La naturaleza de la materia: Comprender el mundo físico

A partir de una baraja de cartas lanzada al aire, exploren los conceptos clave de materia, energía y entropía, componentes básicos del universo físico. Estudien ejemplos de estos fenómenos y observen cómo se manifiestan en el comportamiento de las cartas lanzadas al aire.

Sigan el rastro de una revolución científica que comenzó con una curiosa observación sobre la luz y una explicación aparentemente disparatada. Descubran cómo la propuesta de Max Planck de que la energía está relacionada con la frecuencia y la aplicación de este principio a la luz por Albert Einstein dieron origen a la física moderna.

Descubran cómo la idea de que la luz viene en paquetes discretos llamados "cuantos" condujo a una nueva y sorprendente teoría de la materia: la mecánica cuántica. Una de las predicciones es que la materia, como la luz, se comporta a la vez como partícula y como onda, una propiedad observada en partículas subatómicas como los electrones.

Comprendan la estructura atómica y molecular con ayuda de una sencilla analogía: las habitaciones de una casa y el conjunto de casas de una ciudad. Vean cómo los electrones de un átomo ocupan capas, subcapas y orbitales, que confieren a los átomos y moléculas sus propiedades distintivas.

¿De dónde vienen los átomos? Sigan la historia de la nucleosíntesis, la formación de núcleos complejos y átomos. Recorran este proceso desde el Big Bang, que llenó el universo de hidrógeno y helio, hasta los sucesos ocurridos en el interior de las estrellas que produjeron prácticamente todos los elementos más pesados.

Investiguen una herramienta científica asombrosamente poderosa: la tabla periódica de los elementos. Profundicen en las ideas que llevaron al químico ruso Dmitri Mendeléyev a construir la primera versión moderna de la tabla en la década de 1860 y exploren el mundo de información que contiene.

Embárcanse en una aventura atómica que explica las diferencias entre vitaminas y minerales, entre otras maravillas del reino químico. Utilicen lo que has aprendido sobre la estructura de la corteza electrónica para entender por qué los átomos forman enlaces iónicos y covalentes.

Estudien las asombrosas propiedades del átomo de carbono, que puede unirse a otros átomos de carbono para formar el mineral más duro conocido (el diamante) y también uno de los más blandos (el grafito). Todo depende de la geometría de los enlaces. Descubran otros tipos de carbono puro: fullerenos, nanotubos y grafeno.

Analicen una de las sustancias más extrañas de todas: el agua. Aunque pensamos que el agua es normal, sus propiedades de ebullición, congelación, disolución y almacenamiento de calor son bastante extraordinarias en comparación con otras moléculas. Descubran por qué es así y qué tienen que ver los atributos del agua con la existencia de la vida.

Exploren la naturaleza de las soluciones químicas, que pueden ser líquidas, sólidas o gaseosas y son omnipresentes en la vida cotidiana. Algunos ejemplos son los empastes dentales, el aire, la sangre y los refrescos. Estudien los componentes de una solución: el disolvente y el soluto, y los principios de qué disuelve qué.

Sondeen las fuerzas que permiten a las lagartijas subir por las paredes: la adhesión y la cohesión, que son formas que tienen los materiales de interactuar consigo mismos y con otros materiales. Al examinar a fondo estas fuerzas, aprendan cómo funcionan los adhesivos y por qué el algodón es la mejor toalla.

Una superficie es una discontinuidad, o interfaz, entre una fase de la materia y otra. Concéntrense en este límite crucial, que afecta a todo, desde la reentrada de una nave espacial en la atmósfera hasta el lavado eficaz de la ropa. Exploren fenómenos superficiales como las películas, la tensión superficial y los catalizadores.

Adéntrense en la riqueza de la química orgánica, el estudio de los compuestos de carbono relacionados con los seres vivos. Aprendan la terminología básica y estudien los compuestos orgánicos más comunes, como alcanos, alcoholes, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos orgánicos y ésteres.

Hoy en día, la medicina puede sustituir muchas partes del cuerpo humano gracias a un mejor conocimiento de los materiales y su bioquímica. Sigan el progreso de los implantes corporales desde los empastes dentales y los implantes de dientes hasta las caderas, rodillas, corazones, arterias e implantes mamarios artificiales.

Exploren la química de los alimentos y las bebidas desde el punto de vista del cocinero y del consumidor. ¿Cuáles son las sustancias químicas de un huevo, una tostada, una loncha de beicon y otros alimentos típicos? ¿Cómo los transforma la cocción y cómo los utiliza nuestro organismo?

Estudien las distintas formas en que se libera la energía química almacenada en sustancias como la gasolina, el carbón, el gas natural, la nitroglicerina y el TNT. Aprendan la diferencia entre la detonación, que es lo que hacen los explosivos de gran potencia, y la deflagración, que le ocurre al combustible en un motor de combustión interna.

Analicen la mezcla de gases del aire, desde los más abundantes -nitrógeno y oxígeno- hasta componentes menores como el argón y el dióxido de carbono. Exploren el fenómeno de la presión atmosférica y cómo afecta a la vida humana. Tracen también el preocupante aumento de la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera.

El auge de la civilización fue de la mano de los avances en el conocimiento de los materiales. Descubran cómo la Edad de Piedra dio paso a la Edad de Bronce y después a la Edad de Hierro, a medida que los pueblos antiguos aprendían a fundir el mineral y a manipular las propiedades de los metales y las aleaciones.

El misterio de una pelota de goma que rebota los lanza al estudio de los polímeros: moléculas largas con muchas subunidades que se repiten. Exploren su inmensa variedad, desde "poli" sintéticos como el polietileno y el poliéster hasta moléculas orgánicas como las proteínas, los carbohidratos y el ADN.

Investiguen la facilidad de reciclar algunos materiales, como el aluminio y el asfalto, y la inviabilidad de reutilizar otros, como ciertos plásticos. Observen los distintos tipos de plástico, metal, papel y vidrio, y descubran qué pueden tirar al contenedor de reciclaje y por qué.

En condiciones especiales, algunos materiales pierden toda resistencia al flujo de electrones, convirtiéndose en superconductores que transmiten electricidad con una eficiencia del 100 por cien. Exploren este fenómeno a nivel atómico y descubran cómo los científicos están descubriendo nuevos materiales superconductores más prácticos.

¿Cómo un minúsculo trozo de silicio impuro lanza una revolución electrónica? Sigan el desarrollo de los semiconductores desde la invención del transistor en la década de 1940 hasta los circuitos cada vez más pequeños que ahora se miden en nanómetros. Por el camino, descubran cómo se fabrican los complejos microchips actuales.

Cuando diferentes materiales se combinan para crear algo muy distinto de sus componentes individuales, se obtiene un compuesto. Descubran por qué los materiales compuestos tienen propiedades superiores. Exploren una amplia gama de ejemplos, como el hormigón, la fibra de carbono, la fibra de vidrio, el kevlar, los neumáticos de automóvil, los nanotubos de carbono y el aerogel.

Concluyan su estudio de la naturaleza de la materia con una mirada al futuro, a los ambiciosos objetivos de los materiales, y repasen ejemplos de ciencia ficción del pasado que ahora son hechos científicos. Logros como la llegada a la Luna e Internet sugieren que las tecnologías a nanoescala, la cura del cáncer y otros sueños pueden hacerse realidad algún día.