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Tercer Milenio

Aquellos maravillosos inventores

James Dewar, el físico que inventó el termo para estudiar los gases a temperaturas de -200ºC

Armado con su 'frasco Dewar', desarrolló un exhaustivo y sistemático estudio de las propiedades de las distintas sustancias a muy bajas temperaturas.

James Dewar, trabajando en su laboratorio
James Dewar, trabajando en su laboratorio

En 1875, con 33 años y tras haber ocupado diversos puestos académicos y de investigación en su Escocia natal, el físico y químico James Dewar (1842-1923) era elegido para convertirse en el nuevo profesor de Filosofía natural experimental de la Universidad de Cambridge. Y dos años más tarde, también era elegido para el puesto de profesor de química de la Royal Institution, cargos que compatibilizaría durante los siguientes 45 años, hasta su fallecimiento.

Hasta ese momento y a lo largo de su trayectoria previa, Dewar había investigado en diversos y muy variados campos con notable éxito, especialmente en su colaboración con August Kekuké durante sus estancia en la Universidad de Gante y que culminó con el descubrimiento por el químico alemán de la estructura cíclica del benceno así como la de otros compuestos derivados de aquel. Un imponente logro en el marco de la química orgánica para el que la de contribución de Dewar resultó fundamental. Y tras su desembarco en Cambridge se había centrado en la espectroscopía de absorción, en colaboración con el profesor de química George Lievig –una fructífera asociación que reportó 78 artículos entre 1877 y 1904-.

Sin embargo, tras su llegada a la Royal Institution volcó su interés y sus investigaciones en el campo de la criogénica, es decir, el estudio de las propiedades de los gases a muy bajas temperaturas. Al parecer lo que motivó esta decisión fue el hecho de que ese mismo año el francés Luis Caillelet y el suizo Raoul Pictet habían conseguido licuar pequeñas cantidades de oxígeno y nitrógeno. Lo que casi suponía una 'ofensa' para su nueva 'casa', ya que hasta entonces prácticamente toda la investigación desarrollada en la licuefacción gaseosa la había capitalizado Michael Faraday en los laboratorios de la institución, en los que había conseguido licuar todos los gases conocidos excepto los seis denominados permanentes. A saber: oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, óxido nítrico, monóxido de carbono y metano. Pero ahora, los dos químicos franceses habían desafiado aquel monopolio y habían conseguido licuar el oxígeno y el nitrógeno que se le habían resistido a Faraday.

James Dewar se marcó el reto de recuperar la hegemonía en investigación criogénica para la Royal Institution. Un enorme desafío que alcanzó su colofón en 1898 cuando consiguió obtener por primera vez hidrógeno líquido. Un hito formidable si se tiene en cuenta que, cuando Dewar se lo planteó, la temperatura más baja alcanzada rondaba los -200ºC y la temperatura crítica del hidrógeno, a la cual este licua, es de -241ºC. Y un éxito que supuso la culminación a una década de intenso trabajo durante la cual Dewar tuvo que diseñar y fabricar por sí mismo prácticamente todo el equipo necesario para enfriar los gases a esas temperaturas. Él mismo reconoció que no habría podido logralo a no ser porque, en 1855 y a la edad de 10 años, había contraído fiebres reumáticas, lo que le obligó a una larga y tediosa convalecencia de dos años durante los cuales aprendió el arte de tallar violines. Con este aprendizaje, adquirió una perseverancia y una destreza manual para el trabajo de precisión de los que se sirvió toda su carrera y que muchos años después le resultarían fundamentales en investigación criogénica.

Ya como profesor de la Royal Institution, James Dewar fue designado por el Gobierno británico para formar parte del Comité de Explosivos entre 1888 y 1891; una labor durante la cual, él y Frederik Abel inventaron, en 1889, la cordita, un explosivo en forma de pasta y que al deflagar no generaba humo y se obtenía al combinar nitrocelulosa, nitroglicerina y parafina.

Retomando sus investigaciones con sustancias a muy bajas temperaturas, el objetivo de James Dewar iba bastante más allá de la 'simple' licuefacción de gases. Su principal interés era estudiar cómo se comportaban en esas condiciones. Y el proceso que implicaba licuar los gases era, además de muy complejo, muy caro, por lo que, una vez obtenidos, se antojaba fundamental poder conservarlos el mayor tiempo posible en estado líquido para poder determinar sus propiedades. Esta necesidad llevó a Dewar a inventar el frasco homónimo -y así a inventar el termo-. Para ello el escocés se inspiró en un recipiente aislante que 20 años atrás, en 1872, había fabricado en Edimburgo en colaboración con Peter Tait para mantener sustancias calientes. Ahora de lo que se trataba era de crear un frasco con un aislamiento suficiente para mantener los líquidos a esas temperaturas y minimizar la transferencia de calor del medio.

Vaso de vacío de James Dewar en el museo de la Royal Institution
Vaso de vacío de James Dewar en el museo de la Royal Institution
Royal Institution

El recipiente creado por Dewar consistía en un frasco de vidrio de cuello estrecho contenido dentro de otro de mayor diámetro y sellados por los bordes tras haber hecho el vacío en el espacio intermedio. Un diseño que ya en un primer momento mejoró al recubrir el frasco exterior con una película de plata para reducir el intercambio de calor. El denominado 'frasco Dewar' fue presentado en sociedad, en la Royal Institution, el día de Navidad de 1892.

A partir de ese momento, y armado con su frasco Dewar, desarrolló un exhaustivo y sistemático estudio de las propiedades de las distintas sustancias a muy bajas temperaturas: las propiedades y el comportamiento de las sustancias gaseosas a temperatura ambiente; la reactividad química en esas condiciones extremas; el efecto sobre la fosforescencia, el color y las emanaciones radiactivas; y en colaboración con el ingeniero eléctrico John Fleming, cómo afectaban a las propiedades eléctricas y magnéticas de los metales y aleaciones. 

A partir de 1904 extendería sus estudios a la calorimetría a bajas temperaturas, para lo cual diseño un calorímetro que le permitiese medir el calor latente y específico de las sustancias en esas condiciones.

Dewar nunca llegó a patentar su frasco. La patente obtenida en 1892 por el físico se limitaba a la idea de eliminar el aire para crear una cámara de vacío intermedia y no al recipiente en sí. Eso permitió que los sopladores de vidrio alemanes a los que había recurrido para fabricarlo solicitasen en 1903 su propia patente para un “frasco de vacío para mantener líquidos calientes o fríos”, que les fue concedida en 1904. Ese mismo año fundaban la compañía Thermos GmbH para la fabricación de sus novedosos 'termos'.

Entre tanto, Dewar había continuado con sus investigaciones criogénicas, en el marco de las cuales, en 1905, descubrió que al enfriar carbón finamente dividido hasta -185ºC,  este aumentaba en gran medida su capacidad para adsorber gases. De este modo, se dio cuenta de que, al disponer una pequeña cantidad de carbón en el espacio intermedio entre ambos frascos, hacer el vacío y llenar luego el recipiente interior con aire líquido, el carbón se enfriaba lo suficiente para adsorber todo el gas que quedaba en la cámara aislante, consiguiendo crear un vacío 'cuasi-perfecto'. Ello le permitió reemplazar los frascos de vidrio por otros metálicos, algo que hasta entonces no podía ya que los metales contienen una pequeña cantidad de gas ocluido que podía liberarse en el espacio intermedio. Ahora, con la adición de carbón que lo adsorbía, esta limitación desaparecía y ya podía fabricar frascos Dewar metálicos, más resistentes, fáciles de producir y que podían tener mayor tamaño y capacidad.

Para entonces tal vez el mayor reto que quedaba en criogénica era conseguir licuar el recientemente descubierto gas helio. Y nuevamente Dewar se propuso ser el primero en alcanzarlo. Sin embargo, falló al intentar obtenerlo obtener a partir de las burbujas de gas que emitían las fuentes termales de Bath y donde Lord Rayleigh había identificado la presencia de helio. Las burbujas contenían asimismo trazas de neón que durante el proceso de enfriamiento solidificaba en el interior de los tubos y válvulas de los aparatos empelados, bloqueándolos. Eso permitió que, en 1908, el físico holandés Heike Onnes se adelantase y consiguiese licuar el líquido a partir del mineral monacita. Irónicamente, lo hizo empleando los métodos y aparatos inventados por Dewar.

Miguel Barral Técnico del Muncyt

Esta sección se realiza en colaboración con el Museo Nacional de Ciencia y Tecnología

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