De la Materia a los Materiales

El universo está compuesto de aproximadamente 90 elementos diferentes. La clave para comprenderlos reside en el conocimiento acumulado y resumido en la tabla periódica de los elementos químicos. Dimitri Mendeleiev publicó su famosa tabla, dejando espacios para elementos aún por descubrir. La formación de estos elementos ocurre en diversos escenarios: los primeros instantes del universo, el interior de las estrellas, las explosiones de supernovas e incluso en el laboratorio.

Complejidad de su Estructura

• Elementos químicos: Son los «ladrillos» de toda la materia. Existen alrededor de 118 elementos, de los cuales 90 son naturales.
• Compuestos químicos: Son sustancias que no pueden separarse en sus componentes por procedimientos físicos. Las propiedades físicas y químicas de un compuesto son diferentes a las de los elementos que lo forman.
• Mezclas de materiales:
  • Aleaciones: Mezclas artificiales de dos o más elementos o compuestos químicos, creadas para mejorar las propiedades físicas de los componentes (ej. bronce: cobre y estaño; acero: hierro y carbono).
  • Composites: Materiales compuestos por dos o más materiales con propiedades (químicas o físicas) muy diferentes. Juntos, forman una sustancia con propiedades distintas a las de sus componentes por separado.

¿De Dónde Obtenemos los Materiales?

Los materiales se clasifican en:

• Naturales: Madera, granito.
• Transformados: Cambios en algún material natural o mezclas: papel, caucho, cemento, acero.
• Artificiales o sintéticos: Creados a través de procesos físicos o químicos: plásticos, fibras.
• Reciclados: Papel, vidrio.

Propiedades Mecánicas

• Densidad: La madera es menos densa que el agua.
• Dureza: El diamante es el material más duro.
• Tenacidad: Capacidad de soportar golpes sin romperse (ej. acero).
• Ductilidad: Capacidad de formar hilos (ej. metales).
• Fragilidad: El vidrio es un material frágil.
• Maleabilidad: Capacidad de formar láminas finas (ej. aluminio).
• Resistencia a: Compresión, tracción, torsión, flexión.
• Elasticidad: Capacidad de aguantar fuerzas grandes sin romperse (ej. fibra de carbono).
• Plasticidad: Capacidad de moldearse fácilmente sin romperse.

Propiedades Térmicas

• Temperatura de fusión: El wolframio tiene una alta temperatura de fusión.
• Conductividad térmica: La baquelita es un mal conductor térmico (buen aislante).
• Capacidad de dilatación: Utilizada en termostatos.
• Calor específico: Cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una sustancia en 1ºC. Q = mCeT, J/KgCº (ej. platos de barro).

Propiedades Electromagnéticas

• Conductividad eléctrica: Cobre y plata son buenos conductores eléctricos.
• Comportamiento magnético: Capacidad de ser atraído por un imán (ej. aguja de brújula).

Propiedades Químicas

• Resistencia a la corrosión: El acero inoxidable es resistente a la corrosión.

Propiedades Acústicas

• Conductividad del sonido: El porexpán es un buen aislante acústico.

Propiedades Ópticas

• Color: Se utiliza para destacar elementos (ej. señales de tráfico).
• Transparencia: La fibra de vidrio es transparente.
• Reflectividad: Capacidad de reflejar la luz (ej. chalecos de seguridad).
• Índice de refracción: Capacidad de refractar la luz (ej. vidrio de gafas).
• Brillo: Los diamantes tienen un alto brillo.
• Fluorescencia: Utilizada en bombillas fluorescentes.
• Capacidad de polarización de la luz: Utilizada en calculadoras.

Materia Prima

Obtenemos fácilmente materias primas (materiales extraídos de la naturaleza para fabricar productos), pero el acceso a los lugares de obtención puede ser problemático. Los metales no se encuentran en estado puro en la naturaleza.

Para obtener materia prima, necesitamos herramientas, y para estas, metales. La mayoría se obtienen de los minerales (sustancias sólidas compuestas que se encuentran naturalmente en la corteza terrestre, compuestas por un metal y un no metal). La mena es un mineral con cantidades suficientes de metal para ser económicamente rentable.

Los minerales son un recurso limitado y no renovable. Algunos metales se obtienen reciclando y refinando objetos (ej. aluminio, cobre, plomo, acero, estaño).

Sistemas de Extracción de los Metales

Se utilizan el calor (ej. con carbono para obtener zinc, plata, hierro) o la electricidad. Ambos métodos emplean una reacción química de reducción, donde se obtiene el metal puro separado del no metal. Algunos metales, como el oro y el platino, se encuentran en estado nativo.

Electrólisis (Obtención de Metal)

Proceso de ruptura de compuestos químicos mediante electricidad. Es una reacción de reducción para extraer metales (ej. potasio, sodio, calcio, litio, magnesio, aluminio). Se utilizan electrodos de grafito en agua con «sal» disuelta. El cátodo (electrodo negativo) atrae a los cationes (metal) y el ánodo (electrodo positivo) a los aniones (no metal).

NaCl + H₂O => Na⁺_(ac) + Cl^–_(ac)          Na⁺ (catión) + 1e^– => Na (metal)    2Cl^– (anión) – 1e^– => Cl₂ (no metal)

El Acero

Una aleación de hierro y carbono en diferentes proporciones, lo que le confiere diversas propiedades.

• Acero +:
  • Molibdeno: Mantiene la resistencia a altas temperaturas (ej. herramientas de corte).
  • Cobalto: Magnetizable (ej. imanes).
  • Manganeso: Resistente y duro (ej. vías ferroviarias).
  • Níquel y cromo: Resistentes a la corrosión (ej. instrumentos quirúrgicos).
  • Wolframio: Alto punto de fusión (ej. instrumentos de corte).
  • Vanadio: Fuerte y duro (ej. herramientas).

Coltán

Abreviatura de columbita (óxido de niobio, Nb₂O₆) y tantalita (óxido de tántalo, Ta₂O₆). Tiene un alto valor.

• Niobio: Se usa en imanes, micromotores, ordenadores e implantes.
• Tántalo: Se usa en la fabricación de condensadores y baterías.

Natural y Artificial

Un material artificial se fabrica con materia prima proveniente de otras sustancias o materiales que han sido procesados.

Los Plásticos

La plasticidad permite moldear fácilmente los materiales. Están formados por monómeros, que a su vez forman polímeros (polimerización).

La Parkesina

Primer material sintético de la historia, creado por Alexander Parkes. Era rígido, opaco, flexible, resistente al agua, coloreable, trabajable con metales, estampable por compresión y laminable.

El Papel

Se obtiene de la planta Cyperus papyrus (papiro). La celulosa es una fibra natural flexible y aglutinable que forma láminas.

1. Sosa cáustica: Na₂SO₄; sulfato de sodio: NaOH y carbonato de calcio: CaCO₃.
2. Se blanquea la pulpa.
3. Se añaden consolidantes, colas y otros productos.
4. Se forman bobinas.

Problemas: Deforestación (3 millones de m³), consumo de agua, contaminación de ríos, consumo de energía (4% de la energía eléctrica).

Soluciones: Cadena de custodia, uso de materias primas alternativas, plantación y tala controlada (menor CO₂), ciclos cerrados de agua con depuradoras, reciclaje de papel.

Futuro: Nuevos materiales, reducción en el consumo.

Nanotecnología

La nanociencia estudia todos los aspectos científicos a escala nanométrica. Utiliza microscopios de efecto túnel para manipular átomos y fabricar sustancias y piezas de máquinas a tamaño atómico. El microscopio de efecto túnel, inventado por Gerd Binning y Heinrich Rohrer, permite estudiar la estructura de una superficie con una aguja que la recorre a una distancia fija.

El Mundo del Carbono

El carbono es un elemento esencial y abundante. Sus propiedades varían según los enlaces de sus átomos. La fibra de carbono (0.005 mm) está formada por cristales que se unen para formar fibras, que luego se entrelazan para crear tejidos.

Aplicaciones Nanoscópicas, el Futuro Inmediato: Fulerenos

Un fulereno es una molécula formada por C₆₀. Ejemplos: buckyball (1 nm), nanotubo (nm), nanocables, nanointerruptores.

El Futuro: La Nanotecnología

La nanotecnología es una ciencia aplicada que diseña, fabrica y aplica materiales y aparatos a escala nanométrica (10^-9 m). Es multidisciplinar, ya que abarca todas las disciplinas científicas y las que están por crearse. Implica la manipulación de átomos en todas las ingenierías.

Revolución: Nuevos sistemas de producción, mejora de la producción, impacto en todas las industrias, materias primas baratas, transformación global.

La Nanotecnología a Nuestro Alrededor

• Aplicaciones eléctricas: Baterías flexibles de nanotubos de carbono, LED.
• Aplicaciones en la electrónica: Nanochips.
• Aplicaciones en medicina y farmacia: Buckyballs.
• Aplicaciones en la industria textil: Tejidos que repelen líquidos (materiales vegetales).
• Aplicaciones en arquitectura y urbanismo: Recubrimientos, vidrios fotocrómicos, cerámica.

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