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El filtro para la LSSTCam del Observatorio Vera C. Rubin.
(LLNL/G. McLeod)
El vidrio, el acero o los metales de tierras raras son materiales han transformado la humanidad a lo largo de la historia y convertido a sus creadores en potencias mundiales
Muchos dispositivos modernos, desde teléfonos móviles y ordenadores hasta vehículos eléctricos y turbinas eólicas, dependen de potentes imanes fabricados con un tipo de minerales llamados tierras raras. A medida que los sistemas y la infraestructura utilizados en la vida diaria se han digitalizado y Estados Unidos ha avanzado hacia las energías renovables, el acceso a estos minerales se ha vuelto crucial, y los mercados para estos elementos han crecido rápidamente.
La sociedad moderna ahora utiliza imanes de tierras raras en todo. Desde la defensa nacional, donde los sistemas basados en imanes son parte integral de los sistemas de guiado de misiles y aeronaves, hasta la transición a la energía limpia, que depende de turbinas eólicas y vehículos eléctricos.
El rápido crecimiento del comercio de tierras raras y sus efectos en la sociedad no es el único caso de estudio de este tipo. A lo largo de la historia, los materiales han moldeado silenciosamente la trayectoria de la civilización humana. Forman las herramientas que las personas usan, los edificios que habitan, los dispositivos que median en sus relaciones y los sistemas que estructuran las economías. Los materiales recién descubiertos pueden generar un efecto dominó que moldea las industrias, altera los equilibrios geopolíticos y transforma los hábitos cotidianos de las personas.
La ciencia de los materiales estudia la estructura atómica, las propiedades, el procesamiento y el rendimiento de los materiales. En muchos sentidos, la ciencia de los materiales es una disciplina de gran trascendencia social.
Como científico de materiales, me interesa saber qué puede pasar cuando haya nuevos materiales disponibles. El cristal, el acero y los imanes de tierras raras son ejemplos de cómo la innovación en la ciencia de los materiales ha impulsado el cambio tecnológico y, como resultado, ha dado forma a las economías, la política y el medio ambiente de todo el planeta.
Las lentes de vidrio y la revolución científica
A principios del siglo XIII, después del saqueo de Constantinopla, algunos excelentes vidrieros bizantinos abandonaron sus hogares para establecerse en Venecia, entonces un poderoso centro económico y político. La nobleza local acogió con agrado las hermosas obras de los vidrieros. Sin embargo, para evitar incendios en los hornos de vidrio, los nobles los exiliaron, bajo pena de muerte, a la isla de Murano.
Murano se convirtió en el centro de la artesanía del vidrio del siglo XV. El vidriero Angelo Barovier experimentó añadiendo al vidrio cenizas de plantas quemadas, que contenían una sustancia química llamada potasa.
La potasa redujo la temperatura de fusión y aumentó la fluidez del vidrio líquido. También eliminó las burbujas y mejoró la claridad óptica. Este vidrio transparente se utilizó posteriormente en lentes de aumento y gafas.
La imprenta de Johannes Gutenberg se completó en 1455 e hizo que la lectura fuera más accesible para las personas de toda Europa. Con ella surgió la necesidad de gafas para leer, que se popularizaron entre eruditos, comerciantes y clérigos, lo suficiente como para que la fabricación de gafas se convirtiera en una profesión establecida.
A principios del siglo XVII, las lentes de vidrio evolucionaron hasta convertirse en dispositivos ópticos compuestos. Galileo Galilei apuntó un telescopio hacia los cuerpos celestes, mientras Antonie van Leeuwenhoek descubrió la vida microbiana con un microscopio.
Los instrumentos basados en lentes han supuesto una auténtica revolución. Los telescopios han redefinido las visiones cosmológicas tradicionales. Los microscopios han abierto campos completamente nuevos en biología y medicina.
Estos cambios marcaron el comienzo de la ciencia empírica, donde la observación y la medición impulsaron la creación de conocimiento. Hoy, el telescopio espacial James Webb y el Observatorio Vera C. Rubin continúan el legado de conocimiento de aquellos primeros telescopios.
Acero e imperios
A finales del siglo XVIII y XIX, la Revolución Industrial creó una demanda de materiales más resistentes y fiables para máquinas, ferrocarriles, barcos e infraestructura. El material que surgió fue acero, muy resistente, duradero y económico. El acero es una mezcla de hierro principalmente, con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos añadidos.
Los países con una producción siderúrgica a gran escala tuvieron en el pasado un poder económico y político descomunal, así como una gran influencia en las decisiones geopolíticas. Por ejemplo, el Parlamento británico pretendía impedir que las colonias exportaran acero terminado mediante la Ley del Hierro de 1750. Querían el hierro crudo de las colonias como suministro para su industria siderúrgica en Inglaterra.
Benjamín Huntsman inventó un proceso de fundición utilizando recipientes de cerámica de 90 cm de altura, llamados crisoles, en Sheffield en el siglo XVIII. El proceso de crisol de Huntsman produjo acero de mayor calidad para herramientas y armas.
Cien años después, Henry Bessemer desarrolló el proceso de fabricación de acero por soplado de oxígeno, lo que aumentó drásticamente la velocidad de producción y redujo los costos. En Estados Unidos, figuras como Andrew Carnegie crearon una vasta industria basada en el proceso Bessemer.
La amplia disponibilidad del acero transformó la forma en que las sociedades construían, viajaban y se defendían. Los rascacielos y los sistemas de transporte de acero permitieron el crecimiento de las ciudades, los acorazados y tanques de acero impulsaron a los ejércitos y los automóviles de acero se convirtieron en productos básicos para el consumo.
El control sobre los recursos y la infraestructura siderúrgica convirtieron al acero en la base del poder nacional. El auge de China en el siglo XXI hasta alcanzar el dominio del acero es una continuación de este patrón. De 1995 a 2015, la contribución de China a la producción de acero mundial aumentó de aproximadamente el 10% a más del 50%. La Casa Blanca respondió en 2018 con un aumento de aranceles al acero chino.
Los metales de tierras raras y el comercio mundial
A principios del siglo XXI, el avance de las tecnologías digitales y la transición hacia una economía basada en energías renovables crearon una demanda de elementos de tierras raras.
Los elementos de tierras raras son 17 elementos químicamente muy similares, incluidos el neodimio, el disprosio y el samario, entre otros. Estos elementos se encuentran en la naturaleza y son los componentes que hacen que los imanes sean extremadamente fuertes y útiles. Son necesarios para motores eléctricos, turbinas eólicas y dispositivos electrónicos de alta eficiencia.
Debido a su similitud química, la separación y purificación de elementos de tierras raras implica procesos complejos y costosos.
China controla la mayoría de la capacidad mundial de procesamiento de tierras raras. Tensiones políticas entre países, especialmente en torno a los aranceles comerciales y la competencia estratégica, pueden generar escasez o interrupciones en la cadena de suministro.
El caso de los metales de tierras raras ilustra cómo una sola categoría de materiales puede moldear la política comercial, planificación industrial e incluso alianzas diplomáticas.
La transformación tecnológica comienza con la presión social. Los nuevos materiales crean oportunidades para avances científicos y de ingeniería. Una vez que un material demuestra su utilidad, se integra rápidamente en la vida cotidiana y en sistemas más amplios. Con cada innovación, el mundo material reorganiza sutilmente el mundo social, redefiniendo lo posible, lo deseable y lo normal.
Comprender cómo responden las sociedades a las innovaciones en la ciencia de los materiales puede ayudar a los ingenieros y científicos actuales a resolver las crisis de sostenibilidad y seguridad. Toda decisión técnica es, en cierto modo, cultural, y cada material tiene una historia que va mucho más allá de su estructura molecular.
