... "Tenemos lo suficiente para construir con técnicas avanzadas, si sabemos de ellas. [...] La aviación y la conquista espacial nos han señalado rumbos, mismos que nosotros queremos ignorar. [...] Queremos seguir sosteniendo la artesanía en vez de meternos en el nuevo mundo de la industria de la construcción. [...] No hemos querido emplear ni los materiales, ni los procedimientos de las nuevas técnicas"...

Fernando Barbará Zetina, febrero de 1972.

Por primera vez en la historia de la humanidad, el hombre tiene la capacidad de crear materiales constructivos novedosos, a través de la Ciencia de la Investigación en Materiales, cuyas propiedades singulares pueden ser predeterminadas de acuerdo a las necesidades particulares de cada problema. Una de sus técnicas, conocida como Nanotecnología, nos permite crear materiales nanoestructurados con cualidades que la arquitectura del Siglo XXI tratará de aprovechar para abatir, por ejemplo, los fuertes rezagos que hoy existen en materia de vivienda, escuelas u hospitales, mejorando sustancialmente el confort, la seguridad y la economía de la población, así como proteger al planeta y mejorar su ya muy deteriorado medio ambiente.

Desde hace miles de años, la humanidad ha construido con los materiales que nuestro planeta naturalmente ha proporcionado. Nos encontramos con magníficos ejemplos en la historia de la arquitectura de cómo estos materiales han sido utilizados, una y otra vez, con variaciones ingeniosas en su aplicación en componentes y sistemas constructivos. Todos ellos, incluidos aquellos materiales desarrollados después de la Revolución Industrial, hoy tradicionales en la arquitectura, siguen siendo para la mayoría de los constructores el único instrumento futuro para resolver infraestructura y edificación. Mientras la arquitectura se ha rezagado paulatinamente, en cuanto a materiales constructivos se refiere, otras disciplinas se encuentran investigando nuevos materiales artificiales para industrializarlos y comercializarlos en aplicaciones de bajo costo. La industria electrónica revolucionó los plásticos y utilizó al máximo los nuevos materiales semiconductores. La tecnología espacial derivó sus descubrimientos a la aeronáutica, la industria automotriz, el vestido, la medicina y el deporte. Las computadoras y los nuevos materiales mejoraron la calidad de los diseños industriales y gráficos. Pero la arquitectura ha tomado con demasiada cautela los nuevos descubrimientos en la Investigación en Materiales, y en muchos casos intenta mirar a lo que ya fue, en lugar de mirar hacia lo que vendrá. La arquitectura debe entrar en un nuevo periodo de investigación e industrialización, para ganar el camino perdido.

La Investigación en Materiales es una disciplina nueva, principalmente resultado de la fusión de ciencias como la metalurgia y el estudio de los polímeros y las cerámicas. La Investigación en Materiales, vista como ciencia, estudia a todos los materiales conocidos por la humanidad. Aunque utilizada durante siglos de manera empírica, la Investigación en Materiales fue reconocida como ciencia hasta la segunda mitad del Siglo XX. La imperiosa demanda de materia prima en todas las áreas del conocimiento humano, causó que en determinado momento, ciertas compañías se especializaran y ofrecieran productos bajo especificación. Cuando la Investigación en Materiales surgió, fue gracias a la fusión de la ciencia con la tecnología. Debido a las necesidades industriales, la Investigación en materiales trato en un principio de ofrecer a la industria una descripción de los materiales existentes idóneos para sus necesidades. Después, en el momento en que las necesidades y requisitos se volvieron más complejos, la Investigación en Materiales empezó a combinar materiales mediante el proceso de prueba y error. Cuando la nueva disciplina requirió encontrar materiales para determinadas necesidades y se encontró con que no existían, se utilizaron los conocimientos de la física y la química para poder alcanzarlos. La visión prospectiva (1) hizo su aparición y la Investigación en Materiales fue creando paulatinamente sus propias herramientas para lograr diseñar nuevos materiales. Actualmente la Investigación en Materiales se basa fundamentalmente en la física molecular y en la fisicoquímica. La fusión de estos campos de conocimiento se conoce actualmente como Ingeniería Molecular, la cual ha permitido el desarrollo de la Nanotecnología.

¿Pero qué es la Nanotecnología? Se le puede definir como un conjunto de técnicas que permite manejar átomos y moléculas con absoluta precisión para construir estructuras microscópicas con especificaciones atómicas sumamente complejas y caprichosas. Se le da el prefijo Nano porque se trabaja a escalas nanométricas, donde una molécula común mide, por ejemplo, entre 2 y 5 nanómetros. Producto de la capacidad del hombre por entender con la ciencia lo inmensamente grande y lo infinitamente pequeño, la Nanotecnología tiene entre sus objetivos crear nuevos materiales constructivos jugando con su estructura molecular. Este es el caso de los Materiales Nanoestructurados. Se ha descubierto que de la estructura molecular de un material dependen las propiedades físico químicas que de ellos percibimos. Un ejemplo lo encontramos en el Carbono, que en la naturaleza generalmente se presenta en dos formas: el diamante y el grafito. La transparencia y dureza del primero contrastan con la fragilidad y obscuridad del segundo. Ambos son Carbono puro, pero su diferencia estriba en la distinta organización molecular. A nivel nanométrico, el diamante es una estructura tridimensional rígida, mientras que el grafito consta de capas bidimensionales deslizables entre sí. La Nanotecnología recientemente ha permitido descubrir dos nuevas formas distintas posibles en la naturaleza para las moléculas del Carbono: Los Fullerenos y los Nanotubos (2). Ambos tienen propiedades singulares resistentes y eléctricas que se están estudiando.

¿Qué diferencia existe entre un material común y uno nanoestructurado? Si comparamos dos pedazos de materiales con un volumen idéntico, por ejemplo dos cubos sólidos de cobre de un centímetro cúbico, la diferencia estriba en que en el interior del pedazo de material común, sus moléculas están organizadas en granos con poblaciones típicas de miles de millones de átomos, cuya dimensión granular oscila entre micrómetros y milímetros de diámetro. En el pedazo del material nanoestructurado, los granos moleculares tienen un tamaño máximo de 100 nanómetros de diámetro y tienen poblaciones granulares menores a decenas de miles de átomos. Dicho de otra forma, los granos de los materiales nanoestructurados son entre mil y cien mil veces más pequeños que los de un material común, y además, dentro del mismo volumen espacial poseen el 0.001 % de átomos. Lo anterior significa un ahorro importante de materia dentro de cada pedazo de material nanoestructurado, y como consecuencia, una ligereza en peso que puede llegar a ser, en teoría, mil veces mayor que lo normal. Esta distinción física permite también obtener propiedades y características nuevas, singulares y asombrosas que nunca antes han sido vistas en los materiales comunes. Se ha obtenido cobre nanoestructurado cinco veces más resistente que el natural. Los Materiales Nanoestructurados se comportan diferente que sus contrapartes naturales.

¿Cómo se obtiene un Material Nanoestructurado? Existen muchos procedimientos para sintetizarlos. Siegel (3) descubrió un proceso práctico y económico para crear materiales nanoestructurados en cantidades industriales al cual ha llamado y patentado como Síntesis Física de Vapor (4). El proceso expone a un material común a temperaturas superiores a su punto de fundición, propiciando una evaporación superficial de átomos, dentro de una atmósfera constituida por un gas especial, que son capturados en forma de cristales mediante un colector enfriado a bajas temperaturas. Los cristales resultantes son retirados del tubo colector y prensados para moldear cualquier tipo de objeto. Lo más importante de este proceso es que mediante el control del ritmo de evaporación, y determinando el tipo correcto de gas y manejando adecuadamente su presión atmosférica, se puede modificar la resistencia a la fractura, la plasticidad, la elasticidad, el color, la transparencia, la resistencia a la corrosión, la reacción química, el comportamiento eléctrico y magnético, y la resistencia térmica y acústica de cualquier material nanoestructurado.

¿Qué tipo de materiales comunes son susceptibles de ser nanoestructurados mediante este proceso? En realidad, todo tipo de sólido conocido puede ser aprovechado para crear estos nuevos materiales. Los cuatro grupos de sólidos presentes en la naturaleza, llamados metales, cerámicas, semiconductores y polímeros, están siendo tratados bajo éste proceso. Debemos recordar que los cuatro tipos de materiales mencionados son los materiales constructivos básicos utilizados en la arquitectura moderna (5).

¿Qué resultados importantes se han obtenido? Existen actualmente metales cuya resistencia es cinco veces mayor a la de sus contrapartes naturales. Se encontraron cerámicas que nunca se fracturan, sólo se deforman. Hay materiales que cambian de color dependiendo del espectro de luz que se aplique a su superficie, volviéndose en algunos casos totalmente transparentes. Se han construido semiconductores 300 veces más eficientes que los utilizados en la electrónica convencional. Existen cerámicas que resisten altas temperaturas y atmósferas sumamente corrosivas. La empresa Nanophase Technologies Corporation fabrica y comercializa una línea de producción que abarca actualmente materiales abrasivos, catalizadores, cosméticos, magnéticos, pigmentos y recubrimientos, componentes electrónicos y Cerámicas Estructurales (6). Este último conjunto de productos permite la fabricación de partes estructurales mediante el proceso de moldeo en malla que, en un futuro inmediato, será usado principalmente por la industria automotriz y aeroespacial en la construcción de estructuras, motores y laminados.

¿Qué influencia pueden tener los materiales nanoestructurados en la arquitectura? El Arquitecto José Villagrán mencionó acertadamente en su momento, que el encontrar un nuevo procedimiento constructivo o descubrir un nuevo material, modificaría definitivamente el concepto formal o funcional de un espacio, e inclusive, dependiendo del hallazgo, de nuestra definición general de arquitectura. En un momento determinado, toda arquitectura concebible se vería influenciada por el descubrimiento de un nuevo y extraordinario material. Como sucedió con la aparición del concreto armado o el plástico, en el Siglo XXI la arquitectura cambiará en función de estos nuevos materiales y podremos pensar entonces en singulares e insólitas soluciones constructivas. En un futuro mediato, podríamos pensar prospectivamente en edificios cinco veces más altos, o bien soportando cargas cinco veces mayores, cuyas secciones estructurales fueran más esbeltas, y que ante un sismo no se fracturaran. Imaginaríamos edificios cuyas paredes y pisos cambiaran de color conforme la luz del sol cambiara de tono. Pensaríamos entonces, en muros divisorios que fueran transparentes en el día, y opacos en la noche. Tendríamos pinturas y recubrimientos resistentes cuyos colores no se degradaran. Pensaríamos en metales transparentes que sustituyeran al inseguro cristal en las ventanas. Pienso que en la medida en que el arquitecto se adentre a la Investigación en Materiales, y en especial, se interese por la Nanotecnología, estaremos concibiendo otra arquitectura.

¿Qué se ha hecho en México? Existen múltiples estudios relacionados con el tema propuesto desarrollados por otros investigadores en todo el mundo y en México, pero existen pocos ejemplos de aplicación directa a la arquitectura. En noviembre de 1995, M. José Yacamán, L. Rendón del Instituto de Física de la UNAM, Mari Carmen Serra Puche del Instituto Nacional de Antropología e Historia, y J. Arenas del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (7), efectuaron un estudio sobre la estructura molecular de la pintura azul maya, usada en Mesoamérica y la Colonia sobre vasijas, murales y artefactos ceremoniales, que es conocida por resistir ácidos minerales, álcalis, solventes oxidantes, agentes reductores, calor moderado y biocorrosión, manteniendo su color vivo durante siglos.

Se sabe que esta pintura difiere de sus contrapartes europeas y asiáticas en que no tiene una base de cobre o de lapislázuli, ya que está conformada de índigo o añil comunes en la América Precolombina. En el estudio efectuado se encontró que la mezcla de poligorskita y el índigo, que debieron ser mezclados químicamente a temperaturas no mayores de 150 º C en el momento de su fabricación, produjeron pequeñas impurezas de óxido de hierro nanoestructurado. Estas impurezas siempre han sido desestimadas en otros análisis por representar menos del 0.5 % de la muestra. Sin embargo, conociéndose actualmente las características singulares ópticas de los materiales nanoestructurados, los investigadores mencionados han descubierto que son estas "impurezas" las que le dan efectiva resistencia y permanencia del color. Adicionalmente descubrieron que la pintura puede ser reproducida fielmente al calentar barro de la región de Sacalum (al este de Río Bec, Campeche) mezclado con añil, obtenido por molienda fina de la planta xiuquilit (indigophera sp.), a 100 º C. A bajo costo y con técnicas rudimentarias, pequeñas dosis de material nanoestructurado permiten pintura resistente a condiciones extremas típicas de los bosques tropicales, y persistente durante 1300 años de antigüedad. En la actualidad, empresas como la Du Pont® exploran nuevas pinturas altamente resistentes con agregados nanoestructurados para ser comercializadas próximamente.

En el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM se están desarrollando varios proyectos de investigación relacionados con el estudio de las propiedades de los materiales mencionados y su futura aplicación industrial. En el Departamento de Materiales Metálicos y Cerámicos, Octavio Álvarez Fregoso está encargado de desarrollar materiales nanoestructurados de distintos estados físicos, entre los que destacan las aleaciones metálicas, metalcerámica y compositos. Su objetivo es encontrar materiales novedosos de alta dureza, anticorrosivos y decorativos. Mientras tanto, José A. Chávez Carvayar, se especializa en estudiar los materiales cerámicos nanoestructurados, analizando sus propiedades, donde su propósito es encontrar nuevas formas de producción distintas a las ya descubiertas. Trabaja directamente con el proceso de condensación desde la fase de vapor (PVS). También el investigador Julio Juárez Islas estudia la síntesis de materiales nanoestructurados, buscando obtenerlos por molienda fina y a baja temperatura para reducir el costo de su producción. Adicionalmente, Juárez Islas supervisa proyectos de desarrollo de nuevos materiales entre estudiantes de la UNAM. En el Departamento de Estado Sólido y Criogenia, Doroteo Mendoza López está estudiando las propiedades del carbono 60 (fullereno), aplicándolo a polímeros y películas donde el fullereno está combinado con otros materiales. Una de las metas de esta investigación es descubrir materiales laminados mejorados con recubrimientos formados por películas altamente resistentes. Por otro lado, Enrique Sansores Cuevas estudia la simulación de nuevos materiales con propiedades especiales para aplicaciones específicas. El modelaje informático incluye el comportamiento teórico directo de los materiales en función de sus propiedades estructurales, magnéticas y eléctricas, así como los procesos de síntesis de los mismos. Estudia el comportamiento de micropartículas y su aplicación en pinturas y nanodispositivos.

¿Qué está investigando Ernesto Ocampo Ruiz? Está tratando de generar una aplicación arquitectónica práctica y eficiente de un material moderno utilizando las técnicas derivadas de la Investigación en Materiales y el Diseño Constructivo Industrial, partiendo del estudio de materiales vanguardistas recientemente descubiertos (incluidos los materiales compuestos, nanoestructurados y biomiméticos).

En la Investigación en Materiales, existen tres etapas básicas o campos de desarrollo: El desarrollo teórico, la obtención o síntesis física y la aplicación industrial. Como ejemplo, analicemos el desarrollo de los fullerenos desde su descubrimiento. En 1985, el escepticismo apareció en la comunidad científica cuando Smalley, Kroto y Curl utilizaron sus conocimientos para deducir la posible existencia de cierta forma estable del Carbono en la naturaleza. Ellos creían, pero no podían demostrarlo, que el Carbono podía agruparse en esferas moleculares. Casi una década después, confirmaron su teoría al descubrir accidentalmente el proceso de obtención de esa molécula. Utilizando un laser para calentar un trozo de grafito común, y mezclando el vapor de Carbono resultante con Helio (PVS), encontraron en los cristales resultantes la esperada molécula. En la actualidad, todos los científicos del mundo pueden obtener grandes cantidades de fullerenos, y están analizando sus propiedades y buscando aplicaciones prácticas para todas las ramas de la industria. Tanto Smalley, Kroto y Curl, dedujeron la existencia del fullereno mediante un desarrollo teórico, y trabajaron largo tiempo buscando la forma de obtenerlos físicamente. Una vez obtenido el nuevo material, los investigadores en el planeta buscan la aplicación industrial. En los fullerenos, las tres etapas básicas o campos de desarrollo están presentes en su descubrimiento.

En la actualidad, para poder construir, la arquitectura generalmente se apoya en una descripción de los materiales existentes idóneos para satisfacer sus necesidades ofrecida por los comerciantes o fabricantes. Los arquitectos han descubierto en los últimos años que las necesidades y requisitos de sus programas arquitectónicos y la sociedad en su conjunto son cada día más complejos, y han tratado de experimentar, mediante el proceso de prueba y error, con nuevos materiales que son producto de la combinación de otros materiales comerciales. Los laminados y páneles para muros divisorios son un ejemplo, algunos son prácticos y durables, otros no. Sin embargo, para abatir los rezagos mencionados y superar los retos del futuro, la arquitectura requiere encontrar nuevos materiales para determinadas necesidades, requiriendo ciertas cualidades específicas. En todo el mundo, los constructores buscan materiales de construcción más ligeros, más resistentes, más versátiles y con mejor acabado aparente. Pero se está llegando a un límite de combinaciones y será difícil encontrar más materiales compuestos si el arquitecto no utiliza los conocimientos de la física y la química para poder alcanzarlos. El arquitecto requiere apoyarse en la visión prospectiva y la Ciencia de la Investigación en Materiales para crear sus propios materiales, con las propiedades que necesita, tal cómo lo han hecho otras disciplinas.

En la arquitectura actual no existen muchos investigadores en materiales que compitan ampliamente con los científicos de otras disciplinas. Es más, generalmente no se atiende la investigación de nuevos materiales y sistemas constructivos como línea de investigación en nuestro posgrado. Inclusive son pocos los ejemplos de investigaciones experimentales en éste. En nuestro posgrado, tradicionalmente se le ha dado más importancia a la investigación teórica y se ha abandonado la investigación aplicada. No debería ser así, dado que los arquitectos estamos ubicados en un momento histórico de la humanidad, con múltiples problemas que merecen toda la atención y participación activa, donde la competencia, la sobrepoblación, la contaminación ambiental, la extinción de las especies, la deforestación, y la generación de desperdicios afectan el desarrollo tecnológico y limitan la asistencia y resolución rápida de las necesidades básicas de confort de la población mundial. Se requieren aplicaciones industriales multi y transdisciplinarias, con procesos controlados y de calidad, que den solución efectiva e inmediata a estos problemas.

Generar una Aplicación Arquitectónica de Materiales Modernos, permitirá acercar a la Arquitectura a la Ciencia de la Investigación en Materiales, generando una nueva línea de investigación tecnológica (8) que el Posgrado de la Facultad de Arquitectura, que se ha distinguido siempre por mantenerse a la vanguardia, requiere para formar investigadores competentes para el Siglo XXI y participar activamente en el desarrollo tecnológico de México.


(1) La Visión Prospectiva plantea métodos de planeación estratégica donde se concibe al futuro deseable y se diseñan los medios para llegar a él. Este enfoque, opuesto a la visión retrospectiva, ha sido el motor fundamental del desarrollo de la ciencia y la tecnología en el presente siglo. Perseguir un sueño o deseo construyendo los pasos necesarios para lograrlo ha llevado al hombre a la Luna, a volar como las aves, y a acabar con las enfermedades, entre otras cosas. Entre los científicos del planeta, la prospectiva es apreciada como una actitud mental. Regresar

(2) Richard E. Smalley y Robert Curl de la Universidad Rice en Houston, y Harold Kroto de la Universidad de Sussex en Inglaterra, obtuvieron el Premio Nobel de Química 1996 por descubrir dos formas, distintas a las ya conocidas (el grafito y el diamante), en las que el carbono puede presentarse en la naturaleza. El Buckminsterfullereno (C60) y el Nanotubo de Carbono son estables en condiciones ambientales. Regresar

(3) Richard W. Siegel, Creating Nanophase Materials, Scientific American, diciembre 1996, pp. 74 - 79. Richard W. Siegel es uno de los pioneros mundiales en la investigación, fabricación e promoción de los Materiales Nanoestructurados. Físico de profesión, posee un Doctorado en Metalurgia que le ha permitido profundizarse en la investigación de nuevos procesos prácticos de fabricación de materiales. En el año de 1985, comenzó sus primeras experimentaciones en el campo de la Nanoestructuración dentro de las instalaciones del Laboratorio Nacional de Argonne, y de acuerdo al éxito obtenido en su trabajo, decidió crear una empresa llamada Nanophase Technologies Corporation para explotar comercialmente sus descubrimientos, la cual es actualmente líder mundial en el campo de la industrialización y comercialización de los materiales nanoestructurados. Regresar

(4) Llamada también como Proceso de Condensación desde la Fase de Vapor o PVS (Physical Vapor Synthesis). Regresar

(5) En la Arquitectura, una cerámica común se combina con un metal para dar paso al Concreto Armado, mientras que el silicón, que es un semiconductor, es utilizado para sellar. Además, todos los plásticos y los materiales biológicos vernáculos son polímeros. Regresar

(6) Todos sus productos tienen el nombre comercial NanoTek®. Por ejemplo, el Óxido de Aluminio nanoestructurado es llamado NanoTek® Aluminium Oxide. Todos están patentados y registrados. Regresar

(7) Yacamán, M. José, et al, Maya Blue Paint: An Ancient Nanostructured Material, Science Magazine, American Association for the Advancement of Science, Volumen 273, número 5272, Nueva York, EE.UU., pp. 223-225, julio 12 de 1996. Regresar

(8) Per se, investigación aplicada. Regresar

D.R. © Ernesto Ocampo Ruiz, 1999 - 2008.