Metales, mitos y estrellas

El avance del conocimiento y las sociedades humanas está estrechamente relacionado con el dominio de los metales, los hijos de las estrellas.

Todo el oro, como el usado para este anillo de Ramsés
II, se ha creado en explosiones de supernovas como la
SN 1994D.
(anillo: foto CC de Guillaume Blanchard; supernova:
foto CC de NASA/ESA por el telescopio Hubble)

Dice el "Breve diccionario etimológico de la lengua castellana" de Joan Corominas que la palabra "metal" entró en nuestro idioma hacia el año 1250, proveniente del latín "metallum", que probablemente significaba "mina". El Oxford English Dictionary añade que la palabra latina proviene del griego "metallon", que significaba por igual "mina", "cantera" o, sí, "metal".

Los griegos y romanos que les dieron nombre conocían únicamente siete metales: oro, cobre, plata, plomo, estaño, hierro y mercurio, mientras que los indostanos conocían además el zinc y los chinos el cromo, como se descubrió al ver que algunas armas del ejército de terracota de Xian lo usaban como recubrimiento. Pero no fue sino hasta el siglo XVIII cuando se desencadenó el hallazgo de los diversos metales que conocemos hoy.

Los metales son elementos químicos (o sus compuestos o aleaciones) que son buenos conductores del calor y de la electricidad, generalmente con un brillo característico, maleables y dúctiles, y que pierden fácilmente electrones para fomar iones positivos. Forman la mayor parte de los 90 elementos de la tabla periódica que se pueden encontrar en la naturaleza, 66 de ellos, divididos en 6 categorías.

Formación de los metales

El hombre encontró los primeros metales en su forma pura, como hoy aún podemos encontrar pepitas o vetas de oro, pero otros metales sólo se encuentran en forma de compuestos que deben ser beneficiados o procesados para extraerlos. Por supuesto, el origen mismo de esos asombrosos materiales fue asunto de la mitología.

Para algunos pueblos, los metales eran producto del sacrificio o autoinmolación de algún dios o semidiós, partes sagradas derramadas en beneficio de la humanidad. Para los antiguos chinos, la copulación del "chi" (energía vital mágica) de la tierra con el Cielo Polvoriento producía el nacimiento de un metal que, al paso de los milenios, iba generando los demás. Para Aristóteles, los metales y todos los minerales nacían de exhalaciones de la tierra relacionadas con los cuatro elementos. Las proporciones de los cuatro elementos daban como resultado los distintos minerales y metales conocidos.

La idea de que los metales estaban en continua formación, ya fuera por relaciones sexuales, exhalaciones o el crecimiento orgánico incluía el concepto de que si se dejaban reposar las explotaciones mineras agotadas, éstas se reabastecerían y se volverían, decía Plinio, "más productivas" debido al "aire que se infunde por los orificios abiertos".

En el siglo XVI, Jerónimo Cardano, matemático y médico del renacimiento y uno de los fundadores de la teoría de la probabilidad, se hacía eco de esta creencia: "los materiales metálicos son a las montañas lo mismo que los árboles, y tienen sus raíces, troncos, ramas y hojas... ¿Qué es una mina si no es una planta cubierta de tierra?"

La idea del origen orgánico de los metales, su sexualidad y su composición elemental, y la creencia en que todos los metales eran la "semilla" del oro fueron bases de la alquimia, que buscaba en el "matrimonio de los metales" la consecución del sueño de la piedra filosofal, y soportó todavía varios siglos después del renacimiento.

Poco a poco, el avance del conocimiento científico sugirió que los metales, como todos los demás elementos, habían nacido con el universo. Pero, ¿al mismo tiempo o de modo progresivo?

Quien dio la clave del origen de los elementos pesados fue el físico inglés Sir Arthur Eddington, que en 1920 sugirió que las estrellas obtenían su energía fusionando núcleos de hidrógeno para producir helio, es decir, que eran grandes hornos de fusión nuclear. No fue sino hasta 1938 cuando el físico alemán Hans Bethe describió los mecanismos de la fusion de hidrógeno en helio.

Pero no explicaba los elementos más pesados que el helio, que abordó el físico Fred Hoyle después de la segunda guerra mundial, señalando cómo la abundancia de los elementos en una galaxia aumentaba conforme ésta envejecía. Es decir, que las estrellas iban produciendo, mediante fusión nuclear, elementos progresivamente más pesados que el hidrógeno (con un protón en el núcleo) y el helio (con dos protones). Por eso, precisamente, elementos ligeros (desde el punto de vista atómico) como el carbono, el oxígeno o el hierro son muy abundantes y otros más pesados como el oro, el mercurio y el uranio, son muy escasos.

Las enormes fuerzas del interior de las estrellas fusionan los elementos en su interior creando núcleos más pesados, lo que se conoce como "nucleosíntesis estelar". Dos átomos de hidrógeno producen uno de helio. Tres de helio se fusionan creando uno de carbono (que tiene 6 protones). Uno de carbono y uno de helio se conjuntan en un átomo de oxígeno, y así sucesivamente hasta llegar al hierro, el elemento más pesado que puede producirse dentro de una estrella y que en su núcleo tiene 26 protones.

El hierro es el elemento que tiene la energía de unión más fuerte e incluso las fuerzas de las estrellas comunes no pueden provocar que se fusione dando lugar a elementos más pesados, pero aún así, en la naturaleza, hay muchos elementos con núcleos más pesados que el hierro, desde el cobalto (con 27 protones) hasta el uranio (con 92), y sin contar los elementos hechos por el hombre que hasta la fecha llegan al elemento "ununoctio", con 118 protones.

Los elementos que van del cobalto al uranio sólo pueden producirse en las masivas explosiones de estrellas que llamamos "supernovas", lo que conocmos como "nucleosíntesis explosiva". que además, al estallar, distribuyen por el universo los elementos más ligeros creados cuando eran simples estrellas.

El polvo estelar lanzado por las supernovas puede después empezar a reunirse en nubes giratorias que dan origen a nuevas estrellas y sistemas solares. Así ocurrió con el nuestro. Todos los elementos de nuestro planeta más pesados que el hidrógeno y el helio, los dos principales elementos nacidos durante la explosión que dio origen al universo, el Big Bang, están fabricados en el interior de las estrellas. Estamos hechos, como decía Carl Sagan, del material de las estrellas.

Origen En 2011, un grupo de investigadores publicó en la revista "Experimental Astronomy" una propuesta de misión a la Agencia Espacial Europea. La misión, llamada "Origen: creación y evolución de los metales desde el amanecer cósmico" pondría en órbita un observatorio espectroscópico para analizar la composición de grupos de galaxias y responder a preguntas como ¿cuándo se crearon los primeros metales?, ¿cómo evoluciona el contenido metálico del cosmos? y ¿dónde se encuentra la mayor parte de los metales del universo? La ESA aún no ha dado respuesta.

Tecnología y ciencia de los metales

La llegada del metal a la tecnología humana representó una revolución tan radical que, de hecho, continúa en nuestros días.

Casco de bronce procedente de Tracia, de

alrededor del siglo IV antes de la Era Común.

 (Foto CC de Ann Wuyts

vía Wikimedia Commons)

“La edad de piedra” es un concepto que se utiliza frecuentemente como sinónimo de falta de avance y primitivismo. Esto olvida que la tecnología de piedra desarrollada por varias especies de humanos, como los neandertales y nosotros, llegó a ser de una enorme complejidad y detalle. Y de hecho fue requisito esencial para dar el gran salto tecnológico hacia los metales.

Curiosamente, sin embargo, el primer metal que encontramos asociado a la historia humana es el oro, es decir, como riqueza y adorno antes que por su valor práctico. Según los estudiosos de la historia de los metales, la relación del hombre con el oro comenzó encontrando pepitas de este metal en los ríos. Las pepitas son producto de la erosión de vetas de oro por causa del agua. Y la primera forma de trabajar el metal fue unir pepitas de oro empleando martillos.

El oro, como la plata, el cobre, el estaño y el hierro procedente de meteoritos (cuyo contenido en cinc lo hace resistente a la corrosión), se pueden encontrar en forma metálica en la naturaleza. Estos metales, sucesivamente descubiertos y procesados mediante una tecnología en constante desarrollo, muchas veces mediante la producción de armas más eficaces y letales, como la primera hacha de cobre descubierta hasta la fecha, con una edad de 7.500 años procedentes de la cultura Vincha, en los Balcanes.

El acceso a los metales, su procesamiento y utilización, fueron esenciales para el paso del ser humano de la vida nómada del cazador recolector al establecimiento de asentamientos, pueblos, ciudades y estados cuyo poder iba en relación directa a su fuerza militar y su riqueza, ambos aspectos dependientes de los metales en una situación que no ha cambiado mucho hasta hoy.

Pero para encontrar y trabajar con los metales que no se encuentran aislados en la naturaleza, se tuvieron que desarrollar técnicas diversas. Primero, es necesario identificar el metal, es decir, reconocer las características de un mineral que indican la presencia de una cantidad de metal suficiente como que su recuperación sea económicamente viable. Una vez reconocido el mineral y su potencial de rendimiento, es necesario extraer del mineral los metales y concentrarlos (lo que se conoce también como su “beneficio”) mediante diversos procesos.

La extracción de los metales se puede realizar con agua a la que se añaden otras sustancias para disolver en ella los minerales y recuperar los metales mediante procesos como la precipitación, la destilación o la electrólisis entre otros. O bien se puede realizar utilizando el calor de varias formas. La fundición como proceso de extracción, por cierto, no implica simplemente fundir el metal para separarlo del mineral, ya que en la mayoría de los minerales el metal no está presente como elemento, sino como parte de compuestos químicos, como por ejemplo óxidos, sulfuros, cloruros o carbonatos. La fundición emplea el calor y otras sustancias para que reaccionan con los otros elementos del compuesto para obtener el metal libre, a veces realizando procesos previos que alteran los compuestos químicos convirtiéndolos en otros más adecuados para la extracción.

El metal refinado puede procesarse para darle distintas formas y modificar algunas de sus características originarias para que sirvieran mejor a diversas necesidades. Uno de los mejores ejemplos de estos procesos es el forjado, durante el cual un metal calentado al rojo vivo es golpeado para darle forma y hacer que sus características sean uniformes en toda su extensión, como se hace con las espadas, y después se tiempla, aumentando y disminuyendo su temperatura de forma controlada para alterar su estructura cristalina y hacerlo más resistente, más dúctil y maleable, menos propenso a desarrollar grietas y menos duro.

Los metales que conocemos y usamos generalmente no están formados por un solo elemento, sino que son aleaciones como el bronce (aleación de cobre y estaño) o el acero (de hierro y carbono). Los componentes minoritarios de las aleaciones sirven también para alterar y controlar las características físicas del metal principal, aumentando de modo asombroso la diversidad de sus aplicaciones. Lo que llamamos aluminio es en realidad una variedad de aleaciones cuyo principal componente es, efectivamente, aluminio en más del 90%, pero aleado con diversos metales y en variadas cantidades.

Así, por ejemplo, el aluminio de una lata de una bebida comercial es una aleación llamada 3104-H19 o una similar, con aproximadamente 1% de magnesio y 1% de manganeso, pero la tapa se fabrica con la aleación 5182-H48, más rígida y dura (la “H” de la denominación del a aleación significa ‘hardness’, dureza en inglés), y la lengüeta para abrir la lata es de otra aleación más.

Hoy sería difícil imaginar un mundo con sólo siete metales, que eran los que la humanidad conoció desde la antigüedad y hasta el siglo XIII. Además de oro, plata, hierro y cobre, se conocían el plomo, el estaño y el misterioso mercurio, el metal líquido que ha fascinado a la humanidad desde el primer emperador chino, Chin Shi Huandig, quien murió envenenado por consumirlo creyendo que prolongaba la vida. En la Edad Media se descubrieron apenas cuatro metales más (arsénico, antimonio, cinc y bismuto), el platino en el siglo XVI, doce metales más en el siglo XVIII, mas de cuarenta en el siglo XIX y los restantes metales naturales, además de los transuránidos sintetizados por el hombre, en el siglo XX.

Pese a que hoy conocemos todos los metales y sus características, en gran medida se puede decir que seguimos viviendo la edad del hierro. Nuestro mundo tecnológico es fundamentamente de acero, una aleación de hierro con carbono y otros diversos metales que permiten que lo utilicemos para una variedad de aplicaciones más amplia que la de ningún otro metal, desde la humilde hoja de afeitar hasta los cohetes espaciales.

Sin embargo, el maravilloso logro que es la Estación Espacial Internacional no es de acero, es fundamentalmente del mismo metal que una lata de refresco: aluminio.

La abundancia de los metales Los metales son la mayoría de los elementos que existen en el universo. De los 92 elementos naturales, 86 son metales, aunque el elemento más abundante sea el hidrógeno. Una cuarta parte de la corteza terrestre está formada por metales diversos, de los cuales los más abundantes son el aluminio, el magnesio, el estaño, el hierro y el manganeso. El núcleo del planeta es principalmente de hierro. En cambio nosotros tenemos pocos metales y en pequeñas cantidades, pero esenciales para la vida: calcio, sodio, magnesio, hierro, cobalto, cobre, cinc, yodo, selenio forman menos del 4% de nuestro cuerpo.