T7 - Nuevas necesidades, nuevos materiales

T7 – NUEVAS NECESIDADES, NUEVOS MATERIALES.

1. De materia a materiales.2. ¿De dónde obtenemos los materiales?3. Propiedades de los materiales.4. Clasificación de los materiales.5. La materia prima.6. Natural y artificial.7. La nanotecnología.8. Un recorrido por la historia.

T7. NUEVAS NECESIDADES, NUEVOS MATERIALES

1 – De materia a materiales.

La materia está constituida por átomos.

Los 116 átomos conocidos se recogen y organizan en la tabla periódica.



De ellos 90 son naturales y se han ido formando en:

• Primeros instantes del Universo (H, He y Li).

• Interior de las estrellas por fusión del H y He (C, N, O hasta el Fe).

• Explosiones de supernovas (el resto, como el Au y la Ag).



Otra manera de organizar la materia: la complejidad de su estructura.

Los átomos son las partículas constitutivas de los elementos químicos, cada uno con sus propiedades. Por ejemplo el cobre (Cu).

Los elementos se combinan para formar los compuestos químicos (de propiedades diferentes a los elementos). Por ejemplo el yeso (que tiene calcio y azufre: CaSO4 · 2H2O).

Los elementos y/o compuestos se pueden mezclar para mejorar algunas de sus propiedades, adecuadas a determinadas funciones, (el Cu y el Sn se mezclan para obtener la aleación denominada Bronce).

Los materiales se pueden mezclar para dar lugar a un material de propiedades distintas a los primeros que denominaremos composite (adobe de barro y paja, madera contrachapada o poliamida).



Definición de material

Ejemplos <<convencionales>>Madera, hormigón, acero, plástico, vidrio, papel, aluminio

Necesarios para mantener su nivel de vida

adecuados a cada época

…y a sus posibilidades

Usados por el hombre desde el comienzo de los tiempos



Criterios para la selección de un material.

• Propiedades físicas y mecánicas adecuadas.• Posibilidad de procesar o manufacturar el material fácilmente.• Solución económica.• No nocivo para el medio ambiente.

Importancia de la investigación en nuevos materiales

Conocimiento de la estructura y propiedades de los materiales Elección del material más adecuado

(características, rentabilidad)

Fabricación del mejor producto para aplicación concretaFabricación del mejor producto para aplicación concreta


2 – ¿De dónde obtenemos los materiales?

Según el origen de los materiales podemos clasificarlos en:

• Naturales (obtenidos de la naturaleza): madera, granito,…

• Transformados (obtenidos por transformación o mezcla de material natural): papel, caucho vulcanizado, cemento, acero,…

• Artificiales o sintéticos (obtenidos de procesos químicos o físicos): plásticos, fibras artificiales,…

• Reciclados (a partir de objetos del mismo material): papel, vidrio,…


3 – Propiedades de los materiales.

• Mecánicas:– Densidad. Cantidad de masa contenida en un determinado volumen de sustancia. Ej: Los

barcos se hacen de madera porque es menos densa que el agua.

– Dureza. Oposición que ofrecen los materiales a la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes,… Ej: El diamante se usa en máquinas abrasivas o perforadoras.

– Tenacidad. Energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura. Ej: El acero se emplea en muchas herramientas.

– Ductilidad. Propiedades que presentan algunos materiales, los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse. Ej: Hilos de cobre.

– Fragilidad. Cualidad de los materiales de romperse con facilidad. Ej: Algunos vidrios se fabrican con incrustaciones de otros materiales para reducir la fragilidad.

– Maleabilidad. Adquisición por parte de un material de una deformación metálica mediante una compresión sin fracturarse. Ej: El aluminio.

– Resistencia a las fuerzas de compresión, tracción, torsión y flexión.

– Elasticidad. Propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles. Ej. La fibra de carbono.

– Plasticidad. Deformación permanente e irreversible de un material. Ej: Plastilina.



• Térmicas:– Temperatura de fusión. Temperatura a la cual la materia pasa de estado sólido a líquido. Ej:

El wolframio se emplea en las bombillas por su alta temperatura de fusión.

– Conductividad térmica. Propiedad de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. Ej: La baquelita se usa en mangos de utensilios de cocina por ser un buen aislante térmico.

– Capacidad de dilatación. Proceso físico por el cual se producen cambios de volumen como resultado de cambios de temperatura. Ej: En los termostatos se utilizan dos láminas de dilatación distinta.

– Calor específico. Cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad. Ej: Los platos de barro conservan la comida caliente durante más tiempo.

• Electromagnéticas:– Conductividad eléctrica. Medida de la capacidad de un material de dejar pasar la corriente

eléctrica. Ej: El cobre se emplea en los hilos conductores de la electricidad. La plata es mejor conductor pero es más cara.

– Comportamiento magnético. Capacidad de un material para ser atraído por un imán. Ej: La aguja de una brújula.



• Químicas:– Resistencia a la corrosión. Oposición al deterioro de un material a consecuencia de un

ataque electroquímico por su entorno. Ej: El acero inoxidable resiste mucho tiempo a la corrosión.

• Acústicas:– Conductividad del sonido. Capacidad de un material de dejar pasar el sonido. Ej: El

porexpán es un material aislante de sonido que se utiliza en tabiques, techos y suelos.

• Ópticas:– Color. Sensación que producen los rayos luminosos en los órganos visuales y que es

interpretada en el cerebro. Ej: El color rojo de las señales les hacen destacar frente a otros colores más presentes en la naturaleza como el verde y el azúl.

– Transparencia. Un material presenta transpariencia cuando deja pasar fácilmente la luz. Ej: La fibra de vidrio, que se usa en comunicaciones o endoscopios porque la luz puede viajar a través de ella muchos km sin atenuarse.

– Reflectividad. Fracción de radiación incidente reflejada por una superficie. Ej: El plástico utilizado en los chalecos de seguridad reflejan muy bien la luz.

– Índice de refracción. Medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo. Ej: En personas con muchas dioptrías, para no aumentar el grsor de los cristales, se utilizan vídrios con índices de refracción más elevados.


3 – Propiedades de los minerales.

– Brillo .Propiedad física que describe la manera en que la luz interactúa con la superficie de una roca, cristal o mineral y se refleja en ella. Ej: Los brillantes son diamantes especialmente tallados para que su brillo sea máximo.

– Fluorescencia. Característica de las sustancias que son capaces de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación electromagnética de longitud de onda diferente. Ej: Las lámparas fluorescentes.

– Capacidad de polarización de la luz. Modificar los rayos luminosos por medio de refracción o reflexión, de tal manera que queden incapaces de refractarse o reflejarse de nuevo en ciertas direcciones. Ej: Los cristales líquidos forman caracteres legibles en las pantallas de las calculadoras.


4 – Clasificación de los materiales.

Materiales metálicos• Elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad, y son sólidos en temperaturas normales (excepto el mercurio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.• Se clasifican en metales férreos y no férreos.

Materiales poliméricos (plásticos)• Materiales de origen orgánico constituidos por macromoléculas de elevado peso molecular, cuyo principal componente es el carbono.• Buena maleabilidad y deformabilidad.• Se clasifican en: termoplásticos, termoestables y elastómeros.

Materiales cerámicos• Son compuestos o soluciones inorgánicas de elementos metálicos y no metálicos.• Poseen alta dureza y alta fragilidad.• Se clasifican en: cerámicas convencionales y cerámicas avanzadas.


4 – Clasificación de los materiales.

Madera• Se obtiene de la parte leñosa de los árboles.• Se utiliza como combustible, para la industria papelera, para la fabricación de muebles, elementos de construcción (vigas, escaleras,…), decorativos (esculturas, marcos de fotografías,…).

Pétreos• Se extraen de las rocas.• Son materiales pétreos el mármol, la pizarra, el vidrio, el yeso, el cemento y el hormigón.

Composites• Los composites o resinas compuestas son materiales compuestos de dos o más materiales, sin formar aleaciones.


5 – La materia prima.

• Sustancia que se extrae directamente de la naturaleza a partir de la que se obtienen los materiales.

• Esta extracción es cada vez más fácil gracias al desarrollo de la tecnología, sin embargo, las cantidades de materia necesarias son muy grandes y las dificultades para acceder a los lugares donde se encuentran son mayores.

• La obtención de materias primas es un factor que afecta a la economía y pueden acarrear problemas políticos, sociales y medioambientales.



• Uno de los materiales más utilizados son los metales.• De la mina se extraen los minerales, de los que se

separa la ganga de la mena (el metal con interés económico), a partir de la que se obtienen los metales mediante dos procesos:– Reducción por calor (Fe, Zn, Ag).– Electricidad (electrólisis) (K, Na, Li, Ca, Mg, Al).

• Hay metales que se encuentran puros, sin formar compuestos, en la naturaleza, por lo que no necesitan ser sometidos al proceso de reducción (metales nativos como Au, Pt).



• Reducción mediante calor:

1. Las materias primas para fabricar los metales férricos son el mineral de hierro, el carbón y la piedra caliza. Estos minerales son triturados y vertidos por capas en el alto horno a través de su tragante.

2. El alto horno puede medir hasta 70 m de altura. En su vientre se separa el hierro del oxígeno debido a la combustión del carbón. El hierro líquido se queda en el fondo (es más denso), se saca y se vierte en recipientes llamados torpedos. El líquido tiene la composición de fundición.

3. El afino consiste en reducir el contenido de carbono de la fundición. El hierro fundido se vierte con cuchara en un horno convertidor que tiene una lanza por donde se introduce oxígeno.

4. En el horno convertidor el oxígeno quema parte del carbono de la fundición y el hierro se convierte en acero.

• Electrolisis.

http://www.youtube.com/watch?v=lVBdpLx6078





• Aleación de hierro con carbono. Es un material muy versátil.• La aleación con otros metales cambia algunas de las propiedades del acero y

permite ajustarlas al uso concreto que se le quiera dar.

El acero



• Mezcla de dos minerales: La columbita (óxido de niobio con hierro y mangneso) y la tantalita (óxido de tántalo con hierro y manganeso) que se encuentran juntos como parte de ciertos granitos; a partir de ellos se obtienen:

– El Niobio (Nb): fabricación de imanes de alto poder magnético, clave del desarrollo de micromotores (discos duros), altavoces y auriculares potentes y precisos. Tiene aplicaciones para ordenadores, industria aeroespacial, levitación magnética o implantes médicos.

– El Tántalo (Ta): fabricación de condensadores, está presente en todas las baterías de móviles o aparatos con baterías recargables.

• Su valor es muy alto, por lo que controlar su producción es u negocio rentable para gobiernos, distribuidores y fabricantes. Sin embargo a la República Democrática del Congo le ha traído muchos problemas.

– Problemas sanitarios.– Problemas legales (utilizando mano de obra en condiciones de semiesclavitud).– Problemas medioambientales (acoso a las poblaciones de gorilas y elefantes).

http://www.youtube.com/watch?v=NX8C-YSA2tY

El coltán


6 – Natural y artificial.

• A pesar de la dificultad para establecer la frontera entre natural y artificial, teniendo en cuenta que la materia prima a partir de la que fabricamos cualquier objeto proviene de la naturaleza podríamos decir que todo es natural.

• No obstante, solemos decir que un material artificial es aquel cuyas materias primas han sido elaboradas y procesadas a partir de otros materiales.



• Unos de los materiales naturales más conocidos es el PAPEL. La clave en su fabricación está en la obtención de celulosa, que es un tipo de fibra natural de los árboles, caracterizada por su flexibilidad y capacidad para compactarse.

• Entre los problemas asociados a la fabricación de papel encontramos los siguientes:

• Futuro: Tinta electrónica y papel electrónico.

El papel

Problemas asociados Soluciones

Deforestación: 3 millones de m3 de madera por año en España

-Plantación y Tala controlada.- Uso de materias primas diferentes (cáñamo, lino o algodón).- Reutilización fibras de papel usado.

Agua gastada: 35 m3/Tm de cartón. 200 m3/Tm papel de escritura.

Ciclos cerrados de agua.

Contaminación ríos (Azufre, Cloro, Ozono para el blanqueado)

Energía: 4% de la energía generada en España.

Reciclar papel consume menos.





• Por otro lado, entre los materiales artificiales más relevantes encontramos los PLÁSTICOS. La plasticidad es una propiedad de los materiales que permite que se les dé fácilmente la forma que convenga. Los plásticos se obtienen artificialmente a partir de pequeños moléculas denominadas monómeros (iguales o distintos) que se van uniendo en un gran número para formar moléculas mucho más complejas (polímeros) mediante un proceso denominado polimerización.

• Los plásticos se clasifican según distintos criterios, pero a nivel industrial podemos distinguirlos a través de un indicador numérico que forma parte del producto final:

El plástico


7 – La nanotecnología.

• La nanociencia es la disciplina que estudia todos los aspectos científicos a tamaño nanométrico.

• 1 nanómetro (nm) = 10-9 m.

• La nanotecnología es la Ciencia aplicada dirigida al diseño, fabricación y aplicación de materiales y aparatos a escala nanométrica empleando los microscopios de efecto túnel.

– Podemos fabricar máquinas de tamaño microscópico.– Podremos diseñar nuevos materiales que se comportarán de una determinada

manera únicamente en una situación concreta.



• El carbono es el elemento más importante de nuestra existencia, es muy abundante en la naturaleza y hemos aprendido a elaborar un buen número de objetos de uso cotidiano en deportes, medicina, construcción de puentes y aviones… (diamante, grafito, fibra de carbono).

• A nivel nanoscópico ya se ha obtenido el fulereno (C60) en forma de balón de fútbol que podría contener las dosis de un determinado medicamento que soltaría en las proximidades de las células infectadas.

• También se le puede dar formas de tubo (nanotubos). Hasta ahora se ha conseguido una longitud de 18 mm. Estos se pueden convertir en nanocables si se combinan con un conductor (Boro) o nanointerruptores con un semiconductor.



• Ya se están dando los primeros pasos para explotar este tipo de tecnologías, desarrollando:

• APLICACIONES ELÉCTRICAS.– Batería flexible de nanotubos de carbono. Mezclando nanotubos con papel. Baterías de

papel enrollables que no se pegan.

– LED. Sustituto de bombillas: más duraderas, eficaces, menor consumo y más rápidad.

• APLICACIONES ELECTRÓNICAS.– Nanochips de unos 500 nm.

• APLICACIONES MEDICINA Y FARMACIA.– Investigación con medicamentos en el interior de los fulerenos (buckyballs).

• APLICACIONES TEXTILES.– Fabricación de tejidos que repelen los líquidos (fibras con nanotubos).

• APLICACIONES ARQUITECTURA Y URBANISMO.– Recubrimientos que repelen la pintura de los graffitis.

– Vidrios fotocrómicos que cambian el color con la luz incidente (control temperatura interior de habitaciones y protección frente a rayos UV e IR).

– Cerámica: sanitarios que repelen los líquidos.



• Estamos en los inicios pero dentro de 5 a 15 años se espera una gran explosión, lo que supondrá:– Una transformación de los sistemas de producción.– Aceleración de la producción. – Afectará a todas las industrias.– Materias primas más baratas.– Minimización de costes de producción.



• http://www.youtube.com/watch?v=zZFzPG57oas&feature=player_embedded

• http://www.youtube.com/watch?v=6k3U2rCOvVc&feature=player_embedded

• http://www.youtube.com/watch?v=RkrsXfv6N9w&feature=player_embedded

• http://www.youtube.com/watch?v=HZmTS7cWAEo&feature=player_embedded

• http://www.nanotecnologica.com/


8 – Un recorrido por la historia.

• 300.000 a.C.: El sílex es el material clave. Aparece la cerámica.• 5.000 a.C.: Aparece la escritura. Uso del fuego para obtener cobre. Es el comienzo

del procesado de los materiales.• 3.000 a.C.: Mesopotamia ya fabrica vidrio. Los indígenas americanos también lo

hacen en la misma época.• 2.600 a.C.: Industria telar para fabricar tejidos de seda en china.• 1.500 a.C.: Los hititas obtienen hierro a partir de minerales. Primeros objetos de

hierro fundido.• 0: Comienzo del calendario occidental.• 100 d.C.: Los chinos fabrican papel y porcelana.• 1.200 d.C.: Los chinos usan la pólvora con fines militares.• 1453: Usando tipos metálicos Gutenberg elabora el primer libro con una imprenta en

Occidente.• 1492: Descubrimiento de América por Cristóbal Colón.• 1769: Watt consigue una máquina de vapor más eficiente que sus predecesoras.



• 1826: Daguerre inventa el daguerrotipo. Nace la fotografía.• 1831: Faraday inventa el generador eléctrico usando cables e imanes: la dinamo.• 1861: A. Parker inventa la parkesina, nitrocelulosa, el primer plástico. Poco después

los hermanos Hyatt inventan el celuloide.• 1867: El francés Joseph Monier patenta el hormigón armado. El sueco Alfred Nobel

patenta la dinamita.• 1886: El aluminio se convierte en un material comercial. Se descubre el proceso

electroquímico para la obtención del aluminio a partir de minerales.• 1909: Leo Baekland presenta la baquelita, el primer termoplástico artificial. Comienza

la revolución de los plásticos.• 1913: El acero inoxidable, una aleación de acero con un 13% de cromo y muy poco

carbono, menos del 2%, se vuelve popular.• 1915: J. Littleton desarrolla un tipo de cristal (borosilicato) que soporta el calor: Pirex.

Usado habitualmente en utensilios de cocina y laboratorio.• 1930: Primeros materiales composite. Durante esta década se desarrolla la fibra de

vidrio.



• 1931: W. Carothers desarrolla el neopreno. Es una goma artificial resistente a la corrosión.

• 1933: Se descubre casualmente un magnífico aislante, el polietileno. Usado inicialmente para forrar los cables.

• 1936: Se desarrolla el polivinilo de metacrilato: el plexiglás, también conocido como metacrilato. Un magnífico sustituto del vidrio, pues es más duro y resistente a los golpes.

• 1938: W. H. Carothers desarrolla el nailon.• 1938: R. Punckett descubre que el gas tetrafluoroestileno con el que está trabajando

se ha convertido en un polímero sólido resistente a la corrosión por ácidos y bases, al calor y a los disolventes: el teflón. Con él se recubren, por ejemplo, sartenes.

• 1940: Desarrollo de los imanes cerámicos, llamados ferritas, esenciales para la industria del sonido. Posteriormente los imanes compuestos de níquel y cinc serán la base de las memorias de los ordenadores.

• 1950: Materiales relacionados con las moléculas de óxido de silicio y grupos de carbono: las siliconas. Importantes como selladoras a prueba de agua, lubricante e implantes quirúrgicos.



• 1950: El titanio, que se había descubierto en 1791, se usa por primera vez en los aviones.

• 1951: Primer trasplante de válvula cardiaca en un ser humano. Una bola de silicona dentro de una caja de stellite-21, una aleación de cobalto, molibdeno, cromo y níquel.

• 1953: K. Zeiger desarrolla el polietileno de alta densidad. Se utiliza para platos, botellas y materiales plásticos blandos muy frecuentes en las industria del calzado y la marroquinería.

• 1954: Los laboratorios de General Electric fabrican diamantes artificiales. Son muy pequeños, pero muy apreciados como abrasivos.

• 1955: Se desarrolla el polipropileno, un material muy elástico y resistente al calor. Comienza la era de los polímeros.

• 1958: El primer circuito integrado, ideado por Jack Kilby. Consiste en un trozo de germanio con unos cuantos cables soldados a él, pegado en un soporte de cristal.

• 1960: Se perfecciona la tecnología para la fabricación de cristales de silicio con una pureza casi perfecta. Las obleas de silicio son el material base de la industria de la electrónica. Primer trasplante de cadera. El cirujano John Charnley diseña juntas de rozamiento mínimo usando polietileno de alta densidad. Desarrolla también el pegamento para sujetar las prótesis metálicas al fémur usando metacrilato de metilo.



• 1962: Se descubren las propiedades de la aleación del níquel y titanio (Ni-Ti), un material con “memoria”. Admite grandes deformaciones y es capaz de recuperar su forma original. Se usa en montura de gafas, catéteres y alambres para ortodoncia.

• 1964: L. Phillips fabrica la primera fibra de carbono. Primera red descentralizada de datos: ARPANET. El comienzo de Internet.

• 1969: Los astronautas del Apolo 11 pisan la luna.• 1971: Bausch&Lomb presentan las lentes de contacto blandas, desarrolladas a partir

de un polímero compatible con el tejido humano.• 1977: Fabricación de conductores eléctricos con polímeros orgánicos, que permitirán

la fabricación de diodos emisores de luz (LED), paneles solares o pantallas de teléfonos móviles. Atari 2600. La primera consola doméstica de videojuegos de la historia. Aparece el famoso Pacman (“comecocos”). Comienza una revolución en el entretenimiento familiar.

• 1980: Se usan materiales basados en las tierras raras de la tabla periódica. Permitirán la construcción de superimanes de boroneodimio, tubos fluorescentes o láser. Desarrollo de los superconductores, basado en la fabricación de nuevos materiales cerámicos.



• 1982: Primer implante de un corazón artificial de un ser humano, fabricado de silicona y látex. Sony CDP-10, el primer compact-disc player comercial, sale a la calle. Supone el comienzo de la desaparición de los discos de vinilo y de las cintas de casete.

• 1983: El primer teléfono móvil, auténticamente móvil, de la historia. Motorola DynaTAC 8000X.

• 1986: Inician la construcción de la estación espacial MIR, que durante 10 años mantuvo permanentemente astronautas en el espacio. Se desarrolla la “piel artificial”. Un material fabricado a partir de células de piel humana intercaladas en estructuras de polímeros.

• 1989: IBM crea microprocesadores más rápidos usando materiales como el SiGe (silicio y germanio). Nintendo Game-Boy. La primera videoconsola portátil de la historia.

• 1990: El telescopio espacial Hubble comienza a funcionar. Comienza la revolución de la nanotecnología: la manipulación de la materia a nivel atómico y molecular.

• 1991: La primera página web de la historia, atribuida a Tim Berners-Lee.



• 1997: El ordenador Deep Blue gana al campeón mundial de ajedrez Gary Kasparov. IBM anuncia el desarrollo de un chip basado en conexiones de cobre entre los transistores, en lugar de las de aluminio que se venían usando. Un cable de fibra óptica de 28000 km de longitud recorre el mundo. Se patenta la manera de usar un microscopio de efecto túnel como un microbrazo capaz de detectar o provocar movimientos micromecánicos. Primer pendrive USB de la historia. Basado en un sistema de memoria RAM portátil. Aparece en el mercado el iPod de Apple. Una revolución en el concepto de distribución musical, posible gracias a la combinación de microchips y discos duros.

• 2002: Entra en funcionamiento el primer tren de levitación magnética (MagLev Transrapid) en Shanghai (China). Alcanza velocidades de 430 km/h.

• 2004: Se desarrolla un chip electro-óptico. Transforma los impulsos eléctricos en luz, con lo que se consigue aumentar la velocidad de transmisión de datos.

• 2007: Aparece el primer papel electrónico en color (e-paper).

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