Tema 6. Nuevos materiales

Ciencia de los materiales

Hay un paralelismo entre los materiales que ha utilizado la humanidad y su progreso. Hoy en

día la ciencia de los materiales permite cubrir las nuevas necesidades que el desarrollo va

demandando.

La idea fundamental es la estrecha relación que existe entre composición química y estructura

por una parte y propiedades por otra tal como indica el siguiente esquema

Este esquema nos indica que en las propiedades de un material influye su composición: este el

caso del acero ( Fe con un 0,2-0,3% de C) o la fundición (Fe con un 2 a 3 % de C).

Pero también es muy importante su estructura. Así por ejemplo tenemos el caso del C

(diamante) y el C(grafito). Ambos son idénticos en composición,(C puro), pero tienen

estructuras cristalinas muy distintas. Así el diamante es aislante y transparente y el grafito

opaco y conductor.

Otro ejemplo de la importancia de la estructura en las propiedades lo tenemos en los

esteroisómeros con distinta actividad biológica. Los esterómeros son sustancias con la misma

fórmula molecular, mismos enlaces entre sus átomos, pero con distinta orientación en el

espacio.

Propiedades de los materiales

Como hemos dicho el uso de un material se debe a sus propiedades. De forma general estas

propiedades las podemos clasificar en:

Propiedades mecánicas:

- Dureza: resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro. Escala de Mohs(1-10). Lo

contrario de duro es blando

- Fragilidad: facilidad con que un cuerpo se rompe con un choque. Lo contrario es

tenacidad

- Elasticidad: capacidad de los cuerpos de volver a su estado natural al ser

deformado. Lo contrario ces plasticidad

- Maleabilidad: facilidad de un material para ser extendido en láminas sin

romperse. (Los metales suelen ser maleables)

- Ductilidad: facilidad de material para ser extendido en hilos. (Muchos metales, el

Cu por ejemplo, son dúctiles)

Propiedades ópticas:

- Brillo: se refiere al modo de reflejar la luz una superficie de un material. Por

ejemplo el característico brillo de los metales

- Color: sensación visual relacionada fundamentalmente con la frecuencia de la luz

reflejada o transmitida.

- Transparencia: se refiere a la poca absorción de la luz por un material. Los

materiales pueden ser: transparentes; traslúcidos y opacos

- Luminiscencia: luz que emite un cuerpo independientemente de su

temperatura. Podemos decir que es una luz “fría”. Entre otras tenemos:

fluorescencia;fosforescencia;triboluminiscencia;termoluminiscencia y

quimioluminiscencia)

Propiedades magnéticas y eléctricas:

- Conductividad eléctrica: Capacidad de conducir la electricidad, ( y también el

calor). Los metales son los únicos conductores en estado sólido. Los aislantes no

conducen la corriente. Los semiconductores son sustancias cuya conductividad

es intermedia entre la de un metal, (muchísimo mayor) y la de un aislante

- Ferromagnetismo: Los materiales ferromagnéticos son atraídos por los polos de

un imán. Este es el caso del acero.

Propiedades químicas: Muchos materiales se utilizan por sus propiedades químicas. Bien de

una forma activa como el uso de una lejía para limpiar o pasiva en el caso del teflón para

evitar la corrosión. Dentro de las propiedades químicas podemos considerar la actividad

biológica de las sustancias o materiales,(biocompatibilidad)

Aleaciones

Es una mezcla de metales de composición variable. Por tanto no se trata de un compuesto. Sus

propiedades variarán con su composición. Para comprender como se obtiene una aleación

estudiemos dos ejemplos concretos:

- Aleaciones sustitucionales: Podemos imaginar la estructura cristalina interna de

un metal como formada por sucesivas capas de esferas. Cada esfera estará

rodeada por doce esferas, seis de su misma capa y tres y tres de las capas

superior e inferior respectivamente. Podemos ahora sustituir algunos átomos de

la red metálica por otros átomos distintos sin causar gran distorsión en la

estructura si el tamaño del átomo sustituto es parecido. Un ejemplo de este tipo

de aleaciones lo tenemos en el oro comercial de 18 quilates, donde de cada 24

átomos de la red hemos sustituido 6 átomos de Au por 6 de Cu.

- Aleaciones intersticiales: Entre las sucesivas capas de esferas de la estructura de

un metal quedan pequeños huecos, (octaédricos, tetraédricos y cúbicos), donde

pueden ser alojados átomos pequeños. Este es el caso del acero donde en la red

del Fe colocamos los pequeños átomos de C

Por su importancia vamos a tratar con un poco más de detalle el caso del acero. De la misma

forma que el C puro se presenta en la naturaleza con dos estructuras cristalinas distintas,(

diamante y grafito), en el caso del Fe tenemos tres estructuras distintas, cuya estabilidad

relativa depende de la temperatura y presión. El Fe y el C forman un auténtico compuesto

químico de fórmula Fe3C,(cementita). Cuando calentamos el acero y enfriamos a continuación

la estructura del mismo va cambiando al hacerlo el tipo de F existente y su relación con el C

intersticial y la estructura de la cementita. Esto explica la importancia que tiene en las

propiedades del acero los tratamientos térmicos a los que es sometido. Entre estos debemos

citar: templado,(calentando el acero a una temperatura entre 700 y 1000 ºC y luego enfriando

rápidamente) y revenido,(tratamiento térmico posterior al temple para corregir los defectos

estructurales producidos por el templado). Con estos tratamientos térmicos se consiguen

aceros más duros y tenaces.

Pero el mundo del acero ha cambiado totalmente en los últimos tiempos al aparecer los

aceros especiales de muchísimos tipos: en estos además de Fe y C están presentes otros

elementos. Como ejemplos podemos citas: acero inoxidable, con Cr y Ni; aceros al W, de gran

dureza incluso en caliente.

Hormigón

El mundo de la construcción y arquitectura modernas sería impensable si se dispusiera de

muchos tipos distintos de hormigón.

El hormigón se puede definir como el resultado de la mezcla de cementos, áridos y agua. Al

añadir el agua se produce el fraguado, y la formación de silicatos complejos de gran dureza y

resistencia química.

El cemento es el resultado de mezclar arcilla y caliza;( proporción 1:4) finamente divididos.

El cemento actual es cemento portland. Para fabricar este cemento la materia prima de

proporción adecuada es calentada en un horno rotatorio,(klin). El clinker obtenido puede ser

guardado en ausencia de agua durante años. A esto se le añade algo de yeso y se muele

finamente para su comercialización.

Después del fraguado el hormigón obtenido responde muy bien a los esfuerzos de compresión

pero no a los de flexión ,tracción y cortante por lo que se usa mezclado con acero,( hormigón

armado).

Además se pueden añadir sustancias para modificar sus propiedades: colorantes; aceleradores

y retardadores del fraguado; fluidificantes; impermeabilizantes, fibras,… etc

La fabricación de cemento es de alto consumo energético por kg de material obtenido, y por lo

tanto contribuye poderosamente a la emisión de CO2

Polímeros artificiales

Como su nombre indica mediante la polimerización obtenemos una sustancia compleja

(polímero) mediante otra más simple.

Desde un punto de vista químico la reacción de polimerización puede ser de dos tipos:

- Polimerización por adición: Normalmente autoadición a un doble o triple enlace

carbono- carbono. Por ejemplo: n(CH2=CH2) → [-CH2-CH2-]n. En este caso como el

monómero se llama etileno el polímero se denomina polietileno

- Polimerización por condensación: En este caso para unir dos moléculas de

monómero se elimina una molécula de agua. Este es el caso de la poliamida y el

poliéster

El control estéreo de estas reacciones ha permitido controlar las propiedades del polímero.

Este el caso de la obtención de la seda artificial

Por su comportamiento frente al aumento de temperatura los podemos clasificar en:

- Termoestables: Al calentarse pasan al estado líquido pero al enfriarse las

cadenas del polímero forman una red tridimensional muy frágil y quebradiza. No

son por lo tanto reutilizables

- Termoplásticos: En este caso las cadenas no se unen entre sí lo que permite su

reutilización

Por sus propiedades mecánicas podemos distinguir entre fibras, (polímeros no extensibles) y

elastómeros (polímeros extensibles).

Según su velocidad de enfriamiento podemos obtener polímeros amorfos,(transparentes) o

cristalinos,(opacos).

El problema ambiental creado por el uso de los materiales plásticos puede ser resuelto

mediante el reciclado y reutilización o el uso de plásticos biodegradables.

Materiales cerámicos y composites

Hasta hace unos 40 años los materiales cerámicos estaban constituidos principalmente por

arcilla y otros silicatos y su fabricación estaba basada fundamentalmente en conocimientos

empíricos. A partir de los años 70 del siglo XX surge una nueva generación de cerámicas,(

óxidos, carburos, nitruros de aluminio ,silicio y boro).Tienen una gran pureza. Las cerámicas

tradicionales se usan principalmente en construcción. Por el contrario las nuevas cerámicas

tienen su uso específico en las nuevas tecnologías. En particular, las propiedades eléctricas,

magnéticas y ópticas han sido explotadas en muchas aplicaciones: motores y turbinas; placas

para blindajes,…etc.

Los composites están formados por dos o más materiales no miscibles que manteniendo su

identidad diferenciada incluso a nivel microscópico, dan lugar a un material

macroscópicamente homogéneo. El producto final tiene propiedades

mecánicas,(resistencia,flexibilidad,dureza…)superiores a los componentes por separado.

Se denomina matriz al elemento más abundante y refuerzo al elemento que está en menor

proporción.

- Las matrices están caracterizadas por el tipo de material. Hoy en día las hay de

carácter polimérico, metálico o cerámico.

- El refuerzo debe de tener unas características químicas y forma geométrica

determinada. Según su geometría podemos clasificarlos en partículas, fibras o

láminas

Actualmente estos materiales son tecnológicamente muy avanzados. Se usan en la fabricación

de equipamientos deportivos, componentes de vehículos, prótesis,…etc.

Un material compuesto de gran popularidad es la fibra de carbono. En este caso la matriz es

una resina y el refuerzo son fibras de carbono obtenidas “in situ”a partir de poliacrilonitrilo en

un proceso lento y costoso. Entre sus propiedades destacan: carácter ignífugo, aislante térmico

,baja densidad y gran elasticidad y sin embargo tiene una gran resistencia mecánica

Nuevos materiales para el siglo XXI

Entre los nuevos materiales del siglo XXI citaremos: biomateriales, superconductores y

materiales inteligentes.

- Biomateriales: son aquellos materiales que pueden ser incluidos en algún

implante o prótesis. Por ejemplo prótesis articulares con recubrimiento de

nitruro de silicio de enorme dureza, acabado muy pulido y rozamiento mínimo

que han permitido aumentar la vida de las tradicionales de acero inoxidable o de

aleaciones avanzadas.

http://www.aecientificos.es/empresas/aecientificos/documentos/Biomateriales.

pdf

- Superconductores: materiales en los que por debajo de una temperatura, (

temperatura crítica)desaparece su resistencia eléctrica. Por lo tanto el paso de

una corriente eléctrica no produce un efecto térmico. Esto posibilita mantener

una corriente en un conductor sin casi consumo energético. El descubrimiento

de cerámicas superconductores con temperaturas críticas por encima del

nitrógeno líquido, (-195,8ºC) hace que la superconductividad pueda tener

muchas aplicaciones prácticas. Entre estas citaremos: transporte ferroviario,

equipos de rmn , transporte de energía eléctrica, levitación magnética…etc.

- Materiales inteligentes: así denominados por su capacidad de responder

autónomamente a un estimulo externo. Como ejemplos de materiales

inteligentes tenemos: a)materiales piezoeléctricos capaces de cambiar de

forma por un impulso eléctrico o al contrario,(polímeros piezoeléctricos);

b)materiales con memoria polímeros que cambian de forma al alcanzar una

determinada temperatura ;c)vidrios inteligentes: fotocrómicos, termocrómicosy

electrocrómicos

El futuro: la nanotecnología

La nanotecnología trata del estudio, diseño y creación de materiales y dispositivos a través del

control de la materia a escala nanométrica ,( 1nm = 10-9

m). Lo más habitual es que la

manipulación se produzca en el rango entre 1 y 100 nm. Los sistemas nanométricos

comprenden desde unas decenas a centenas de átomos y moléculas.

La materia a esta escala puede presentar propiedades sorprendentes.

En 1985 un grupo de investigadores observaron que al vaporizar carbón mediante irradiación

laser, en atmósfera de gas inerte, al ser enfriado lentamente se formaban agregados de

átomos en forma de balón de futbol. Estas moléculas que suponen otra forma distinta que

diamante y grafito del C puro, fueron denominadas fullerenos. Poco más tarde estos

investigadores empleando fullerenos fueron capaces de construir delgadas estructuras

tubulares de varios miles de átomos, denominadas nanotubos.

La nanotecnología es esencialmente multidisciplinar. Se ha convenido en dividirla en dos áreas:

- Nanotecnología seca: que utiliza materiales inorgánicos

- Nanotecnología húmeda: que trata de utilizar estructuras orgánicas,( ADN,

enzimas…)

Las repercusiones se espera sean considerables en todas las áreas de la industria y vida

cotidiana. Como por ejemplo: En informática, con el diseño de memorias del orden del Tbyte;

en medicina podrían construirse dispositivos diminutos, que al recorrer el cuerpo humano,

pudiesen detectar y controlar algunas enfermedades; en la industria para diseñar materiales a

la carta o dispositivos que aprovechen la energía de forma más eficaz.

http://es.wikipedia.org/wiki/Nanotecnolog%C3%ADa

http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia.htm