El Plasma: El cuarto estado de la materia que ilumina el Universo

En el colegio te enseñaron que la materia puede encontrarse en tres estados diferentes, y seguro que recuerdas cuáles son, el estado sólido, el líquido y el gaseoso. Sin embargo, esto no es una realidad, o es una realidad a medias ya que no toda la materia se encuentra en esos 3 estados. De hecho, existe un cuarto estado que es olvidado muy a menudo por los profanos en la materia, el plasma (también existe un quinto estado pero ese lo dejaremos para otro artículo). A continuación, analizaremos las diferentes características de este cuarto estado que pasa muy desapercibido ante nuestros ojos, pero que está muy presente en nuestro día a día. Veámoslo.

¿Qué es lo primero que ves cuando te levantas? Aunque las respuestas pueden ser tantas como habitantes tiene la Tierra, lo cierto es que la pregunta esconde una trampa. Al menos que seas ciego, lo primero que ves cuando abres tus ojos es luz. Ya sea la luz emitida por tu teléfono cuya alarma tratas de apagar a duras penas al levantarte, o la luz reflejada por los muebles de tu habitación, lo primero y último que ves cada día es luz. Aunque la luz no se encuentre en un estado de plasma, ya que no es materia, la mayoría de fuentes de luz como el relámpago, la aurora boreal, la llama de una hoguera o el propio Sol, todos ellas están descritas con un mismo nombre. Ese nombre es plasma. El plasma es el cuarto estado de la materia, otro nivel de organización más. La distinción entre los diferentes estados de la materia viene dado por el efecto decreciente de las fuerzas de interacción entre los átomos, según aumenta la energía interna del sistema. En el estado sólido, la atracción de los átomos es tan fuerte que apenas se desplazan de sus sitios, por ello los cuerpos sólidos mantienen su forma. Sin embargo, todos conocemos los efectos que provoca un aumento de temperatura en la materia. Por ejemplo, el agua hierve y se convierte en vapor cuando la calentamos en una cacerola. Al proporcionar calor (energía) debilitamos los efectos de atracción entre las moléculas de agua, lo que permite el paso del estado líquido al estado gaseoso. Si continuamos suministrando energía a esas moléculas de vapor de agua, llegará un momento en el que la energía sea tal, que podremos arrancar los electrones de sus átomos. De esta forma, tendremos un mezcla de los componentes originales del gas (eléctricamente neutros) junto una cantidad variable de iones (átomos cargados positiva o negativamente) y electrones (negativos). Pero, ¿la existencia de estas cargas eléctricas cambiará tanto sus características como para considerarlo un nuevo estado de la materia? La respuesta es por supuesto que sí.

Estados de la materia en función de su energía interna (Fuente: Areaciencias)

En un gas compuesto por partículas eléctricamente neutras, los átomos individuales cambian de dirección sólo como consecuencia del impacto directo con otros átomos, y si se encuentra en un recipiente, con el impacto con las paredes de ese recipiente. En el plasma, que tiene partículas cargadas, estas generan a su alrededor un campo eléctrico, ante el que reaccionan otras partículas cargadas. Esta fuerza eléctrica descrita por Coulomb, puede ser atractiva (cargas de signo opuesto) o repulsiva (cargas del mismo signo). Por lo tanto, las partículas cargadas de este gas que llamamos plasma, se mueven de acuerdo a la acción que generan las demás partículas cargadas sobre ellas. Además, este movimiento de cargas genera campos magnéticos, aumentando las posibles interacciones de los átomos o moléculas del plasma y manifestándose, entre otros fenómenos, mediante la emisión de luz. Aunque el plasma sea una estado de la materia regido por leyes físicas sencillas, las ingentes cantidades de partículas en movimiento y sus interacciones desencadenan comportamientos complejos que no son fáciles de desvelar. Una de las razones de la complejidad de comprender el plasma radica en que no representa nuestro entorno natural; al fin y al cabo, salvo en las capas superiores de nuestra atmósfera, solo se manifiesta en situaciones muy concretas y de corta duración. De hecho, como ya he mencionado, una forma de alcanzar el plasma es aumentando la temperatura de la materia, pero alcanzar las altísimas temperaturas que se necesitan para arrancar los electrones de sus átomos es un proceso cuanto menos complicado.

Para comprender de una forma óptima el plasma, es necesario que hagamos un repaso por la historia de su investigación, una historia que debe comenzar por los grandes hitos que nos permitieron entender la naturaleza de la electricidad y la estructura interna del átomo. Aunque las aplicaciones de la electricidad y del magnetismo sean algo relativamente moderno, los fenómenos eléctricos y magnéticos han llamado la atención de los estudiosos desde tiempos inmemoriales. De hecho, ya en el siglo VI antes de nuestra era, Tales de Mileto comentó la curiosa propiedad de que, al frotar un trozo de ámbar, éste adquiría la capacidad de atraer pequeños objetos. Mucho después, el reputado científico y uno de los Padres Fundadores de Estados Unidos, Benjamin Franklin (1706-1790), al observar los diferentes fenómenos de la electricidad, renombró dos tipos de comportamientos eléctricos (vítreo y resinoso), como dos manifestaciones del mismo fenómeno: positivo y negativo, notación que seguimos empleando a día de hoy. Franklin, en 1750, propuso el peligroso experimento de la “garita del centinela” con el objetivo de probar que era posible extraer electricidad del rayo. Este experimento que, aunque ideado por Franklin no fue el primero en llevarlo a cabo, consistía en la erección de un barrote de hierro de unos 9 metros sujeto a una garita construida en lo alto de un edificio. El centinela, situado sobre un escalón aislante, debía tocar el barrote de hierro con un aro metálico justo en el momento de la caída de un rayo, consiguiendo la extracción de chispas eléctricas. De esta forma, Benjamin Franklin colocó el estudio de la electricidad al mismo nivel de importancia que otras grandes áreas de investigación de la época, y de paso inventó el pararrayos.

Avanzando un poco más en el tiempo y adentrándonos en los albores del siglo XIX, la electricidad y el magnetismo parecían fenómenos independientes, hasta la llegada de los grandes físicos del siglo XIX, los 4 fantásticos de la electricidad: H. C. Oersted, A. M. Ampère, M. Faraday y J. C. Maxwell. De forma paralela, J. J. Thompson realizó el espectacular descubrimiento del electrón, lo que abriría el camino de la teoría atómica y la teoría moderna de la electricidad. Los experimentos precursores de los plasmas fueron aquellos relacionados con descargas eléctricas en gases enrarecidos realizados por Faraday, pero antes que él, ya se había descubierto la descarga de arco. Éste es un tipo de descarga eléctrica que se producía al poner en contacto dos trozos de carbón conectados a los polos de una pila y separados por una distancia reducida. Lo que ocurría (y sigue ocurriendo) es que se generaba una descarga eléctrica de gran luminosidad, que formaba un arco de luz entre los dos electrodos y cuyo color dependía del tipo de gas en el que se producía la descarga. Este arco eléctrico era tan caliente que hasta podía fundir metales. Faraday observó que al reducir la presión del gas, el arco eléctrico desaparecía y en su lugar aparecía una luz difusa que ocupaba todo el volumen entre ambos electrodos. Faraday había observado el plasma. Sin embargo, Faraday sucumbió al limitado desarrollo tecnológico de su época, pero gracias al trabajo de otros científicos y artesanos extraordinarios, estos baches tecnológicos fueron superados, permitiendo descubrir los rayos catódicos que, a su vez, permitieron a Thompson descubrir la existencia del electrón dentro del átomo. Esto fue algo inaudito para la época ya que se consideraba al átomo (que tampoco se sabía muy bien lo que era) como la unidad mínima de la materia. Sin embargo, aunque Faraday y Thompson habían observado el plasma en sus tubos catódicos, no fue hasta 1967 cuando el polifacético físico Irving Langmuir acuñó el término. Pero… ¿Esto sirve para algo? Para responder esta pregunta Faraday empleó una respuesta lapidaria ya empleada años antes por Benjamin Franklin: “¿Para qué sirve un recién nacido?”

El plasma hoy en día desempeña un papel esencial tanto a nivel de investigación básica como de aplicaciones. El interés moderno por el estado de plasma se sustenta sobre 3 pilares. En primer lugar, encontramos los plasmas astrofísicos, que surgen del afán por ampliar nuestros conocimientos acerca del universo. El segundo está representado por una auténtica miríada de procesos industriales de diversos tipos, legado y evolución de las descargas eléctricas. El tercero tiene sus raíces hundidas en las propias estrellas y en algunos de los episodios más escalofriantes de la historia del siglo XX; se trata de los plasmas de fusión, que una vez domesticados podrán muy bien ser la solución al problema energético de las futuras generaciones. Para entender por qué el plasma es tan polifacético y rebosa tantas posibilidades, enumeremos algunas de sus propiedades.

Como ya he mencionado, en un gas sin ionizar (sin moléculas o átomos cargados) los átomos o moléculas sólo interaccionan entre sí mediante choques individuales al azar. Entre ellos no existe otra fuerza que la gravitatoria, que debido a la reducida masa de estos objetos es tan débil que es apenas perceptible. Estas colisiones son elásticas lo que origina que estas partículas ni se rompan, ni se deformen, ni se peguen entre sí. En un plasma, por el contrario, existen multitud de partículas con carga (iones y electrones) que modifican profundamente el comportamiento de este “gas”. Estoy hablando de las fuerzas eléctricas mencionadas previamente que son mucho más intensas que las fuerzas gravitatorias. Además, las cargas al moverse originan intensos campos magnéticos que, a su vez, interactúan con las demás cargas. Este efecto combinado de diferentes fuerzas se manifiesta en el movimiento de las partículas del “gas”. Mientras que las partículas neutras (sin carga) se desplazan siguiendo trayectorias rectilíneas entre choque y choque, las partículas cargadas seguirán un recorrido gobernado no sólo por los choques, sino por las fuerzas eléctricas y magnéticas bajo cuya influencia se encuentran. Aunque en ocasiones nos interese analizar los procesos microscópicos de partículas individuales, en otras ocasiones nos interesará estudiar el plasma como si fuera un fluido, ya que las fuerzas electromagnéticas le llevan a comportarse de un modo colectivo. La ciencia que estudia los fluidos conductores de electricidad como el plasma recibe el nombre de magnetohidrodinámica, y le valió el Premio Nobel en Física de 1970 al científico sueco Hannes Alfvén.

Partículas presentes en un gas y en un plasma (Fuente: Gaia ciencia)

Siguiendo con la comparación entre gas y plasma, podemos encontrar que los gases son buenos aislantes eléctricos, mientras que los plasmas son conductores; además, los gases no emiten luz y los plasmas sí, ¿dónde está la frontera que separa los dos comportamientos? Pues ya lo hemos mencionado repetidamente, el plasma es un gas ionizado, aunque no tiene porque estar ionizado en su totalidad, con una proporción de partículas cargadas de 1 frente a 100.0000 partículas neutras, puede ser suficiente para que este gas muestre el comportamiento colectivo típico del plasma. Aún así, un puñado de cargas no convierte a un gas en plasma. Por ejemplo, el aire a nivel del mar contiene unos mil millones de pares de iones-electrones libres por metro cúbico, originados por la radiactividad natural del terreno y los rayos cósmicos que atraviesan la atmósfera e ionizan las moléculas del aire. Aunque esta cantidad de cargas parezca inmensa, al compararla con la cantidad de partículas de 1 metro cúbico de aire (unos diez cuatrillones) resulta una cifra irrisoria que se aleja mucho de esa proporción 1-100.000 que hemos mencionado, por lo que no podremos hablar de un plasma.

Cuando decimos que un gas se encuentra a una temperatura determinada, nos referimos en realidad a un sistema en “equilibrio térmico”, donde las partículas, a base de intercambiar su energía cinética (energía asociada al movimiento) mediante colisiones, alcanzan en su conjunto una distribución estadística de energías y velocidades. O dicho de una forma más simple, la temperatura de un gas es una forma de expresar cuán rápido se mueven las moléculas que lo componen. En el plasma, la temperatura sigue la misma definición, pero con una particularidad añadida: en ocasiones es necesario hablar de la coexistencia de 2 temperaturas diferentes, una para los electrones y otra para el resto de partículas más pesadas, tanto los iones como las partículas neutras. Este concepto resulta más sencillo de entender si nos imaginamos una habitación llena de pelotas de baloncesto (partículas) y de pelotas de ping pong (electrones) siempre en movimiento y rebotando sin cesar entre ellas y con las paredes de la habitación. Mientras las pelotas de baloncesto se mueven lentamente, las de ping pong se desplazan a una gran velocidad, formando una especie de nube de movimiento entre las otras. Por esta mayor velocidad de los electrones (pelotas de ping pong) decimos que tienen una mayor temperatura que el resto del plasma. Pero, ¿por qué se mueven a velocidades distintas? La respuesta es muy sencilla, aunque los electrones tengan la misma carga que los iones formados al arrancar estos electrones de los átomos, su masa es 1.700 veces menor que la de un protón (si es que hablamos de un átomo de hidrógeno con un solo protón, si hablamos de otros elemento la diferencia será mayor). Como la fuerza eléctrica actúa únicamente en función de la carga de las partículas, la fuerza aplicada sobre los electrones y sobre los iones será la misma (ley de Coulomb), pero con la menor masa de los primeros, estos experimentarán una aceleración mucho mayor (recuerda la segunda ley de Newton que viste en el instituto F = m*a). Es como dar el mismo empujón a una bola de baloncesto y a una de ping pong, ¿cuál irá más rápido? Exactamente, la bola de ping pong, es decir, el electrón. Además, cuando los electrones realicen choques elásticos con los iones, al tener menos masa la energía cedida por los primeros a los segundos será despreciable, por lo que será muy difícil el equilibrio térmico requerido para que el plasma presente una sola temperatura. Imagina la pelota de ping pong chocando contra la de baloncesto, la de ping pong saldrá rebotada, pero la de baloncesto no se moverá del sitio.

Esta idea de la coexistencia de 2 temperaturas dentro del plasma nos permite definir un primer criterio de clasificación para los plasmas, atendiendo a su temperatura. En primer lugar tendríamos los plasmas térmicos, que poseen un mayor grado de ionización (más electrones e iones) y se producen a mayor presión, aumentando el número de impactos entre las partículas y haciendo que ambas temperaturas se igualen. Por otro lado, tenemos los plasmas fríos, que están poco ionizados y se forman a menores presiones. En este caso, los electrones tendrán una mayor temperatura que las partículas pesadas como hemos descrito en el anterior párrafo, alcanzando la situación de desequilibrio térmico. En esta situación, el término frío es un poco engañoso, ya que aunque las partículas pesadas puedan encontrarse a temperatura ambiente, los electrones pueden poseer temperaturas de 5.000 a 10.000 ºC. Pese a esta elevadísima temperatura, como la mayoría del plasma, hablando en términos de masa, se encuentra a temperatura ambiente, podríamos tocar los plasmas fríos con las manos desnudas sin sufrir quemaduras. Entonces, ¿para qué sirve un plasma frío si la gran energía que transportan sus electrones no puede emplearse? Aquí radica la belleza de estos plasmas: la energía de los electrones es tremendamente útil. Aunque los electrones no puedan transmitir su energía a las partículas pesadas a través de los choques elásticos, pueden transferir su energía en otro tipo de procesos: procesos de ionización, de activación o de disociación de moléculas. Estos procesos se pueden emplear para esterilizar superficies o material médico, para el encendido de lámparas fluorescentes, para la mejora en la fabricación de adhesivos, para tratamientos dermatológicos o para la purificación del aire y del agua entre otras muchas aplicaciones. A parte de los mencionados tipos de plasma que se producen, en general, en el entorno de una descarga eléctrica, también podemos encontrar los plasmas calientes, que se encuentran a temperaturas aún mayores y en los que la energías que presentan sus partículas, provienen de procesos mucho más espectaculares como pueden ser las reacciones nucleares de fusión en el interior de las estrellas.

Aunque para hablar de la temperatura de los plasmas solo hemos mencionado los choques elásticos entre partículas, en los plasmas también se dan otro tipo de choques, los choques inelásticos. Mediante estos choques, los electrones son capaces de ceder su energía al resto de partículas del plasma, dando lugar a fenómenos como la ionización, la emisión de luz o la altísima reactividad química que muestran estos plasmas. Si un electrón choca con la suficiente energía contra una partícula neutra, la ioniza, generando un nuevo ion positivo y otro electrón libre. Cada átomo o molécula tiene una energía mínima de ionización, por lo que si el electrón muestra una energía superior, entonces el átomo se ionizará. Los nuevos electrones libres, acelerados por los campos eléctricos generados entre los electrodos, también podrán ionizar otros átomos desencadenando una reacción en cadena. De esta forma se alcanza un estado estacionario cuando los electrones que se pierden en los electrodos se compensan con las nuevas cargas producidas en el plasma. De esta forma, se establece una corriente eléctrica que se mantiene en el plasma, y lo convierte en conductor. Sin embargo, en el momento en el que se deje de aplicar una diferencia de voltaje entre los electrodos donde se sitúa el gas que se convierte en plasma, las cargas positivas (iones) y las negativas (electrones) se recombinan para generar partículas neutras (átomos sin carga) volviendo a convertirse en un gas no conductor. Lo mismo ocurre con los plasmas creados con el aporte de otras energías, como la energía química del combustible en una llama o la energía nuclear que produce el sol; cuando cesa el aporte de energía, el plasma desaparece.

Diferentes tipos de plasma en función de su temperatura y densidad electrónica (Fuente: Gaia Ciencia)

Otro fenómeno desencadenado por el impacto de los electrones se basa en que los átomos y moléculas del plasma se excitan a niveles energéticos superiores. Para comprenderlo de forma sencilla veamos un par de conceptos. Los electrones de un átomo se encuentran en diferentes niveles energéticos conocidos como orbitales (esto también los viste en el instituto) y ningún electrón puede encontrarse con una energía distinta a la de estos niveles. Por lo general, los electrones tienden a ocupar los orbitales más internos, que son los de menor energía, pero cuando un electrón libre choca contra un átomo, podrá ceder la cantidad de energía necesaria para que los electrone salten a un nivel energético (orbital) superior. Por supuesto, esta energía cedida debe ser inferior a la energía de ionización, sino el electrón sería arrancado del átomo. Esto es lo que se conoce como excitación. Los electrones tienden a recuperar su situación de mínima energía, por lo que de forma espontánea, el electrón volverá a su orbital inicial, emitiendo energía en forma de fotones, es decir, luz. La emisión de luz por parte de los plasmas es precisamente una de sus propiedades más atractivas. Como cada átomo y molécula emiten diferentes colores en función de su estructura, el estudio de esta luz es un método de análisis químico muy empleado por la ciencia conocida como espectroscopia. ¿Cómo crees que conocemos la composición de la atmósfera de otros planetas a los que nunca hemos llevado una sonda? Pues analizando su luz.

Junto a la ionización y a la emisión de luz, el otro fenómeno característico de los choques inelásticos de los electrones del plasma es el de su alta reactividad química. De hecho, si quisiéramos reproducir varias reacciones químicas convencionales que ocurren en los plasmas, necesitaríamos hornos a temperaturas de varios miles de grados, durante un periodo prolongado de tiempo. Hablamos de la disociación molecular, es decir, la fragmentación de las moléculas. Esto puede ocurrir de varias formas, como por ejemplo, a través de la radiación UV producida por el plasma, o por el impacto de electrones con la energía suficiente como para romper los enlaces químicos de una molécula. Por ejemplo, cuando un electrón con la suficiente energía colisiona con una molécula de agua (H20), esta generará dos radicales libres OH- y H+. Estos radicales libres son extremadamente reactivos químicamente, ya que tienden a agruparse para formar compuestos más estables, que no tienen porque coincidir con los compuestos originales. En el caso del agua podría formarse hidrógeno molecular (H2) o agua oxigenada (H2O2). Puede que esto te parezca una curiosidad, pero mediante la disociación del nitrógeno (N2) y el oxígeno (O2) que son los principales gases del aire que respiras, se podría formar un nuevo compuesto como el óxido nítrico (NO) que es tóxico.

Los plasmas son, sin duda, muy polifacéticos. En sus distintas formas, comprenden la casi totalidad de la materia conocida del universo. En su seno conviven una gran variedad de especies: moléculas del gas original, iones, radicales, especies de todos los tipos anteriores excitadas, electrones… Todas ellas interaccionando entre sí a través de una gran cantidad de procesos diferentes. Se pueden crear a raíz de una discreta descarga eléctrica, en la reacción de combustión de una llama o en las reacciones nucleares de fusión de las estrellas. Adentrarnos en el estudio de los plasmas constituye toda una aventura y todo un reto, y espero que este artículo haya valido como un primer paso para introducirte en el misterioso mundo del desconocido cuarto estado de la materia.

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