Aunque el término suene un tanto a informal, lo cierto es que en estos últimos años ha adquirido bastante relevancia dentro de la física y la ciencia de materiales, razón por la que no está de más dedicarle un artículo. Y para empezar, evidentemente, habría que preguntar qué entendemos por tal.

Así, se entiende por materia condensada a toda aquella en la que las partículas que la componen -átomos, moléculas o iones- se encuentran aglomeradas: es el caso de los sólidos y los líquidos, junto con las fases intermedias entre ambos, pero no de los gases ni de los plasmas -o gases ionizados, es decir, cargados eléctricamente-.

Escala de Mosh. Ilustración tomada del Grupo Mineralógico de Alicante

Hasta aquí la definición es sencilla, pero, ¿qué quiere decir blanda? ¿Qué diferencia hay entre la materia dura y la blanda? Cierto es que en los sólidos existe una escala de dureza, la conocida escala de Mosh, que va de uno a diez clasificando a los sólidos entre el más blando -el talco- y el más duro -diamante-, pero ¿cómo diferenciamos, de una manera absoluta -la escala de Mosh lo hace por comparación- entre materiales duros y blandos?

Para ello, si me lo permiten, debo hacer antes una introducción relativa a los distintos tipos de enlaces químicos que, a grandes rasgos, se pueden clasificar en cinco grandes tipos: enlaces covalentes, enlaces iónicos, enlaces metálicos, fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno. Todavía existe alguno más, pero con estos cinco tipos principales tendremos suficiente para lo que pretendemos.

Éstos, a su vez, pueden ser separados en dos grupos dependiendo de la fuerza con que enlazan a las partículas que unen entre sí: los enlaces fuertes -los tres primeros- y los débiles -los dos segundos-. En el primer grupo están el enlace covalente, que une átomos de un mismo elemento químico, o de elementos distintos, formando moléculas -como por ejemplo la de oxígeno- o cristales -diamante, cuarzo-; el enlace iónico, en el cual no son átomos neutros, sino iones cargados eléctricamente, los que forman cristales tales como los de cloruro sódico, o sal común; y, por último, el enlace metálico, que como su nombre indica es el típico de los metales proporcionándoles una serie de características comunes tales como su brillo metálico y su gran conductividad eléctrica y térmica.

Un diamante, paradigma de dureza

Estos tres tipos de enlaces tienen en común la fortaleza con la que unen a los átomos o iones, por lo cual no es de extrañar que resulte difícil romperlos y que para ello sea necesario aplicar una gran cantidad de energía. Por esta razón los metales, los cristales iónicos -o sales- y los sólidos covalentes -cristales como el diamante o el cuarzo- suelen ser sólidos a temperatura ambiente con alguna excepción como el mercurio, presentando puntos de fusión que pueden llegar a ser tan elevados como el del wolframio, nada menos que 3.400 grados centígrados.

En el caso de compuestos moleculares como el oxígeno, el nitrógeno o el hidrógeno, dado que los enlaces covalentes no se extienden por un cristal tridimensional sino que se limitan a formar moléculas con un reducido número de átomos, éstos no son ya sólidos de alto punto de fusión sino gases, dado que las diferentes moléculas no están unidas entre sí por los fuertes enlaces covalentes; aquí lo difícil es romper las moléculas para separar los átomos que las constituyen, lo que viene a ser el equivalente a fundir un cristal de diamante o de sal.

Azufre cristalizado, ejemplo típico de cristal “blando”

Pasemos ahora al segundo grupo, al de las fuerzas de enlace débiles. Éstas son denominadas también fuerzas intermoleculares, debido a que no tienen lugar en el interior de la molécula, como en el caso de los enlaces covalentes, sino entre moléculas contiguas. Y, como ya he avanzado, son de dos tipos diferentes según intervengan o no las fuerzas electrostáticas. Las primeras son las denominadas fuerzas de Van der Waals, -por el nombre del químico que las descubrió- y son el equivalente -con muchas comillas- a la atracción gravitatoria; aunque, quede bien claro, no tienen nada que ver con ésta, simplemente se comportan de una manera relativamente similar a ella ya que son generales a todos los átomos y moléculas, así como proporcionales a su masa.

Los puentes de hidrógeno, por su parte, se denominan así porque se descubrieron en un compuesto de hidrógeno tan común como es el agua, aunque no es necesaria la existencia de este elemento para que aparezcan; tan sólo tiene que ocurrir que la molécula esté polarizada en mayor o menor medida debido a su estructura y su composición química, de modo que en la práctica se comporta como un pequeño imán con un polo positivo y otro negativo. Y, como hay muchas moléculas idénticas y todas ellas están polarizadas de forma similar, acaban uniéndose unas a otras de la misma manera que hacen los imanes, es decir, aproximándose el polo negativo de una al polo positivo de la contigua, y viceversa.

El agua en sus tres estados: hielo, agua líquida y vapor en las nubes
Ejemplo típico de moléculas con puentes de hidrógeno

Mientras las fuerzas de Van der Waals son universales y afectan a todas las moléculas, no ocurre lo mismo con los puentes de hidrógeno, que sólo se dan en aquéllas que reúnen las condiciones adecuadas para ello. Como las moléculas con puentes de hidrógeno presentan también fuerzas de Van der Waals, ambos efectos obviamente se sumarán.

Hecha ya esta necesaria introducción, podemos entender el concepto de materia condensada blanda, dejando bien claro que no me voy a referir a ciertos estados exóticos de la materia tales como los condensados de Bose-Einstein o los líquidos de Fermi, lo cual complicaría demasiado algo que pretende ser tan sólo un artículo de divulgación, sino a la materia condensada blanda normal, entendiendo como tal aquella cuya cohesión, en condiciones ambientales normales, viene determinada principalmente por los dos tipos de fuerzas débiles considerados, o bien tan sólo por las fuerzas de Van der Waals.

Se trata en todos los casos de compuestos moleculares en los cuales los enlaces intramoleculares, es decir, los que mantienen unidos a los átomos de una misma molécula, son de naturaleza covalente y, por lo tanto, lo suficientemente fuertes como para no romperse al tener lugar, pongo por ejemplo, la fusión del material, ya que lo que sí se rompe son los enlaces intermoleculares, mucho más débiles. Dicho con otras palabras podemos separar con facilidad las piezas, pero no trocearlas.

Aunque el concepto químico -o físico- de blandura no coincide exactamente con el del lenguaje común, lo cierto es que este tipo de compuestos suelen ser por lo general bastante blandos, debido a la debilidad de sus fuerzas de cohesión. En muchos casos estos materiales son líquidos como ocurre con el agua, que de no ser por los puentes de hidrógeno sería un gas, y cuando se trata de sólidos, como por ejemplo el yodo o la manteca, resulta fácil no sólo cortarlos, sino también fundirlos sin más que calentándolos un poco.

Modelo molecular de una proteína, un polímero natural.

En cuanto a la composición química de estas substancias ésta es evidentemente muy heterogénea, pero a grandes rasgos, y además de los líquidos y de los cristales moleculares -empaquetamientos de moléculas unidas entre sí por las citadas fuerzas débiles- tales como el yodo, el azufre o el hielo, podríamos incluir en este grupo a los vidrios -sólidos amorfos no necesariamente blandos desde el punto de vista de su dureza-, la mayoría de los compuestos biológicos, los polímeros tanto naturales -proteínas, ADN, celulosa- como sintéticos, los cristales líquidos, los geles y coloides y, dentro ya del ámbito inorgánico, las arcillas.

De todos ellos los más importantes sin duda son los polímeros, unos materiales formados por moléculas de gran tamaño -por ello reciben también el nombre de macromoléculas- que en realidad no son sino un conjunto de moléculas de tamaño normal, denominadas monómeros, que están unidas entre sí de forma similar a como lo hacen los eslabones de una cadena. Claro está que la estructura interna de un polímero puede llegar a ser -y de hecho lo es- enormemente complicada, pero en líneas básicas podríamos identificarlo, recurriendo a un símil muy superficial, con un plato de espaguetis cocidos.

Los polímeros pueden presentar una estructura parecida a la de un plato de espaguetis

Aunque resulta relativamente difícil romper los enlaces covalentes que unen entre sí a los distintos monómeros -de paso destruiríamos el polímero-, sí es mucho más fácil separar los espaguetis sin romperlos, por lo cual los polímeros son considerados materia blanda pese a la notable dureza de algunos de ellos; pero, insisto, el concepto químico y físico de materia blanda hace alusión a su estructura interna, no a su dureza intrínseca.

Claro está que no todos los polímeros son artificiales; de hecho gran parte de los procesos bioquímicos, es decir, de la vida misma, están basados en este tipo de materiales: las proteínas, el ADN, la celulosa, el almidón... todos ellos son materiales poliméricos, y todos son, evidentemente, blandos.

Las televisiones y los monitores son probablemente la aplicación más conocida de los cristales líquidos

Aunque los cristales líquidos han sido explicados con mayor detalle en el artículo correspondiente a los diferentes estados de la materia, no está de más recordarlos aquí. Un cristal líquido, como su nombre indica, es un material que presenta propiedades de sólido cristalino en alguna de las direcciones del espacio y de líquido, es decir, amorfo, en las restantes, por lo que se comportará como uno o como otro dependiendo de la orientación con la que le miremos. Esto hace que, por encima de su interés científico presenten interesantes propiedades tecnológicas, y es bastante probable que este artículo lo estén leyendo ustedes a través de un monitor cuya pantalla utiliza, precisamente, cristales líquidos para reproducir las imágenes.

Otros materiales blandos importantes son los geles y los coloides. Un coloide es un tipo especial de falsa disolución en la cual las partículas no llegan a estar disueltas -es decir, íntimamente mezcladas con el disolvente- sino tan sólo dispersas en él, lo que supone un grado menor de interacción. Estas partículas coloidales pueden llegar a ser de un tamaño considerable -para la escala en la que nos movemos- y presentar propiedades interesantes, muchas de ellas imprescindibles para que ciertos procesos bioquímicos puedan tener lugar. Ejemplos de materiales coloidales comunes pueden ser la leche, la tinta china, la mayonesa...

La mayonesa, un conocido y sabroso ejemplo de solución coloidal

Un gel es una dispersión coloidal en la que el coloide, esto es, el material dispersado, coagula produciendo un material sólido que sigue conteniendo en su interior a las dos fases que lo constituyen, el dispersante y el dispersado. El ejemplo más inmediato de gel, como su nombre indica, es la gelatina, pero evidentemente hay otros muchos, bastantes de los cuales tienen interés científico o comercial... aunque no los geles de baño, que pese a su nombre evidentemente no son tales desde un punto de vista físico.

Dependiendo de cada sistema en concreto y de las condiciones ambientales, una solución coloidal se puede gelificar, y viceversa, de forma reversible. Un ejemplo sencillo de este proceso, al alcance de cualquiera, consiste en abrir un envase de yogur y comprobar que éste está gelificado, es decir, presenta un aspecto razonablemente sólido... aunque blando. Sin embargo, si lo removemos con una cuchara adoptará inmediatamente una textura mucho más líquida, aunque espesa.

La arcilla es un mineral común. Fotografía tomada de la Wikipedia

Termino el artículo con una mención a otro material blando natural, en esta ocasión inorgánico, la arcilla. Químicamente es un silicato hidratado de aluminio independientemente de las distintas impurezas que pueda contener, pero lo importante no es su composición química, sino su estructura. A diferencia de otros materiales inorgánicos como las rocas, que tienen una estructura dura, la arcilla es evidentemente blanda... además de plástica y moldeable, como es sabido. Estas propiedades se deben a su estructura, formada por un conjunto de micropartículas que se ordenan en forma laminar, algo así como si fuera un hojaldre. Las láminas contiguas están unidas entre sí mucho más débilmente que las partículas que forman una lámina, razón por la que éstas pueden deslizarse con facilidad resbalando la una sobre la otra, lo que conduce a sus propiedades plásticas. La cocción de la arcilla provoca una pérdida de agua, desapareciendo su plasticidad y convirtiéndose en un material duro, la cerámica.

Así pues, vista su importancia, no menospreciemos a la materia blanda.