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TEMA 7
NUEVOS MATERIALES PARA NUEVAS NECESIDADES
1.-DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALESLos materiales son sustancias ( elementos o componentes) que nos permiten fabricar objetos
Teniendo en cuenta la procedencia del material, distinguimos :a) Materiales naturales: se pueden obtener directamente del
medio mediante técnicas que no implican la transformación de su naturaleza primaria. En esta categoría se incluyen maderas, rocas, arenas, arcillas, resinas…
b) Materiales transformados: sufren algún tipo de elaboración previa a su utilización. Por ejemplo la gasolina que deriva del petróleo, el papel que deriva de la madera, derivados de la lana …
c) Materiales sintéticos: son fabricados de forma artificial por el ser humano a través de procesos químicos industriales: plásticos o el celuloide
Según las propiedades cualquier material sólido se puede clasificar en:1.- Materiales metálicos: son rígidos pero dúctiles , conducen el calor y la electricidad, reflejan la luz (brillo) y poseen una lata densidad
2.- Materiales cerámicos: materiales inorgánicos que se caracterizan por su baja ductilidad, dureza, fragilidad y puntos de fusión elevados: En este grupo encontraremos las cerámicas tradicionales( mezclas de óxidos y de arcillas) , nuevas cerámicas de alta tecnología como vidrios superconductores o grafito
3.- Polímeros (plásticos) formados por moléculas orgánicas de gran tamaño (macromoléculas) se dividen a su vez ena) Naturales : forman parte de los seres vivos o producidos por ellos (celulosa, látex, caucho natural, hule y la quitina)
b) Sintéticos Se obtienen industrialmente a partir de moléculas más pequeñas llamadas monómeros . Por ejemplo nailon, celofán, poliestireno, policloruro de vinilo (PVC)
4.- Materiales compuestos (composites): formados por dos o más materiales sin que se produzca reacción química entre ellos Por ejemplo el cemento o los neumáticos . Se componen de un elemento que les proporciona fuerza ( elemento resistente) y de otro que les une ( matriz ligante)
2.- MATERIALES CON HISTORIA
2.1 Todo natural : piedra y madera
La Edad de Piedra es el período de la Prehistoria durante el cual, los seres humanos crearon herramientas de piedra debido a la carencia de una tecnología más avanzadaEl descubrimiento fue de forma accidental: rotura al chocar dos piedras entre si, fracturándose y dejando como consecuencia unos bordes afilados
Para ello utilizaban cuarcita, sílex, madera, cuero y fibras vegetales
Fueron perfeccionándose, obteniendo herramientas paradiversas actividades, constituyendo el nacimiento de latecnología.
El desarrollo de la alfarería ( necesidad de guardar los excedentes de los cultivos desarrollo la cerámica) y la metalurgia ( fundición de los metales) constituyó un gran avance en la elaboración de los materiales.
2.2 los metalesAl introducir materiales en el horno, descubrieron que había algunos que se fundían, producían cobre metálico puro. Este material se podía moldear, así fabricaron hachas, espadas, puntas de flecha, etc.
Descubrieron que mezclándolo con estaño se obtenían mejores resultados, fabricando lo que conocemos como bronce, con menor punto de fusión y mayor tenacidad, desbancando a la piedra y al cobre
Entre los 1.000 y 1.500 años a.C. se descubrió el hierro, alalcanzar los hornos su alto punto de fusión (1535ºC). Trabajando este material en caliente se obtenía un material más duro que el bronce.El hierro es más tenaz que el bronce y mucho más abundante en la naturaleza
Los metales en raras ocasiones se presentan en forma pura en la naturaleza. Son necesarios complejos procesos metalúrgicos para extraerlos de los minerales que los contengan.Los subproductos obtenidos en el proceso de extracción se denomina ganga o escoria y son desechados o acumulados
Actualmente se emplean sobre todo el hierro, el acero, aluminio, aunque entre los metales considerados imprescindibles en el funcionamiento de la economía figuran el cobre, el plomo, el zinc, el estaño, el platino , el tungsteno, titanio, níquel y litio
2.3 los materiales de la energía: carbón y petróleo
Durante la Revolución Industrial , el carbón se convirtió en un elemento estratégico debido a su uso como combustible en las máquinas de vapor y en los ferrocarriles , así como para la producción de acero. También se empleaba el gas de carbón en la iluminación de las calles
En la segunda mitad del siglo XX el petróleo sustituyó al carbón .Además de su uso como combustible es empleado por la industria química para la fabricación de cremas, disolventes , detergentes, abonos y plásticos …
2.4 La era del plástico
La siguiente revolución se produjo cuando en el siglo XX se obtuvieron en le laboratorio polímeros sintéticos o plásticos a partir de derivados del petróleo.Los plásticos o polímeros sintéticos son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.
Presentan los siguientes aspectos negativos sobretodo problemas medioambientales:
• No biodegradación• La incineración genera
compuestos venenosos• No reutilizables.
Características de los polímeros :1. Alta plasticidad2. Alta Elasticidad3. Alta resistencia mecánica y la corrosión4. Alta resistividad eléctrica5. Baja o nula reactividad
Por su comportamiento ante el calor podemos calsificarlos en:
a) Termoplásticos: se ablandan con el calor por lo que son fácilmente moldeables , manteniendo la forma al enfriarse
Los más usados son: el polietileno (PE), el poliestireno (PS), el polimetilmetacrilato (PMMA), el policloruro de vinilo (PVC), el politereftalato de etileno (PET), el teflón y el nylon (un tipo de poliamida).
b) Termoestables
Se degradan con el calor por o que no se pueden moldear. Son frágiles y rígidos
Ejemplos: poliuretano, melamina y poliésteres
c) elastómeros: Solo pueden fundirse una vez pero tienen un elevado grado de elasticidad y adherencia Ejemplos: neopreno, siliconas, caucho sintético
3. LOS MATERIALES DEL SIGLO XXI
a) Aluminio
Se extrae de lateritas y sobretodo de la bauxitaEs uno de los metales más utilizado, en puertas y ventanas,
estructuras de alta resistencia y bajo peso, industria del automóvil, CD-ROM, utensilios de cocina, latas de refresco, papel de aluminio, etc.
Color blanco, maleable, admite pulido, buen conductor de calor y electricidad, ligero, se puede alear con otros materiales; muy resistente a la corrosión. La principal fuente de obtención actual es el reciclaje
b) Silicio
Se usa para fabricar vidrio pero actualmente el uso más importante se debe a sus propiedades como semiconductor ( material que no conduce la electricidad a no ser que sea sometido a diversas condiciones de calor, luz o carga eléctrica)
Combinando los semiconductores se obtienen componentes electrónicos como LED, transistores, memorias…
c) Coltán: es la abreviatura utilizada para designar dos minerales (columbita-tantalita) que contienen a su vez niobio y tántalo respectivamente
Estos dos elementos poseen propiedades como la resistencia a la corrosión y capacidad de soportar altísimas temperaturas que los convierten en imprescindibles para el desarrollo de dispositivos electrónicos
El tántalo además es capaz de almacenar cargas eléctricas y liberarlas en el momento que se necesitan lo que ha permitido la miniaturización de la tecnología
d) Litio
Se extrae de las salinas y forma parte de las baterías recargables que utilizamos en teléfonos móviles y portátiles
e) El titanioEs el cuarto metal más abundante (tras Al, Fe y Mg).Es tan duro como el acero, pero mucho más ligero.Pesa más que el Al pero lo duplica en resistencia mecánica.Es muy resistente a la corrosión.El inconveniente es que es muy caro obtenerlo.Por su relación entre bajo peso y alta resistencia mecánica permitió el desarrollo de toda la tecnología aeroespacialEn tecnología aeronáutica en la fabricación de aviones comerciales
En odontología se ha comprobado que sobre titanio oxidado, incrustado en el hueso, crece tejido óseo por eso se utiliza en implantes dentales
En medicina , se ha comprobado que el titanio no es tóxico en el cuerpo y tampoco aparecen reacciones de rechazo; por eso se utiliza para reparar fracturas de huesos
f) Grafeno y siliceno
El grafeno está formada por una lámina de carbono de un solo átomo de grosor. Presenta propiedades extraordinarias: muy buen conductor de la electricidad y el mejor conductor de calor. También es un material muy fuerte ( resistencia es 200 veces la del acero)
Se pueden construir pantallas conductoras, flexibles que se enrollan. También habrá aplicaciones en la industria fotovoltaica, fabricación de baterías , en la industria aeronáutica
El Siliceno es semejante al grafeno pero con silicio en vez de carbono
4.- EL CICLO DE LOS MATERIALES
Análisis del Ciclo de Vida (ACV) es un método de estudio del impacto de un material o producto sobre el medioambiente hasta el momento en el que se desecha
El ciclo de un material puede acabar de varias maneras:
-Desecho y acumulación en vertederos
-Biodegradación , que le permite regresar al ciclo natural
-Reciclaje y reutilización, entrando a formar parte de un nuevo ciclo productivo
4.1 LOCALIZACIÓN Y EXTRACCIÓN DE LOS RECURSOS
La distribución irregular de las materia primas ha originado un intenso comercio internacional. Sin embargo que un país posea o no materia primas no guarda relación directa con su desarrollo económico o industrial
4.2 .- TRANSFORMACIÓN Y CONSUMO
Una vez extraídas , la mayoría de las materias primas necesitan cierto grado de transformación lo que conlleva un gran gasto de energía. A esto se suma que las industrias de transformación se encuentran muy alejadas de los lugares de extracción y estos a su vez muy alejadas de donde se va a consumir. Esto provoca un intenso tráfico de mercancías y por tanto altos costes en el consumo de combustibles
Vivimos en una sociedad global lo que nos permite consumir productos fabricados en cualquier parte del mundo. Fabricamos más cantidad de productos más variedad y a menor precio que nunca antes en la historia
Incluso existen productos de usar y tirar concebidos para ser desechados y reemplazados en poco tiempo por otros más avanzados con nuevas y mejores prestaciones
Las consecuencias directas de este modelo social son el agotamiento de los recursos, el gasto desmedido de energía y el aumento de los residuos
4.3 REPERCUSIONES EN UN MUNDO GLOBAL
El desarrollo de nuevos materiales tiene las siguientes ventajas:
-Mejoras en la comunicaciones (silicio y plásticos)
-Acceso a la electricidad (cobre)
-Material científico y médico (titanio y acero)
- vehículos más eficientes (aluminio, plásticos, litio)
-Mejoras en la salud ( sustitución de tuberías de plomo por tuberías de plásticos; materiales para implantes que no provocan rechazo…)
En resumen una mejora de la calidad de vida de la humanidad
Los principales inconvenientes derivan de:
-el ciclo de vida de distintos materiales.
Del proceso de extracción de materias primas (deforestación, destrucción de ecosistemas, desplazamiento de especies…)
De los procesos industriales de producción: gasto energético y contaminación por vertidos y emisiones
Del consumo masivo: agotamiento de recursos
Del desecho. Acumulación de basuras, toxicidad para el medioambiente
- La propia naturaleza de los materiales empleados: materiales que pueden ser tóxicos para el ser humano y otras especies ( metales pesados, plásticos, materiales radiactivos…)
5.- MATERIALES QUE VIENEN
5.1 PIEZOELECTRICIDADDescubierto por Pierre Curie, consiste en la aparición de cargas eléctricas en un material al ser sometido a tracción o compresión y viceversa.
Se usa en :materiales para esquíes (cerámica piezoeléctrica)Músculos artificiales para piernas y brazos ortopédicos.Relojes de cuarzo, encendedores electrónicos de calderas..
5.2.- SUPERCONDUCTORES Y SUPERPLÁSTICOSConducen la corriente eléctrica sin resistencia (sin pérdida de energía) y repelen el campo magnético.Se usan :•Para el transporte de gran cantidad de corriente eléctrica sin pérdidas•En equipos de resonancia magnética •En los modernos trenes de levitación magnética.
Los materiales son aleación de niobio-titanio, compuestos cerámicos de magnesio y boro u óxidos cerámicos de alta temperatura
La superplasticidad es un fenómeno que se da cuando procesamos especialmente un material y le aplicamos un tratamiento térmico, como consecuencia, dicho material puede llegar a una gran deformación, pero sin perder su homogeneidad antes de la rotura.
Se habla de superplasticidad cuando las deformaciones del material alcanzan el 500% de su tamaño original.
5.3.- NANOTECNOLOGÍA
Es la ciencia utilizada para fabricar y controlar estructuras y máquinas de tamaño molecular, capaz de construir nuevos materiales, átomo a átomo
Su unidad de medida es el nanometro , la milmillonésima parte de un metro (10-9 m)
Desde el descubrimiento de los fullerenos, moléculas de carbono puro que tienen la apariencia estructural de un balón de fútbol, se han seguido obteniendo estructuras de este tipo, algunas dotadas de propiedades mecánicas y eléctricas sorprendentes.
En la actualidad se utilizan ya los nanotubos pequeños tubos formadas por átomos de carbono puro.para diseñar todo tipo de ingenios de tamaños microscópicos que funcionan como diminutos robots de construcción de nuevos materiales
Las tres ramas de investigación en las que se utiliza la nanotecnología1.-Nanotecnología seca
Se centra en la fabricación de estructuras de carbón (por ejemplo fullerenos y nanotubos),semiconductores( silicio) y otros materiales inorgánicos y metales. Se emplea en electrónica, magnetismo y dispositivos ópticos.Autoensamblaje a nivel molecular por ordenador.
2.-Nanotecnología húmedaEsta tecnología se basa en sistemas biológicos que existen en un entorno acuoso incluyendo material genético, membranas, enzimas y otros componentes celulares. También se basan en organismos vivientes cuyas formas, funciones y evolución, son gobernados por las interacciones de estructuras de escalas nanométricas.
3.-Nanotecnología computacionalCon esta rama se puede trabajar en el modelado y simulación de estructuras complejas de escala nanométrica. Se puede manipular átomos utilizando los nanomanipuladores controlados por computadoras.
Los campos de aplicación de la nanotecnología son:a) Sistemas de almacenamiento ultrapequeño que se basan en naoimanes b) Nanoordenadores utilizando moléculas orgánicas c) Pantallas flexibles con nanotubos
d) Aplicaciones médicas como sistemas autoinmunes que funcionen como nuestros anticuerpos
e) Aplicaciones energéticas como colectores solaresf) Potenciales aplicaciones espacialesg) Colaboración contra el deterioro del medio ambiente, nuevos materiales que reemplacen a alos actuales recursos no renovables
6.- PERSPECTIVAS ACTUALES
Los factores que han influido en el rápido desarrollo de la industria de los materiales son:
-Necesidad de economizar energía
-Conservación del medio ambiente
-Agotamiento de recursos no renovables
-Nuevas necesidades de la industria
-Competitividad en los mercados
El desarrollo de la ciencia y la tecnología de los materiales estará caracterizado por los siguientes aspectos:
-Tendencia a sustituir los materiales metálicos y sus aleaciones por plásticos, materiales cerámicos y compuestos
-Incremento de los metales y aleaciones ligeras (especialmente el aluminio y el titanio)
-Aumento de los materiales poliméricos y cerámicos en la fabricación de todo tipo de elemento debido a su menor coste respecto a los materiales metálicos
-Conformado de materiales superplásticos para la fabricación de piezas de formas complejas
-Sustitución de los tratamientos superficiales por recubrimientos plásticos
-Reciclaje y reutilización de materiales
