierte en el único material capaz de sobrevivir como filamento dentro de una bombilla incandescente, la única sustancia adecuada para los bordes de corte de ciertas herramientas de perforación y el material utilizado en los contrapesos de las superficies de control de aeronaves a reacción. La química explica la aplicación. La aplicación explica por qué la química importa.
Esta lista abarca 15 elementos elegidos por la combinación de su importancia práctica y la distancia entre su reputación a nivel escolar y su función real en el mundo. Algunos son familiares por nombre y desconocidos en aplicación: carbono, silicio, cloro. Algunos son en gran parte desconocidos para los no científicos a pesar de estar en objetos que miles de millones de personas utilizan todos los días: indio, hafnio, neodimio. Algunos tienen aplicaciones que revelan algo específico sobre el mundo físico que las propiedades del elemento hacen legible.
Cada diapositiva cubre qué es el elemento, cuáles son sus propiedades clave y para qué lo hacen esas propiedades exclusivamente adecuado. La química se mantiene a nivel de explicación en lugar de cálculo: lo suficiente como para entender por qué un elemento hace lo que hace, sin requerir un conocimiento previo en química para seguirlo. El objetivo es hacer que la tabla periódica se sienta como lo que es: un documento práctico sobre el mundo material, lleno de información que es directamente relevante para la vida diaria.
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El carbono es el cuarto elemento más abundante en el universo por masa y la base química de toda la vida conocida. Cada proteína, cada carbohidrato, cada grasa, cada ácido nucleico, las moléculas que constituyen los organismos biológicos, es un compuesto de carbono. La propiedad específica que hace del carbono la base de la bioquímica es su extraordinaria versatilidad para formar enlaces covalentes: un átomo de carbono puede formar cuatro enlaces fuertes y estables simultáneamente, uniéndose a hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y otros átomos de carbono en combinaciones de variedad casi ilimitada. Esta flexibilidad de enlace es lo que hace posibles los aproximadamente diez millones de compuestos orgánicos conocidos.
Las aplicaciones del carbono se extienden mucho más allá de la biología. El carbono puro existe en varias formas alotrópicas, diferentes disposiciones estructurales de los mismos átomos, cada una con propiedades radicalmente diferentes. El diamante, en el que cada átomo de carbono está unido a otros cuatro en un entramado tetraédrico, es el material natural más duro en la Tierra, utilizado en herramientas de corte, abrasivos y brocas para exploración de petróleo y gas. El grafito, en el que los átomos de carbono están dispuestos en láminas hexagonales planas que se deslizan fácilmente entre sí, es un lubricante, un material de electrodo y el núcleo de cada lápiz. El grafeno, una sola capa de la hoja de grafito, de un átomo de grosor, es el material más fuerte jamás probado por unidad de grosor y un conductor de electricidad que puede sustentar la próxima generación de electrónica.
La fibra de carbono, largas hebras de átomos de carbono dispuestas en una estructura cristalina, incrustadas en una matriz polimérica, combina bajo peso con una resistencia a la tracción que supera la del acero, convirtiéndola en el material estructural de elección en componentes aeroespaciales, automóviles de Fórmula 1, palas de turbinas eólicas y bicicletas de alto rendimiento. El carbono activado, con su enorme área de superficie creada por la oxidación controlada de materiales de carbono, es el medio principal para la purificación de agua y la filtración de aire en todo el mundo, los gránulos negros en un filtro de agua doméstico son carbono activado, adsorbiendo cloro, pesticidas y contaminantes orgánicos del agua que pasa a través de ellos.
El carbono es también, en su papel como dióxido de carbono y metano en la atmósfera, el elemento cuya gestión define el reto ambiental central del siglo XXI, consecuencia de su abundancia, su tendencia a formar compuestos gaseosos y su papel de billones de dólares en los sistemas energéticos construidos alrededor de su combustión.
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El oxígeno es el elemento más abundante en la corteza terrestre, el tercero más abundante en el universo, y el elemento sin el cual la vida animal tal como existe en la Tierra es imposible. Constituye aproximadamente el 21% de la atmósfera, donde llegó a través de miles de millones de años de fotosíntesis por cianobacterias y plantas — el Gran Evento de Oxidación hace aproximadamente 2.4 mil millones de años, cuando el oxígeno atmosférico se acumuló por primera vez a niveles significativos, es uno de los eventos más importantes en la historia biológica de la Tierra, transformando la química de la atmósfera, los océanos y las rocas superficiales, y permitiendo la evolución del metabolismo aeróbico del cual depende la vida compleja.
El papel biológico del oxígeno es como el último aceptor de electrones en la respiración aeróbica, el proceso metabólico por el cual las células extraen energía de la glucosa. En las mitocondrias de cada célula del cuerpo, el oxígeno acepta electrones al final de la cadena de transporte de electrones, combinándose con iones de hidrógeno para formar agua y impulsando la síntesis de ATP, la principal moneda energética de la célula. La eficiencia de la respiración aeróbica en relación con las alternativas anaeróbicas — aproximadamente 18 veces más ATP por molécula de glucosa — es lo que hace posible metabólicamente los grandes organismos energéticamente costosos del reino animal.
El oxígeno industrial tiene aplicaciones que van desde lo médico hasta lo metalúrgico. El oxígeno líquido es un oxidante criogénico utilizado en motores de cohetes, incluidos los motores principales del Saturno V y el Falcon 9, donde se combina con hidrógeno líquido o queroseno para producir combustión a temperaturas superiores a 3,000 grados Celsius. El proceso de fabricación de acero con oxígeno básico, en el cual una lanza sopla oxígeno de alta pureza en hierro fundido para eliminar el carbono y las impurezas, representa aproximadamente el 70% de la producción mundial de acero, convirtiendo al oxígeno en uno de los productos básicos industriales más importantes por volumen. El oxígeno médico apoya a pacientes con insuficiencia respiratoria, bebés prematuros y cualquier persona que requiera oxígeno suplementario durante la cirugía.
El ozono, una molécula de tres átomos de oxígeno, absorbe la radiación ultravioleta en la estratosfera, protegiendo la superficie de la exposición a los rayos UV que dañan el ADN y que harían la vida terrestre significativamente más difícil. La misma molécula a nivel del suelo, producida por la reacción fotoquímica de los gases de escape de los vehículos y la luz solar, es un irritante respiratorio y un problema de calidad del aire en muchas ciudades.
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El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, constituyendo aproximadamente el 28% de su masa. En geología, el silicio forma la columna vertebral de los minerales silicatados, la vasta familia de compuestos que constituye la mayoría de las rocas y suelos de la Tierra. En tecnología, una sola propiedad del silicio purificado, su comportamiento como semiconductor, conduciendo electricidad en algunas condiciones pero no en otras, lo ha hecho el material fundamental de la era de la información.
Un semiconductor se sitúa entre un conductor y un aislante en su comportamiento eléctrico. El silicio puro a temperatura ambiente conduce la electricidad de manera deficiente. Cuando se agregan pequeñas cantidades de impurezas específicas —dopantes—, la conductividad cambia de manera drástica y controlable. El silicio tipo n, dopado con fósforo o arsénico, tiene electrones en exceso disponibles para la conducción. El silicio tipo p, dopado con boro o aluminio, tiene "huecos" de electrones que actúan como portadores de carga positiva. La unión entre el silicio tipo n y el tipo p —la unión p-n— es el bloque de construcción fundamental de todos los dispositivos semiconductores: diodos, transistores, células solares y los circuitos integrados que alimentan cada computadora, smartphone y dispositivo electrónico en el mundo.
El transistor, inventado en 1947 y posteriormente miniaturizado en chips de silicio mediante el desarrollo del circuito integrado, es el interruptor que sustenta toda la computación digital. Los chips de procesador modernos contienen decenas de miles de millones de transistores en un pedazo de silicio más pequeño que una uña, cada transistor cambiando entre estados de encendido y apagado miles de millones de veces por segundo. La transformación del silicio —un elemento que se encuentra en la arena de playa ordinaria— en el sustrato para la economía global de la información requirió décadas de ciencia de materiales, química e ingeniería, pero comenzó con las propiedades electrónicas específicas del propio elemento.
El silicio es también el material principal en las células solares fotovoltaicas, donde sus propiedades semiconductoras le permiten convertir fotones en corriente eléctrica a través del efecto fotovoltaico. A medida que la energía solar se ha convertido en la fuente de electricidad más barata jamás desarrollada, el papel del silicio como la base material de la transición energética ha hecho que su abundancia y manejabilidad sean económica y ambientalmente significativas.
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El litio es el metal más ligero y el elemento sólido más liviano, con una masa atómica de aproximadamente siete unidades atómicas. Su aplicación más importante en el mundo contemporáneo es como el material activo en las baterías de iones de litio —las baterías recargables que alimentan smartphones, laptops, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía a escala de red— y su importancia en habilitar la transición energética desde los combustibles fósiles lo ha convertido en uno de los productos más estratégicamente significativos del siglo XXI.
La batería de iones de litio funciona a través del movimiento reversible de iones de litio entre dos electrodos —un cátodo de óxido metálico de litio y un ánodo de grafito— a través de un electrolito de sal de litio. Durante la carga, los iones de litio se mueven del cátodo al ánodo; durante la descarga, regresan, impulsando una corriente eléctrica en el circuito externo. La densidad energética de las baterías de iones de litio —la cantidad de energía almacenada por unidad de peso— es aproximadamente tres veces la de las baterías de hidruro metálico de níquel, haciendo del ion-litio la tecnología habilitadora para la electrónica portátil y los vehículos eléctricos cuyas restricciones de peso y alcance hacen que la densidad energética sea crítica.
La demanda global de litio ha aumentado drásticamente con el crecimiento de la producción de vehículos eléctricos, y la concentración de depósitos de litio en un pequeño número de países —el "Triángulo del Litio" de Chile, Argentina y Bolivia contiene más de la mitad de las reservas globales— ha creado dependencias en la cadena de suministro y tensiones geopolíticas análogas a las asociadas con el petróleo. Australia es el mayor productor actual de litio por volumen.
Otras aplicaciones del litio incluyen su uso como estabilizador del ánimo en psiquiatría. El carbonato de litio se ha prescrito para el trastorno bipolar desde la década de 1970 y sigue siendo uno de los tratamientos a largo plazo más efectivos para prevenir episodios maníacos y depresivos, aunque el mecanismo por el cual estabiliza el ánimo aún no se comprende completamente. Es uno de los pocos medicamentos psiquiátricos cuyo efecto es sobre el curso de la enfermedad en lugar del episodio agudo.
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El nitrógeno constituye aproximadamente el 78% de la atmósfera terrestre, lo que lo convierte en el gas más abundante en el aire, pero en su forma atmosférica como nitrógeno diatómico (N₂), es esencialmente inerte, incapaz de ser utilizado directamente por la mayoría de los organismos vivos. La transformación del nitrógeno atmosférico en formas biológicamente disponibles, la fijación de nitrógeno, es uno de los procesos químicos más importantes en la biosfera, y la capacidad de realizarlo industrialmente ha tenido más impacto en la población humana que, posiblemente, cualquier otro desarrollo químico.
El proceso Haber-Bosch, desarrollado por Fritz Haber y Carl Bosch a principios del siglo XX, combina nitrógeno atmosférico con hidrógeno a alta temperatura y presión en presencia de un catalizador de hierro para producir amoníaco. El amoníaco es el material de partida para los fertilizantes nitrogenados sintéticos, y los fertilizantes sintéticos son los que permiten que la producción mundial de alimentos actual soporte aproximadamente a la mitad de la población mundial que no podría ser alimentada por la agricultura dependiente únicamente de insumos de nitrógeno natural. Se estima que el proceso Haber-Bosch ha permitido las vidas de aproximadamente cuatro mil millones de personas que de otro modo no existirían.
Otras aplicaciones industriales del nitrógeno reflejan su versatilidad química. El nitrógeno líquido, producido por la destilación fraccionada del aire, se utiliza para el almacenamiento criogénico de muestras biológicas, la conservación de alimentos, la crioterapia en dermatología y el enfriamiento rápido de productos alimenticios en la industria alimentaria. El gas nitrógeno se utiliza como una atmósfera inerte de protección en el envasado de alimentos: el gas que llena los paquetes de papas fritas es principalmente nitrógeno, previniendo la oxidación y manteniendo la textura. El ácido nítrico, producido a partir de amoníaco, es el material de partida para explosivos que incluyen TNT y nitroglicerina, así como para muchos intermedios farmacéuticos. El óxido nitroso (N₂O) es tanto un anestésico utilizado en odontología y cirugía como un gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global aproximadamente 300 veces mayor que el del dióxido de carbono.
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El cloro es el elemento 17, un gas diatómico amarillo-verde a temperatura ambiente que es tóxico en forma concentrada — fue utilizado como arma química en la Primera Guerra Mundial — y un contribuyente esencial a la infraestructura de salud pública en forma diluida. La desinfección del agua potable municipal con cloro, introducida en los Estados Unidos en 1908, es acreditada por los historiadores de la salud pública como una de las intervenciones más significativas en la reducción de la mortalidad por enfermedades transmitidas por el agua en el siglo XX.
El mecanismo desinfectante del cloro en el agua implica la formación de ácido hipocloroso, que penetra las paredes celulares bacterianas y altera los procesos metabólicos, matando patógenos, incluidas las bacterias responsables de la fiebre tifoidea, el cólera y la disentería. La introducción de la cloración en Jersey City, Nueva Jersey, en 1908 fue seguida en pocos años por reducciones dramáticas en la mortalidad por fiebre tifoidea en las ciudades tratadas en comparación con las no tratadas, un experimento natural en salud pública cuyos resultados fueron inequívocos.
El cloro es la base de la industria mundial del PVC (cloruro de polivinilo), el plástico más utilizado por volumen después del polietileno y el polipropileno. El PVC se emplea en tuberías, marcos de ventanas, suelos, dispositivos médicos y aislamiento de cables eléctricos, y su producción representa aproximadamente el 34% del consumo mundial de cloro. Los agentes blanqueadores a base de cloro — hipoclorito de sodio en el blanqueador doméstico, dióxido de cloro en el procesamiento de papel y textiles — se encuentran entre los productos químicos industriales más utilizados a nivel mundial.
La consecuencia no intencionada más importante de la química industrial del cloro ha sido el desarrollo de compuestos organoclorados: moléculas orgánicas cloradas que incluyen PCB, DDT y los clorofluorocarbonos responsables de la destrucción del ozono estratosférico. Estos productos químicos persistentes, creados como subproductos o productos comerciales de la química del cloro, han causado daños ambientales documentados a escala global, y su regulación ha sido uno de los capítulos más significativos en el derecho ambiental internacional.
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El hierro es el elemento más abundante en la Tierra en su conjunto — el núcleo del planeta es principalmente de hierro y níquel — y el cuarto más abundante en la corteza. Ha sido fundido y trabajado por civilizaciones humanas durante al menos 3,200 años, definiendo todo un período de la historia humana y sigue siendo el metal más usado por volumen en la civilización contemporánea por un margen enorme. La producción mundial de acero — hierro aleado con pequeños porcentajes de carbono y otros elementos — supera los 1.9 mil millones de toneladas anualmente, aproximadamente diez veces la producción de todos los demás metales combinados.
Las propiedades que hacen al hierro y al acero tan universalmente útiles son la combinación de resistencia, dureza, trabajabilidad y costo relativamente bajo. El acero se puede producir en una amplia gama de propiedades ajustando el contenido de carbono y los elementos de aleación: el acero de bajo contenido de carbono es suave y dúctil para paneles de carrocería de automóviles; el acero de alto contenido de carbono es duro y resistente al desgaste para herramientas de corte; el acero inoxidable, aleado con cromo y níquel, resiste la corrosión para cubiertos e instrumentos quirúrgicos; los aceros de alta resistencia y baja aleación proporcionan excepcionales relaciones de resistencia a peso para aplicaciones estructurales.
El papel biológico del hierro también es fundamental. La hemoglobina, la proteína en los glóbulos rojos responsable de transportar oxígeno desde los pulmones a los tejidos de todo el cuerpo, contiene cuatro átomos de hierro por molécula. El átomo de hierro en el centro de cada grupo hemo se une al oxígeno de manera reversible: lo recoge en el entorno rico en oxígeno de los pulmones y lo libera en el entorno pobre en oxígeno de los tejidos metabólicamente activos. La anemia por deficiencia de hierro, que afecta a aproximadamente dos mil millones de personas en el mundo, reduce la producción de hemoglobina y, por lo tanto, la capacidad de transporte de oxígeno, produciendo fatiga, deterioro de la función cognitiva y capacidad física reducida.
La oxidación del hierro — su conversión a óxido de hierro en presencia de agua y oxígeno — es la misma química que la hemoglobina explota, funcionando en una dirección diferente. Comprender la similitud entre el óxido en un puente y el mecanismo de transporte de oxígeno en la sangre es un recordatorio de cómo las mismas propiedades químicas se manifiestan a diferentes escalas y en diferentes contextos.
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El cobre ha estado en uso continuo por civilizaciones humanas durante aproximadamente 10,000 años — más tiempo que cualquier otro metal — y su combinación de conductividad eléctrica, conductividad térmica, resistencia a la corrosión y trabajabilidad lo ha hecho indispensable a lo largo de toda esa extensión, desde herramientas de la Edad de Bronce hasta tuberías victorianas y la infraestructura eléctrica del siglo XXI.
La aplicación contemporánea más importante del cobre es eléctrica. Es el conductor estándar en el cableado eléctrico, motores, transformadores y electrónica, y se usa en preferencia al aluminio, que es más ligero y más barato, en aplicaciones donde la resistencia y la fiabilidad importan más que el peso o el costo. Una casa familiar típica contiene aproximadamente 90 kilogramos de cobre en su cableado eléctrico y fontanería. Un solo vehículo eléctrico contiene aproximadamente 83 kilogramos de cobre, en comparación con aproximadamente 23 kilogramos en un vehículo de combustión interna, lo que hace que la electrificación del transporte sea uno de los principales impulsores del crecimiento proyectado de la demanda de cobre.
La conductividad eléctrica del cobre es superada solo por la plata entre los metales comunes, y se usa sobre la plata principalmente por el costo: la plata es aproximadamente 80 veces más cara por kilogramo. La resistividad del cobre, su resistencia al flujo eléctrico, es lo suficientemente baja como para que las pérdidas de transmisión en el cableado de cobre sean manejables para la mayoría de las aplicaciones, y su ductilidad le permite ser estirado en los cables delgados y circuitos finos que requieren los electrónicos.
Las propiedades antimicrobianas del cobre son cada vez más reconocidas en contextos de atención médica. Las superficies de cobre matan bacterias, hongos y algunos virus a través de mecanismos que involucran la interrupción de las membranas celulares y la producción de especies reactivas de oxígeno. Los ensayos clínicos han encontrado que reemplazar superficies de alto contacto en habitaciones de hospital, como barandillas de camas, pomos de puertas y botones de llamada, con aleaciones de cobre reduce la contaminación bacteriana y las tasas de infección asociadas a la atención médica. El resurgimiento del cobre en entornos de atención médica representa un redescubrimiento de una propiedad que se utilizó empíricamente durante milenios antes de que se entendiera su mecanismo.
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El tungsteno tiene varios récords extremos entre los elementos. Tiene el punto de fusión más alto de cualquier elemento: 3,422 grados Celsius, que es más alto que la temperatura de la superficie del sol. Tiene el coeficiente de expansión térmica más bajo de cualquier metal, lo que significa que se expande muy poco cuando se calienta, y una de las resistencias a la tracción más altas de cualquier material. Estas propiedades lo hacen singularmente útil en aplicaciones donde otros materiales simplemente fallarían.
La aplicación más familiar es el filamento de la bombilla incandescente. Una bombilla incandescente funciona pasando corriente eléctrica a través de un alambre delgado hasta que se calienta lo suficiente como para brillar en blanco, a aproximadamente 2,500 a 3,000 grados Celsius. Todos los demás metales se derriten o se vaporizarían a estas temperaturas. El tungsteno no. El descubrimiento de que el tungsteno podría servir como un filamento estable, realizado de forma independiente por varios inventores a principios del siglo XX, transformó la bombilla de una curiosidad de laboratorio frágil a un producto de consumo confiable. Aunque las bombillas incandescentes han sido en gran medida reemplazadas por LEDs, el filamento de tungsteno definió un siglo de iluminación artificial.
Las aplicaciones industriales del tungsteno reflejan su dureza excepcional y resistencia al desgaste. El carburo de tungsteno cementado, tungsteno combinado con carbono, unido con cobalto y sinterizado bajo presión, es el material fabricado más duro en uso industrial común, más duro que la mayoría de las piedras preciosas y resistente al desgaste a temperaturas que ablandarían el acero. El carburo de tungsteno se usa para los insertos de corte en herramientas de trabajo de metales, las puntas de brocas para exploración de petróleo y gas, los troqueles utilizados en el trefilado, y las superficies de desgaste en equipos de minería y movimiento de tierra. Aproximadamente el 60% de la producción mundial de tungsteno se destina a metales duros y carburos.
La densidad del tungsteno, 19.3 gramos por centímetro cúbico, comparable al oro, lo hace útil en aplicaciones que requieren pesos pesados y compactos: lastre en autos de carreras, contrapesos en palas de rotor de helicópteros, pesos de balance en sistemas de guía de misiles y los núcleos penetradores densos de municiones perforantes.
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El neodimio es un elemento de tierras raras, el elemento 60, un metal plateado que la mayoría de la gente nunca ha oído hablar, cuyas propiedades magnéticas específicas lo hacen responsable de la fuerza y miniaturización de los imanes permanentes más poderosos disponibles, y por lo tanto del funcionamiento de una notable gama de dispositivos de los que depende la vida moderna.
Los imanes de neodimio, específicamente la aleación de neodimio-hierro-boro (NdFeB) desarrollada independientemente por General Motors $GM y Sumitomo Special Metals en 1984, son el tipo más fuerte de imán permanente disponible, produciendo campos magnéticos varias veces más fuertes que el estándar anterior (samario-cobalto) y aproximadamente diez veces más fuertes que los imanes de ferrita comunes. Su excepcional fuerza magnética por unidad de volumen los convierte en la tecnología habilitadora para la miniaturización de motores eléctricos, generadores y ensamblajes magnéticos en la electrónica de consumo moderna.
La unidad de disco duro en una computadora portátil contiene imanes de neodimio tanto en el motor del eje como en el actuador de bobina de voz que posiciona el cabezal de lectura-escritura. Los altavoces en auriculares y audífonos usan imanes de neodimio porque su alta intensidad de campo permite que ensamblajes de altavoces pequeños y livianos produzcan una presión de sonido adecuada. Los motores de vehículos eléctricos, que deben producir un alto torque en un paquete compacto y liviano, típicamente usan imanes de neodimio en sus ensamblajes rotativos; un motor de vehículo eléctrico típico contiene aproximadamente un kilogramo de neodimio.
Las turbinas eólicas que utilizan generadores de imanes permanentes, el diseño preferido para instalaciones en alta mar donde el acceso para mantenimiento es difícil, contienen grandes cantidades de neodimio. Una sola gran turbina eólica en alta mar puede contener 200 kilogramos o más de imanes de tierras raras, lo que convierte al neodimio en un material crítico para la transición a la energía renovable junto con el litio. La concentración de la producción de neodimio en China, que representa aproximadamente el 85% del procesamiento global de tierras raras, ha hecho que la seguridad de la cadena de suministro de estos materiales sea una preocupación significativa para los gobiernos que persiguen la descarbonización.
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El indio es el elemento 49, un metal blanco plateado y suave producido como subproducto de la fundición de zinc en cantidades de solo unos pocos cientos de toneladas por año, lo que lo convierte en uno de los elementos estables más raros en la corteza terrestre por abundancia. Su obscuridad desmiente su importancia: el indio está en la pantalla de casi todos los dispositivos de pantalla de cristal líquido en el mundo, en una forma que la mayoría de las personas toca docenas de veces al día sin saberlo.
El óxido de indio y estaño (ITO), una película delgada, transparente y conductora eléctricamente hecha de óxido de indio dopado con estaño, es el material estándar para los electrodos transparentes en pantallas LCD y pantallas táctiles. Una pantalla táctil funciona detectando cambios en el campo eléctrico en la superficie de la pantalla cuando un dedo se aproxima; la conductividad del dedo altera la capacitancia de la capa de ITO, y el controlador táctil detecta la ubicación del cambio. Sin un conductor transparente, una pantalla táctil capacitiva no es posible, y el óxido de indio y estaño es el material que es suficientemente transparente y suficientemente conductivo para la aplicación.
Por lo tanto, el mercado global de indio está estrechamente vinculado a la industria de la electrónica de consumo. Cada smartphone, tableta, portátil y televisor de pantalla plana contiene ITO, y la demanda de indio ha crecido sustancialmente con la proliferación de dispositivos de pantalla táctil en las últimas dos décadas. El suministro global limitado —producción anual de aproximadamente 900 toneladas, en comparación con millones de toneladas de metales industriales comunes— y la concentración de la producción en China, Corea del Sur, Japón y Canadá hacen del indio un material crítico cuyas limitaciones de suministro son una preocupación genuina para los fabricantes de electrónica.
La investigación de sustitutos del indio —materiales conductores transparentes alternativos, incluidos el grafeno, los nanotubos de carbono y las redes de nanocables de plata— está activa, impulsada tanto por el costo del indio como por el deseo de reducir la dependencia de un solo material para una función crítica en una industria de varios billones de dólares.
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El hafnio es el elemento 72, un metal lustroso y plateado que es químicamente casi idéntico al circonio; los dos son tan similares en sus propiedades que separarlos en el procesamiento de minerales fue uno de los desafíos más difíciles en la química de principios del siglo XX, y el hafnio no fue aislado como elemento puro hasta 1923. Su oscuridad es absoluta fuera de los círculos de especialistas, y sin embargo está presente en cada chip semiconductor avanzado fabricado hoy, en un papel que se volvió esencial cuando la miniaturización de transistores empujó los límites del dióxido de silicio como material aislante.
En un transistor, el aislante de puerta —la capa delgada de material aislante que controla el flujo de corriente a través del canal del transistor— debe ser lo suficientemente delgado para permitir que el voltaje de la puerta controle el canal y lo suficientemente grueso para evitar que la corriente se filtre a través de él. A medida que los transistores se redujeron a escalas nanométricas, el aislante de puerta de dióxido de silicio tuvo que hacerse tan delgado —aproximadamente un nanómetro, o aproximadamente cinco átomos de silicio de grosor— que la tunelización cuántica causó una fuga de corriente inaceptable, aumentando el consumo de energía y la generación de calor.
El dióxido de hafnio resolvió el problema. Tiene una constante dieléctrica aproximadamente cinco veces mayor que la del dióxido de silicio, lo que permite usar una capa físicamente más gruesa mientras se proporciona la misma capacitancia eléctrica, eliminando el problema de la tunelización y manteniendo el rendimiento del transistor. Intel $INTC introdujo dieléctricos de alta k basados en hafnio en su nodo de proceso de 45 nm en 2007, y todos los procesos avanzados de semiconductores posteriores usan compuestos de hafnio en la pila de puertas. Los transistores en cada procesador de computadora moderna, en cada smartphone y en cada circuito integrado avanzado fabricado después de 2007 contienen hafnio.
Las cantidades involucradas son diminutas: unas pocas capas atómicas de compuesto de hafnio por transistor, depositadas por deposición de capa atómica, pero la diferencia de rendimiento es tan significativa que la incorporación del hafnio representó uno de los avances más importantes en materiales en la historia de los semiconductores desde la introducción del silicio.
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El fósforo es el elemento 15, un no metal que existe en varias formas, de las cuales el fósforo blanco —un sólido ceroso, altamente reactivo y tóxico— y el fósforo rojo —una forma estable y no tóxica utilizada en cerillas de seguridad— son las más conocidas. Su importancia biológica es comparable a la del carbono y el nitrógeno: el fósforo es un componente del ADN y el ARN, del ATP (la principal moneda de energía de la célula), de los fosfolípidos (el componente estructural principal de las membranas celulares) y de la hidroxiapatita (el componente mineral de los huesos y dientes).
La importancia agrícola del fósforo es fundamental e insustituible. Las plantas requieren fósforo para la transferencia de energía, la división celular y la síntesis de ácidos nucleicos, y la disponibilidad de fósforo en el suelo es uno de los principales factores limitantes en la productividad de los cultivos. La roca fosfórica —explotada principalmente en Marruecos, que posee aproximadamente el 70% de las reservas globales— se procesa para producir fertilizantes fosfatados que mantienen los niveles de fósforo en el suelo requeridos por la agricultura moderna de alto rendimiento. A diferencia del nitrógeno, que puede sintetizarse de la atmósfera mediante el proceso Haber-Bosch, el fósforo no tiene un reservorio atmosférico y solo puede obtenerse de depósitos de roca fosfórica que son finitos y están geográficamente concentrados.
La preocupación por la disponibilidad a largo plazo del fósforo —"pico del fósforo"— es menos inmediata de lo que resultaron ser los temores sobre el pico del petróleo, pero la concentración geográfica de las reservas y la falta de una infraestructura de reciclaje para el fósforo en los sistemas alimentarios es un desafío genuino a largo plazo para la seguridad alimentaria global.
Los compuestos de fósforo tienen aplicaciones industriales importantes más allá de los fertilizantes. La química organofosforada produce tanto agentes nerviosos —las sustancias más tóxicas sintetizadas por los humanos, incluyendo VX y sarín— como la clase de insecticidas que incluye malatión y clorpirifos, que funcionan mediante el mismo mecanismo de inhibición de la acetilcolinesterasa. El ácido fosfórico usado para dar a las bebidas de cola su característica acidez es ácido fosfórico de grado alimenticio, producido a partir de roca fosfórica —el mismo material geológico que fertiliza los cultivos que producen los ingredientes de la bebida.
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El helio es el elemento 2, el segundo elemento más ligero, el segundo más abundante en el universo después del hidrógeno, y uno de los elementos más importantes en la ciencia y la industria moderna, a pesar de ser, desde la perspectiva de la experiencia cotidiana, conocido principalmente como el gas que hace flotar globos y hace que las voces suenen agudas. Las aplicaciones para fiestas son reales pero periféricas en comparación con la verdadera importancia del helio.
La aplicación industrial más crítica del helio es como refrigerante criogénico. Tiene el punto de ebullición más bajo de cualquier elemento —4.2 Kelvin, justo por encima del cero absoluto— por lo que el helio líquido es la única sustancia capaz de enfriar los imanes superconductores utilizados en máquinas de resonancia magnética, aceleradores de partículas y ciertos tipos de computadoras cuánticas a las temperaturas a las que ocurre la superconductividad. Cada escáner de resonancia magnética en cada hospital contiene un gran volumen de helio líquido que mantiene las bobinas del campo magnético a 4 Kelvin. El Gran Colisionador de Hadrones en el CERN utiliza aproximadamente 120 toneladas de helio líquido para enfriar sus imanes dipolares superconductores. Sin helio, ni la imagen de diagnóstico que ha transformado la medicina ni los experimentos de física de partículas que han ampliado la comprensión humana de la materia serían posibles a su escala actual.
El helio también se utiliza como gas de protección inerte en la soldadura por arco de metales reactivos, incluidos el titanio y el aluminio, donde la contaminación atmosférica del baño de soldadura causaría fragilidad. Los reactores nucleares enfriados por helio han sido propuestos como un diseño de reactor con ventajas de seguridad inherentes. Los láseres de helio-neón producen el haz rojo característico utilizado en escáneres de códigos de barras de supermercados y punteros láser.
La situación del suministro de helio es inusual entre los elementos. Se extrae de depósitos subterráneos de gas natural en los cuales se ha acumulado a lo largo del tiempo geológico por la descomposición radiactiva del uranio y el torio en las rocas circundantes. A diferencia de la mayoría de los gases, el helio liberado en la atmósfera es lo suficientemente ligero como para escapar gradualmente de la gravedad de la Tierra y se pierde efectivamente del planeta, lo que lo convierte en un recurso genuinamente no renovable. Las mayores reservas están en Estados Unidos, Catar y Rusia, y las preocupaciones sobre el suministro a largo plazo han sido discutidas en la comunidad científica desde al menos la década de 1990.
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El oro es el elemento 79, un metal denso y lustroso de color amarillo cuyas aplicaciones más famosas —joyería, moneda y reservas monetarias— representan solo una fracción de su importancia industrial real. Las propiedades que hicieron valioso al oro para las civilizaciones antiguas —su resistencia a la corrosión, su maleabilidad, su color distintivo— son las mismas propiedades que lo hacen insustituible en la electrónica moderna, la industria aeroespacial y la medicina, aunque en cantidades mucho menores y por razones mucho más específicas.
La resistencia del oro a la oxidación y la corrosión es absoluta en condiciones normales: no se oxida, no se empaña ni reacciona con la mayoría de los productos químicos, incluidos el oxígeno y la humedad del aire. Esta inercia química lo convierte en el material de contacto ideal en conectores eléctricos, interruptores y placas de circuitos donde debe mantenerse una conexión confiable de baja resistencia durante décadas de uso y millones de ciclos. Los conectores de borde en los módulos de RAM de computadoras están chapados en oro por esta razón. Los conectores en las naves espaciales deben funcionar bajo las extremas oscilaciones de temperatura y el ambiente de radiación del espacio durante años sin degradarse: el oro es el material que puede hacer esto. Los trajes espaciales del Apolo usaban visores recubiertos de oro para reflejar la radiación infrarroja y proteger los ojos de los astronautas.
La conductividad eléctrica del oro, aunque inferior a la del cobre o la plata, combinada con su resistencia a la corrosión, lo convierte en el material de contacto preferido en aplicaciones donde la fiabilidad no puede verse comprometida por la oxidación. Un contacto de cobre o plata corroído introduce resistencia e incertidumbre; un contacto de oro no se corroe y, por lo tanto, mantiene un rendimiento constante indefinidamente.
En medicina, los compuestos de oro se han utilizado como tratamientos para la artritis reumatoide desde la década de 1920: el tiomalato de sodio de oro y la auranofina son fármacos antirreumáticos modificadores de la enfermedad con eficacia demostrada, aunque su mecanismo de acción aún no está completamente elucidarado. Las nanopartículas de oro son un área activa de investigación en terapia contra el cáncer: su capacidad para absorber luz infrarroja cercana y convertirla en calor las convierte en agentes potenciales para la terapia fototérmica, en la cual las nanopartículas se dirigen a las células tumorales y se activan luego con una fuente de luz externa para destruir selectivamente el tumor. Las nanopartículas de oro también se utilizan en pruebas de diagnóstico rápido, incluidas algunas pruebas de flujo lateral de COVID-19, donde su color rojo distintivo a concentraciones a nanoescala sirve como indicador visible de un resultado positivo.
