Katharine Burr Blodgett (1898-1979)

Científica estadounidense, inventora del cristal no reflectante. Nació en Schenectady (Nueva York). Su padre era George R. Blodgett (1862-1897), un prestigioso abogado que dirigía el departamento de patentes de la General Electrics Company (en adelante GE) y que falleció un mes antes de nacer su hija, asesinado por los disparos de un ladrón que había entrado a robar en su domicilio. Aunque la compañía ofreció una recompensa de 50 000 dólares para el arresto del culpable, nunca llegó a saberse su verdadera identidad, dado que el único detenido y sospechoso se suicidó ahorcándose en la celda.

En reconocimiento a los servicios prestados por George Blodgett, GE se hizo cargo de la estabilidad financiera de su familia, que se trasladó a Nueva York al poco de nacer Katharine y, más tarde (1901), se desplazaba a Francia, donde la niña adquirió un dominio fluido del idioma francés. En 1912, los Blodgett regresaron a la Gran Manzana. Allí, Katherine se matriculó en la Escuela Rayson, una institución privada en la que recibió la misma educación que los chicos varones de su edad, algo inusual en aquella época. Blodgett sobresalió en física, química y matemáticas, singularmente por la manera creativa con la que resolvía problemas complejos.

Irving Langmuir en el laboratorio de Schenectady (1934).

En 1913, con solo quince años de edad, ganó una beca para la Universidad Bryn Mawr (Pensilvania), un centro privado femenino donde se graduó en Física (1917) y destacó, una vez más, por su destreza científica. En su último año en Bryn Mawr, Blodgett ya había decidido convertirse en investigadora, por lo que visitó los laboratorios que la antigua empresa de su padre tenía en Schenectady, con la esperanza de ser contratada algún día. Allí le presentaron al químico y físico Irving Langmuir (1881-1957) para que estudiase la posibilidad de que la joven accediera a un puesto en los laboratorios cuando terminara su formación. Langmuir, que había trabajado con el padre de Katharine, reconoció en ella un gran talento y le aconsejó ampliar estudios, garantizándole el puesto si así lo hacía.

Siguiendo las recomendaciones de Langmuir, Blodgett se matriculó en la Universidad de Chicago (1917). Obtuvo allí la licenciatura en Química (1918) con un trabajo sobre las capacidades adsorbentes del carbón, publicado en 1919 por Physical Review junto al químico Harvey B. Lemon (1885-1965). Esta investigación resultaba estar muy al hilo del momento histórico (dado el uso masivo de gases venenosos durante la Iª Guerra Mundial) y en ella se determinó que casi todos los gases tóxicos pueden ser adsorbidos por moléculas de carbono, un conocimiento que salvaría muchas vidas posteriormente.

A la edad de 20 años, Blodgett se convertía en la primera mujer en trabajar en un laboratorio de GE. La coyuntura le resultaba favorable, dada la escasez de investigadores masculinos a causa de la guerra. Pero su carrera como investigadora fue una excepción en un mundo como el de la ciencia que daba escasísimas oportunidades a las mujeres a causa de los costes que se incurrían al invertir en ellas, ya que podían casarse y tener hijos, lo que, por otra parte, nunca le sucedió a Blodgett.

Blodgett entró como ayudante de Langmuir, cuyas investigaciones en la compañía (en la que estaba desde 1909) habían girado en torno a los gases y filamentos de las bombillas eléctricas, el comportamiento de los electrones en los tubos de rayos X y la cinética de las reacciones gaseosas. Científico decisivo para el avance de la electrónica, Langmuir había inventado y patentado en 1913 la bombilla incandescente rellena de gas, tras descubrir junto a su colaborador Lewis Tonk (1897-1971) que la vida de los filamentos de wolframio (o tungsteno) aumentaba considerablemente si las lámparas contenían un gas inerte (como el nitrógeno o el argón) en lugar del vacío (como venía siendo lo habitual), algo que cambiaría radicalmente la historia de la iluminación eléctrica.

Asimismo, en 1913, Langmuir desarrolló el “pilotrón” (patentado al año siguiente), uno de los primeros triodos o válvulas electrónicas. En 1916, perfeccionó la bomba difusora de mercurio, inventada tres años antes por el físico alemán Wolfgang Gaede (1878-1945), permitiendo con ello que GE pudiera producir válvulas electrónicas masivamente con destino a aplicaciones militares durante la Gran Guerra. Aquel mismo año, Langmuir estableció la ecuación que lleva su nombre, por la cual se relaciona la adsorción (esto es, la capacidad de un cuerpo sólido de retener o atraer en su superficie moléculas o iones de otro cuerpo) con la presión de un gas o la concentración de un medio que se encuentre encima de la superficie sólida a una temperatura constante. En 1918, Langmuir ya había obtenido dos prestigiosos galardones: la Medalla Nichols de la Sociedad Americana de Química (1915), por su estudio de las reacciones de la materia a bajas presiones, y la Medalla Hughes de la Real Sociedad de Londres (1918), por su contribución al conocimiento de la física molecular. Además, para entonces, su nombre aparecía consignado como inventor en 45 patentes de GE (1910-1918).

En 1917, Langmuir publicó un artículo sobre la química de las películas de aceite que a la postre sería el responsable de que le concedieran el Premio Nobel de Química en 1932. Su interés por la química de superficies se había iniciado durante sus experimentos con bombillas incandescentes con gas de hidrógeno enrarecido. Langmuir había descubierto que una capa de átomos de hidrógeno de un átomo de espesor se formaba en el interior de las lámparas, dándose cuenta de que las reacciones químicas suceden con mayor facilidad cerca de superficies donde entran en contacto sustancias en diferentes fases, como sólidos y líquidos. En dicho artículo, Langmuir postuló una teoría en la que las superficies se asemejan a un tablero de ajedrez donde cada cuadrado puede estar ocupado por un solo átomo o molécula. Como consecuencia, los átomos o moléculas que terminan uno junto al otro pueden reaccionar más fácilmente entre sí.

Blodgett se incorporó a estas investigaciones de Langmuir, trabajando juntos en técnicas para conseguir revestimientos monomoleculares de naturaleza aceitosa, diseñados especialmente para depositarse en monocapas de unos pocos nanómetros de espesor y recubrir así superficies acuosas, metálicas o vítreas. Para ello, emplearon un equipo, perfeccionado por Langmuir, que medía tanto la tensión superficial de monocapas de sustancias hidrofóbicas (aceites y grasas) y anfipáticas (jabones y detergentes) como el tamaño de las moléculas. Este dispositivo había sido inventado en 1891 por la alemana Agnes Pockels (1862-1935), un ama de casa y científica amateur, a partir de su experiencia con el jabón y el agua de fregar.

En 1924, Blodgett marchó a Inglaterra para estudiar el doctorado en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, dirigido por el británico-neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937), Premio Nobel de Física (1908) tras descubrir que la radiactividad consistía en la desintegración de los elementos. En 1926, Blodgett se doctoraba con una tesis sobre el comportamiento de los electrones en vapor de mercurio ionizado y, con ello, se convertía en la primera mujer que alcanzaba un doctorado en Física por Cambridge.

Este bagaje de conocimientos adquirido en la universidad inglesa permitió a Blodgett en su retorno a Schenectady perfeccionar junto a Langmuir las bombillas con filamento de wolframio y, gracias a ello, profundizar en el estudio de las descargas eléctricas en gases, lo que tendría como resultado importantísimo sentar las bases de la física del plasma, el cuarto estado fundamental de la materia (además del sólido, el líquido y el gaseoso). El plasma, que en griego significa “sustancia moldeable”, es un fluido parecido a un gas pero en el que una determinada proporción de partículas están ionizadas (cargadas eléctricamente). No existe en la superficie terrestre en condiciones naturales (aunque sí en las tormentas eléctricas o en las estrellas) y debe ser generado artificialmente mediante el calentamiento de gases inertes o sometiéndolos a un fuerte campo electromagnético, formándose en este caso estructuras como filamentos, rayos o capas dobles.

Este cuarto estado de la materia ya había sido observado en diversas investigaciones sobre los rayos catódicos llevadas a cabo respectivamente en 1879 y 1897 por los científicos ingleses William Crookes (1832-1919) y Joseph J. Thompson (1856-1840). Pero sería Langmuir quien desarrolló las técnicas más importantes para investigarlo –como la sonda que medía la temperatura de sus electrones, su densidad y potencial eléctrico (1924)– y, además, quien le puso el nombre de plasma (1928), debido a su analogía con la sangre, pues transporta electrones de alta velocidad, iones e impurezas de la misma manera que el fluido vital transporta glóbulos blancos, glóbulos rojos y gérmenes. Al tratarse de un potente superconductor, sus aplicaciones prácticas pueden encontrarse en luces de neón, tubos fluorescentes, lámparas fluorescentes compactas (LCF), pantallas de televisión, soldadura de hidrógeno atómico (inventada por el propio Langmuir en 1925) o revestimientos de naves espaciales.

Patente estadounidense no. 2.587.282 (calibrador).
Imagen: USPTO.

Langmuir continuó junto a Tonks las investigaciones sobre el plasma, mientras que retomó con Blodgett el estudio de los revestimientos monomoleculares de naturaleza aceitosa. En 1933, Blodgett desarrolló un sencillo procedimiento para calibrar el espesor de una capa de película de modo extraordinariamente preciso, hasta una millonésima de pulgada, cuando los mejores instrumentos de la época podían medir tan solo hasta una micra. Blodgett se apercibió que las capas de ácido esteárico (una materia grasa empleada en velas, jabones y cosméticos) tenían colores diferentes, cada color se correspondía con un lugar concreto de la capa y cada uno de esos lugares era de un espesor distinto, por lo que existía una correlación entre color y espesor. Así pudo añadir capas muy finas de ácido esteárico sobre una plancha de cristal controlando los cambios de color, todo ello con una precisión inédita entonces. Años después, en 1952, Blodgett obtendría la patente no. 2.587.282 para el calibrador del grosor de revestimientos ultrafinos, aunque perfeccionado con los logros de investigaciones posteriores, siendo cedida a GE (al igual que las otras siete que obtuvo en los EE. UU. y las dos depositadas en Canadá).

El calibrador ofrecía tal control minucioso en la experimentación con los revestimientos que abrió enormes posibilidades en las investigaciones de Blodgett y Langmuir. En 1934, Katharine realizó otro importante avance al descubrir que varias de estas películas monocapa individuales podían apilarse y comprimirse una sobre otra para hacer películas estratificadas de múltiples capas (unas 3 000). Así que ideó un método para extender los revestimientos de uno en uno sobre metal (o también cristal), sumergiendo repetidamente una placa metálica en agua cubierta por una capa de aceite y apilando otras más sobre la placa con una enorme precisión molecular (900 angstroms). Para conseguir todo esto, Blodgett estuvo perfeccionado durante años el aparato de laboratorio de Pockels que Langmuir, a su vez, había mejorado en la década anterior y que se conocería en adelante como balanza Langmuir-Blodgett, al igual que los finísimos revestimientos conseguidos con dicha tecnología pasarían a llamarse películas Langmuir-Blodgett. Este dispositivo permitía la deposición y el autoensamblado de cientos de moléculas anfipáticas (con un extremo soluble en agua y otro no) en un sustrato sólido de manera muy ordenada, precisa y fácil, posibilitando la creación de nuevos materiales con diversas propiedades (eléctricas, ópticas o biológicas).

Blodgett en Schenectady trabajando con la balanza (década de 1930).

Patente no. 2.220.860 (balanza).
Imagen: USPTO.

Por este instrumento, en 1940, Blodgett recibió su primera patente, emitida con no. 2.220.860 (y registrada tres años antes). Sin embargo, la tecnología Langmuir-Blodgett permaneció relativamente olvidada entre la comunidad científica hasta 1971, cuando el químico suizo Hans Kuhn (1919-2012) inició experimentos ópticos y fotoeléctricos con ensamblajes de monocapas siguiendo el método de los científicos estadounidenses. En 1982, se celebró en Durham (Gran Bretaña) la primera conferencia internacional sobre las películas Langmuir-Blodgett. Actualmente, se utilizan en multitud de campos de la investigación: creación de estructuras mesoscópicas compatibles con biomateriales (ADN, proteínas y polisacáridos), síntesis de nanopartículas, formación de nanocristales y semiconductores, separación de mezclas de gases, elementos de electrónica molecular, soportes para tintes azoicos (en los que, por ejemplo, se graba la información de los discos DVD y CD-R), aislantes orgánicos para transistores, generación de membranas biológicas para el estudio de sistemas vivos y reacciones farmacológicas, guías de onda o diseño de estructuras supramoleculares.

Partes de la balanza Langmuir-Blodgett (arriba): 1. monocapa; 2. subfase de líquido; 3. canal; 4. sustrato sóldio; 5. mecanismo inmersor; 6. tensiómetro; 7. electrobalanza; 8. barrera; 9. mecanismo de barrera; 10. sistema reductor de vibraciones;
11. recinto. Proceso de transferencia de la monocapa sobre el sustrato tras la compresión (abajo).

Modelo actual de balanza Langmuir-Blodgett.

Desde medidos de la década de 1930, Blodgett se centró en aplicar revestimientos de monocapas cada vez más gruesas con el fin de disminuir el índice de reflexión de los cristales, que en los mejores casos llegaban a reflejar un 11% de la luz incidente, lo que dificultaba la visión a través de ellos. El resultado de esta investigación (publicado en un artículo de 1937) se plasmó en otras dos patentes estadounidenses (no. 2.220.861 y no. 2.220.862), concedidas en 1940 (y registradas asimismo en Canadá en 1942). La primera de ellas, solicitada en 1938, versaba sobre la reducción de la superficie de reflexión en cristales y otros cuerpos transparentes. Se trataba de eliminar la reflexión de un cristal allí donde ésta fuese indeseable, pero permitiendo la transmisión de la luz. Para conseguirlo, se recubría el cristal con una pluralidad de monocapas superpuestas hasta formar una película transparente de 1375 angstroms y hecha en araquidato de cadmio (un ácido graso).

Izquierda: patente no. 2.220.861 (reducción de la superficie de reflexión).
Derecha: patente no. 2.220.861 (cristal invisible). Imagen: USPTO.

La otra patente, solicitada en 1939, protegía un cristal de baja reflectancia, es decir, un cristal invisible. Consistía en un vidrio común revestido por una película trasparente de estearato de bario con 44 moléculas de espesor, equivalente a un cuarto de la longitud de onda promedio de la luz visible (unos 1 388 angstroms). De este modo, la reflexión de la capa neutralizaba la reflexión del vidrio, debido a que las depresiones y las crestas de las respectivas ondas lumínicas eran opuestas entre sí y se cancelaban mutuamente, permitiéndose así el paso eficiente de la luz a través del cristal sin apenas emisión de reflejos (solo un 2,5%), hasta el punto de hacerse prácticamente invisible.

Revestimientos dobles de estearato de bario-cobre (49,5 angstroms). Los colores indican diferentes espesores.

Las posteriores aplicaciones de estos inventos serán innumerables: lentes oftálmicas, telescopios, cámaras, parabrisas, pantallas de televisión y de ordenadores. Por ejemplo, el film Lo que el viento se llevó (1939) fue la primera producción cinematográfica que usó en cámaras y proyectores estos cristales invisibles, asimismo empleados en periscopios de submarinos, telémetros y cámaras áereas durante la IIª Guerra Mundial. La invención del cristal invisible proporcionó a Blodgett una cierta popularidad mediática por el hecho poco corriente de ser una mujer científica.

Izquierda: noticia sobre el cristal invisible publicada en la revista Mechanix Illustrated (1939).
Derecha: Blodgett realizando una demostración del cristal invisible con sus propias gafas,
en una película divulgativa sobre química de superficies realizada por General Electrics (1939).

Durante el conflicto, Blodgett trabajó intensivamente para GE en el desarrollo de sistemas para deshelar las alas de los aviones, máscaras antigas con filtros por adsorción (partiendo de sus propias investigaciones de juventud) o la producción de niebla artificial mediante generadores de humo, técnica utilizada en las invasiones aliadas de Italia (1943) y Francia (1944). Tras la guerra, en 1947, continuó colaborando con el ejército estadounidense en el diseño de un instrumento para medir la humedad en la atmósfera superior y dirigió sus propias investigaciones hacia la obtención de métodos de indicación eléctrica y la mejora de la conductividad de los revestimientos.

En 1947, registró dos patentes (no. 2.493.745 y no. 2.589.983) conjuntamente con Vincent J. Schaefer (1926-1993), químico y meteorólogo de GE que un año antes había inventado el procedimiento para crear nubes artificiales y con el que Blodgett estuvo colaborando. Respectivamente concedidos en 1950 y 1952, estos certificados protegían un sistema y un aparato para señalar eléctricamente los procesos de expansión mecánica en instrumentos como los indicadores de humedad, termómetros o galgas extensométricas. La medición se lograba atendiendo a los cambios en la resistencia eléctrica de una capa muy delgada (entre 0,01 y 0,05 mm) de partículas conductoras de grafito, extendida sobre la parte del instrumental dilatada o contraída.

Patente no. 2.493.745 (indicador eléctrico de expansión mecánica). Imagen: USPTO.

En 1952 y 1953, esta vez en solitario, Blodgett obtuvo sendas patentes (no. 2.597.562 y no. 2.636.832) para un revestimiento conductor de la electricidad y para un método de formar capas semiconductoras sobre cristal u otros artículos semejantes. El primer invento era una capa vítrea de alta resistividad y de características estables para diversos elementos eléctricos de alta tensión como resistencias, transformadores, aislantes o dispositivos de descarga, disipando en ellos las cargas eléctricas acumuladas y distribuyendo uniformemente el potencial. Hasta entonces, el incremento de la conductividad (o la disminución de la resistividad) de los materiales vítreos se conseguía aplicando sobre sus superficies sustancias metálicas altamente conductoras como sales de platino, oro o cobre. Sin embargo, mediante estos procedimientos no se lograba un control predecible ni de la conductividad ni de la resistividad. El nuevo método ideado por Blodgett consistía en aplicar una fina capa de sílice sobre un cristal con un contenido mínimo de óxido de plomo del 60% y calentarlo en una atmósfera reductora (sin oxígeno) a una temperatura constante entre 300 y 500 grados centígrados. La otra patente empleaba un método similar, pero aplicado a dispositivos de descarga de electrones como los tubos de rayos X y en determinadas condiciones de humedad.

Blodgett se retiró de GE en 1963, tras 45 años de carrera profesional. A partir de entonces, pudo dedicarse con plenitud a sus aficiones favoritas: actriz en un grupo de teatro aficionado, jardinería, astronomía, coleccionismo de antigüedades, bridge, escribir poemas humorísticos o voluntariado en organizaciones benéficas como la Sociedad de Ayuda al Viajero, de la que fue su tesorera. Falleció en Schenectady a los 81 años de edad.

Entre 1919 y 1961, Katharine Blodgett dejó una treintena de artículos académicos en revistas como Physical Review y Journal of the American Chemical Society, caracterizados por su claridad expositiva al alcance incluso de los no iniciados, siendo muy alabados por el físico William D. Coolidge (1873-1975), director de los laboratorios de GE entre 1932 y 1944, y por el propio Langmuir, quien siempre consideró a Blodgett una excepcional experimentadora dotada con una infrecuente combinación de capacidad teórica y práctica.

Fue miembro de la Sociedad Americana de Óptica y de la Sociedad Americana de Física. Su trayectoria científica estuvo reconocida con doctorados honorarios en ciencia concedidos por cuatro universidades de su país: Elmira (1939), Brown (1942), Western de Arizona (1942) y Russell Sage (1944). Igualmente, recibió los siguientes galardones y homenajes: Premio de la Asociación Americana de Mujeres Universitarias (1945), Medalla Garvan de la Sociedad Americana de Química (1951), Día de Katharine Blodgett por el Ayuntamiento de Schenectady (1951), Medalla al Progreso por la Sociedad Fotográfica de América (1971).

Última edición: enero de 2018