CIENCIAS PARA EL MUNDO CONTEMPORÁNEO

Nuevas necesidades, nuevos materiales

Nuevas necesidades, nuevos materiales La llamada Ciencias de los materiales, es una rama del conocimiento relativamente reciente. Sus equipos de investigación son multidisciplinares (ingenieros, físicos, químicos, informáticos e incluso biólogos y médicos) y sus elementos de trabajo son los elementos de la tabla periódica.

Nuevas necesidades Los campos en los que más se han creado nuevas necesidades que han hecho necesario el diseño de materiales nuevos han sido: • • • • • •

Aeronáutica Medicina Electrónica Construcciones Material deportivo Medioambiente

CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES FERREOS

ACEROS FUNDICIÓN

METALES Y ALEACIONES NO FERREOS

POLIMEROS

PLÁSTICOS FIBRAS CAUCHOS

CERAMICOS Y VIDRIOS

LADRILLOS TEJAS PORCELANA VIDRIO

MATERIALES

COMPOSITES

NANOCIENCIA

Semiconductores

Material es una sustancia que tiene una utilidad concreta

METALES ALEACIONES FÉRRICAS Su principal componente es el hierro. Las aleaciones férricas se obtienen por la mezcla de un metal que contiene hierro con otro metal o con algún no metal. ACERO Es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 1,76% en peso, alcanzando normalmente porcentajes entre el 3%, admiten forja. Se le pueden añadir otros materiales (manganeso, níquel, titanio, etc) ACERO INOXIDABLE Aleación de acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa, es resistente a la corrosión FUNDICIONES Son aleaciones de hierro y un porcentaje mayor que el 1,76% de carbono (hasta el 6.77% ), estas aleaciones al ser quebradizas y no poderse forjar, se moldean.

¿PARA QUÉ SE PUEDEN UTILIZAR LOS DIFERENTES TIPOS DE ACEROS ? ACERO LAMINADO Se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero.

ACERO CORRUGADO Es una clase de acero laminado usado especialmente en construcción para armar hormigón armado, y cimentaciones de obra civil y pública, se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón.

ACERO FORJADO La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades acero.

ACERO CORTEN En la oxidación superficial del acero corten crea una película de óxido impermeable al agua y al vapor de agua que impide que la oxidación del acero prosiga hacia el interior de la pieza. Esto se traduce en una acción protectora del óxido superficial frente a la corrosión atmosférica, con lo que no es necesario aplicar ningún otro tipo de protección al acero como la protección galvánica o el pintado

ACERO INOXIDABLE Aleación de acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa, es resistente a la corrosión

ALGUNOS METALES NO FÉRREOS

METALES NO FERREOS

CARACTERISTICAS

APLICACIONES

ALUMINIO

Ligero, blando resistente

INDUSTRIA AERONAUTICA, construcción

COBRE

Gran conductividad eléctrica, resistente a la corrosión

cableado

TITANIO

Enorme resistencia mecánica y a la corrosión

Tecnología aeroespacial Medicina

TÁNTALO

Superconductor

Telefonía móvil

ZINC

Resistente a corrosión, bajo punto de fusión

Tejados, revestimientos

COLTÁN

¿Qué es el coltán? Es la abreviatura de la mezcla de Columbita-Tantalita, metal que cuando se refina da lugar a tántalo metálico, resistente al calor que puede aguantar una alta carga eléctrica. Se trata de un recurso estratégico, imprescindible en la fabricación de componentes electrónicos avanzados, se usa principalmente en la fabricación de condensadores.

Tantalio

¿Qué propiedades tiene ? Es un superconductor resistente a la corrosión capacitado para almacenar carga eléctrica temporal y liberarla cuando se necesita Permite que las baterías de los teléfonos móviles mantengan por más tiempo su carga optimizan el consumo de corriente eléctrica. Tiene una alta eficacia volumétrica, ( permite reducir, en forma drástica, el tamaño de los equipos electrónicos), alta fiabilidad y estabilidad sobre una gama de temperaturas amplia (-55°C a 125°C)

¿Qué aplicaciones tiene? Es utilizado en casi la totalidad de dispositivos electrónicos: teléfonos móviles, GPS, satélites artificiales, armas tele dirigidas, televisores de plasma, ordenadores portátiles, medicina (implantes), PDAs, MP3, MP4...

¿Dónde se encuentra? El 80 por ciento del coltán se encuentra en el Congo, el resto se puede encontrar en Tailandia y Australia. Las grandes multinacionales pujan para hacerse con el monopolio de su producción. Para conseguirlo, suministran armas a los señores de la guerra, que explotan a sus conciudadanos pagándoles 20 céntimos al día para que encuentren coltán.

¿Cómo se extrae? El material se extrae a poca profundidad haciendo agujeros en el suelo con palas, se tritura y después y se mete en zonas de lavado, donde el metal se deposita en el fondo por su mayor densidad. Luego se extrae el tantalio y niobio.

¿Qué problemas se derivan de su explotación? 1. BÉLICOS Su explotación en África ha estado, y está, ligada a conflictos bélicos para conseguir el control de este material. El control de las minas ha generado una guerra que ha dejado cerca de 5,5 millones de víctimas. Gran parte de los ingresos de la venta de coltán han servido para comprar armas para los ejércitos y milicias.

2. HUMANOS Más de 10.000 mineros en el Congo recolectan en condiciones infrahumanas arcilla rica en coltán. Mientras un trabajador, que trabaja en las minas extrayendo coltán y que puede llegar a sacar un kilogramo diario del mismo, gana entre 10 $ y 40 $ semanales, ese kilogramo de coltan cotiza en el mercado internacional a 400 $.

3. SALUD El método de extracción es arcaico y junto al coltán aparecen otros minerales radiactivos (uranio, radio…) ante los que los trabajadores se ven expuestos sin ninguna protección, por lo que ha habido una gran cantidad de enfermos por radiación.

3. AMBIENTALES La extracción de coltán tiene consecuencias medioambientales notables: -

La tala de los bosques del Congo (África) para extraerlo la contaminación de los ríos de la zona y grandes lagos la destrucción del entorno el desplazamiento humano y de la especies.

La explotación salvaje de este recurso está provocando la destrucción del hábitat de los gorilas en los ocho parques del Congo la población de gorilas ha descendido un alarmante 90% apenas quedan 3.000 ejemplares

¿DE QUÉ ESTAN HECHOS LOS MATERIALES PLASTICOS? Materiales sintéticos formados por macromoléculas orgánicas llamadas polímeros obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo metacrilato Según su comportamiento frente al calor : polietileno Termoplásticos A temperatura ambiente, es plástico o deformable, se convierte en un líquido cuando se calienta y se endurece en un estado vítreo cuando se enfría suficiente. polietileno, metacrilato, PVC, nailon, rayon

Termoestables

PVC

Son materiales que una vez que han sufrido el proceso de calentamiento-fusión y formación-solidificación, se convierten en materiales rígidos que no vuelven a fundirse. Baquelita (teléfonos, joyas, automóviles, etc) melamina

ELASTOMEROS

Baquelita

polibutadieno,

Capaces de deformarse al ser sometidos a presión y recuperar su forma inicial al cesar la misma. Silicona, polibutadieno, policloropropeno policloropropeno

silicona

Ejemplos de nuevos plásticos: Bioplásticos a base de maíz y otros recursos naturales renovables son generalmente biodegradables. Conductores de la electricidad: Investigadores australianos han demostrado que añadiendo una delgada lámina de metal y mezclándola con la superficie del polímero se pueden desarrollar nuevos plásticos, conductores flexibles, baratos y resistentes. Con nuevas propiedades que impiden el paso, de radiación ultravioleta, campos eléctricos, magnéticos… sin alterar la transparencia de los mismos.: útiles en invernaderos y otras aplicaciones. Para contener alimentos. Los nuevos envases están elaborados con materiales de origen renovable como el almidón, que hacen de barrera para que el oxígeno no traspase el plástico y, por lo tanto, permitir que el alimento que contienen dure mucho más tiempo en perfectas condiciones.

FIBRAS TEXTILES Las fibras textiles son polímeros lineales de alto peso molecular y con una longitud de cadena lo suficientemente grande para ser hiladas. Clasificación según su origen :

Fibras Naturales

Origen Natural- Fibras Naturales (algodón, lana, lino

Origen Artificial (origen natural pero manufacturada) - Fibras Artificiales (rayón) Origen Sintético- Fibras Sintéticas (Gore-tex, nilon, Lycra, elastano) Fibras Sintéticas Fibras Artificiales

FIBRAS DE ORIGEN NATURAL Las fibras obtenidas de una planta o un animal se clasifican como fibras naturales.

De Origen Animal: Proteicas Lana: ovejas Pelos: Cabra, Camélidos, Angora. Seda: gusanos de seda. De Origen Vegetal: Fruto: Algodón, Coco, Tallo: Lino, Yute, Cáñamo. Hoja: Sisal, Esparto.

Algodón,

Yute

Esparto

Lino,

Cabra

Lana

seda

Plásticos de Caseína

Rayón acetato

FIBRAS DE ORIGEN ARTIFICIAL Tipos: •Plásticos Proteicos: Caseína, Lanital.

Rayón Viscosa

•Celulósicas: a) Rayón Viscosa se obtiene a partir de láminas de celulosa de la madera del abeto. b) Rayón acetato •Minerales: Fibra de vidrio, hilo metálico.

Casco de fibra de vidrio

FIBRAS SINTETICAS son termoplásticas, estables, para permitir hilarlas directamente a partir del polímero fundido. CLASIFICACION: -FIBRAS DE NYLON La base para la manufactura es el benceno FIBRAS POLIÉSTER se hacen de grandes polímeros, a partir de la condensación de alcoholes y ácidos orgánicos o de hidroxiácidos.

NYLON

latex

POLIÉSTER

FIBRAS ACRÍLICAS Se hacen por polimerización de radicales de acrilonitrilo en tejidos de punto en lugar de telas, alfombras y tapicerías. FIBRAS ELASTOMÉRICAS procedentes del latex del caucho.

ACRÍLICAS

CERÁMICAS Estos materiales procedentes de arenas y arcillas, no son metálicos ni poliméricos. Son duros, resisten el calor y el ataque químico y adquieren propiedades eléctricas especiales. La investigación busca ahora la solución de su principal defecto: la tendencia que muestran a romperse. Las nuevas cerámicas, alúmina, circonio, carburo de silicio, entre otras, son ahora más duras, ligeras y resistentes al calor, al óxido y la corrosión. Además resultan más baratas, pues la base de su fabricación, arenas, arcillas, etc, se encuentran de manera abundante en la naturaleza.

APLICACIONES DE LAS NUEVAS CERÁMICAS El resultado pueden ser cuchillos y tijeras que mantienen un filo casi diamantino y que pueden durar años sin necesidad de volverlos a afilar, también tazas o recipientes que no se rompen aunque las arrojemos con todas nuestra fuerza contra una pared de ladrillo. En la industria automotriz, principalmente en los Estados Unidos y el Japón, y ya está a la vuelta de la esquina el motor de cerámica, en la que una de sus principales ventajas es la de operar a más altas temperaturas y por lo tanto más eficientes al quemar los combustibles

Otras aplicaciones que se están dando y que tienen un futuro brillante es en la medicina. Un ejemplo de ello y que compite con cualquier otro material como el titanio, por ejemplo, se da en las prótesis.

COMPOSITES Composites o resinas compuestas son materiales compuestos de varios materiales con propiedades diferentes y que forman una nueva sustancia con nuevas propiedades: mayor resistencia, más ligeros, etc. Se crea una matriz con un material que se rellena con otros materiales. Se diferencian dos tipos de componentes: los de cohesión y los de refuerzo. Los componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo manteniendo la rigidez y la posición de éstos. Los refuerzos confieren unas propiedades físicas al conjunto que mejoran las propiedades de cohesión y rigidez. Suelen formar estructuras muy resistentes y livianas, se utilizan en : aeronáutica, fabricación de prótesis, astro y cosmonáutica ingeniería naval, ingeniería civil, artículos de campismo, etc

Composites utilizados desde siempre El adobe, formado por arcilla y paja, es el composite más antiguo que conocemos y que hasta hace poco era utilizado en la construcción de viviendas. Macroscópicamente la arcilla (cohesión) se distingue de la paja (refuerzo) pero la mezcla heterogénea tienen unas propiedades mecánicas mejores de sus respectivos componentes individuales. Otro ejemplo claro lo podemos encontrar en los cimientos de los edificios: hormigón armado con una matriz de acero corrugado. El cemento sería la matriz y el acero corrugado, el material de refuerzo.

NUEVOS COMPOSITES En los nuevos composite, los refuerzos hacen aumentar la resistencia, rigidez, aislamiento eléctrico, resistencia al calor y la estabilidad dimensional del componente de cohesión. Por ello, estos composites superan a los metales, la madera y los plásticos no reforzados, en decenas de millares de aplicaciones en todo el mundo: Medicina Transportes Electro/Electrónica Construcción Civil Consumo/Recreación

Composite sánwiches: vidrios de sguridad. Constan de una lámina de plástico entre dos laminas de vidrio, para que al romperse el plástico mantenga unidas las astillas de vidrio.

Fibra de vidrio: resina de poliester (matriz) y fibra de vidrio (refuerzo)

Fibra de carbono: resina epoxy (matriz) y fibra de carbono (refuerzo)

¿QUÉ ES LA NANOTECNOLOGIA? Es el control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas (nanomateriales). Trabajando con estructuras de menos de 100 nm de tamaño (un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro) permite diseñar, crear, sintetizar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas.

Fuente de energía renovable

El interés de esta tecnología radica en el hecho de que el pequeño tamaño conlleva propiedades físicas y químicas que difieren significativamente de las habituales a mayor escala. Científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Grafeno El grafeno es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Es muy ligero: una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan sólo 0,77 miligramos. Es aproximadamente cinco veces más ligero que el acero. Se considera 200 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono.

Propiedades del grafeno

 Es extremadamente duro: 100 veces más resistente que una hipotética lámina de acero del mismo espesor.  Es muy flexible y elástico.  Es transparente.  Conductividad térmica y eléctrica altas.  Hace reacción química con otras sustancias para producir compuestos de diferentes propiedades. Esto lo dota de gran potencial de desarrollo.  Sirve de soporte de radiación ionizante.  Tiene gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible.  Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones.  Para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de electricidad.  Genera electricidad al ser alcanzado por la luz.  Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de manera que, por ejemplo, no repela el agua o que incluso cobre mayor conductividad.  Se autorrepara; cuando una lámina de grafeno sufre daño y se quiebra su estructura, se genera un ‘agujero’ que ‘atrae’ átomos de carbono vecinos para así tapar los huecos.  En su forma óxida absorbe residuos radioactivos.

Grafeno, el material del futuro Este material se ha hecho relamente famoso cuando los científicos Novoselov y Geim consiguieron aislarlo de la temperatura que lo hacía muy inestable, logrando así el premio Nobel en 2010.

Más aplicaciones del grafeno

Algunas de las aplicaciones de los nanos-materiales TECNOLÓGICAS Los "nanotubos de carbono", uno de los múltiples materiales creados por la nanotecnología, son el material más fuerte conocido por el ser humano: mientras un cable de acero de alta resistencia de 0.56 milímetros de espesor puede soportar un peso de unos 102 Kg., un cable de nanotubos del mismo grosor puede soportar un peso de hasta 15.3 toneladas. Se consideran 100 veces más fuertes y resistentes que el acero, y su peso es 1/6 de su peso. Además, conducen la electricidad mejor que el cobre y son buenos conductores de calor. Actualmente, todos los estudios de nanotecnología se enfocan en estos nanotubos.

ALGUNOS NUEVOS MATERIALES Nuevas necesidades

Nuevos materiales

Ventajas y aplicaciones

Aeronáutica

Cerámicas Composites (con fibra de carbono)

Resistentes al calor Ligeros y resistentes

Medicina

Metales inoxidables Polímeros Plásticos autorreparables Fullerenos

Reparar huesos Vasos sanguíneos Piel artificial Nuevos medicamentos

Electrónica

Silicio Coltán Nanotubos (grafeno)

Superconductores

Construcciones

Composites

Resistentes a terremotos y aislantes Repelen líquidos (sanitarios) Paredes antigraffitis

Cerámicas Nanotecnológicos Material deportivo

Fibra de carbono Polímeros

Gran resistencia y ligereza Aislantes y muy ligeros