Materiales: Una Introducción

Materiales: son sustancias que nos permiten fabricar objetos.

Clasificación de los Materiales

• Materiales Naturales: se pueden obtener directamente del medio ambiente y no implican la transformación de su naturaleza primaria (maderas, rocas, arcillas, etc.)
• Materiales Transformados: sufren algún tipo de elaboración previa a su utilización, es el caso de los derivados del petróleo, del papel y de los tejidos.
• Materiales Sintéticos: son fabricados de forma artificial por el ser humano a través de procesos químicos.

Propiedades de los Materiales

• Térmicas: explican el comportamiento del material con respecto al calor.
• Ópticas: describen el comportamiento frente a la luz.
• Químicas: definen el comportamiento de las sustancias al combinarse con otras.
• Mecánicas: describen cómo reaccionan los materiales al aplicar diferentes fuerzas.
• Eléctricas: basadas en el comportamiento ante un campo eléctrico.

Agrupación de Materiales según sus Propiedades

• Materiales Metálicos: son rígidos pero dúctiles, conducen el calor y la electricidad.
• Materiales Cerámicos: se caracterizan por su baja ductilidad, dureza y fragilidad.
• Polímeros (Plásticos): llamadas macromoléculas.
  • Polímeros Naturales: la celulosa y la quitina.
  • Polímeros Sintéticos: se obtienen a partir de moléculas más pequeñas, ej: el nailon, el celofán, etc.
• Materiales Compuestos: formados por dos o más materiales sin que se produzca reacción química, ej: el cemento.

Los Metales

Los metales se presentan algunas veces de forma pura en la naturaleza; son necesarios los procesos metalúrgicos para extraerlos de los minerales que los contienen. Los subproductos obtenidos en el proceso de extracción se denominan ganga o escoria y son desechados. Actualmente se emplean el hierro, el acero y el aluminio.

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.

El petróleo sustituyó al carbón como principal fuente de energía primaria en el siglo XX. El uso actual del petróleo es la producción de electricidad.

Plásticos o Polímeros

Son materiales orgánicos constituidos por monómeros formadas por átomos de carbono e hidrógeno. Son elásticos, moldeables, unidos a su resistencia y bajo peso.

Clasificación de los Plásticos

• Sintéticos: se elaboran a partir de moléculas que se extraen del petróleo, carbón o gas natural.
• Termoplásticos: formadas por cadenas lineales, se ablandan con el calor lo que permite moldearlos, ej: nailon, PVC, teflón.
• Termoestables: formados por cadenas reticuladas, se degradan con el calor, son frágiles y rígidos, ej: melanina y poliésteres.
• Elastómeros: formados por cadenas lineales y enrolladas entre sí, tienen un elevado grado de elasticidad, ej: neopreno y silicona.

Materiales de las Nuevas Tecnologías

• Aluminio: es un material muy abundante. El aluminio es utilizado hoy en día para la fabricación de latas, papel de aluminio, ventanas, etc. Resiste a la corrosión y es ligero. La principal fuente de obtención de aluminio es el reciclaje.
• Silicio: se trata de un semiconductor, es decir, de un material que no conduce la electricidad a no ser que sea sometido a determinadas condiciones de calor, luz o carga eléctrica.
• Coltán: no se trata de un mineral en sí mismo sino de una abreviatura empleada para designar dos minerales (columbita y tantalita). El tántalo es capaz de almacenar cargas eléctricas y liberarlas en el momento que se necesiten.
• Litio: se extrae a partir de salinas y su minería causa problemas ambientales. Se ha empleado como espesante para grasas lubricantes y actualmente forma parte de las baterías recargables.

Los Materiales que Vienen: Grafeno y Siliceno

El Grafeno: está formado por una lámina delgada de carbono con un solo átomo de grosor; su estructura interna consiste en una red molecular de átomos de carbono, obtenida a partir de grafito que está presente en las minas de los lápices. Es un conductor de la electricidad, se comporta como el cobre, y como conductor de calor; además, su resistencia es hasta 200 veces superior a la del acero. Con el grafeno se podrían construir pantallas conductoras y flexibles.

El Siliceno: es otro nuevo material con una estructura interna en panel de abejas pero constituido por láminas de silicio; comparte con el grafeno muchas de sus propiedades.

El Ciclo de los Materiales

Los materiales que empleamos actualmente dependen de los recursos naturales que existen en nuestro planeta. La mayoría de los materiales no se emplean tal cual los encontramos, sino que deben someterse a un proceso de transformación, de extracción y fabricación, así como un transporte.

El ciclo de un material puede acabar de varias maneras:

• Desecho y acumulación en vertederos.
• Biodegradación que le permite regresar al ciclo natural.
• Reciclaje.

Análisis del Ciclo de Vida (ACV)

Estudia el impacto de un material o producto sobre el medio ambiente desde que se obtienen las materias primas hasta el momento en que se desecha.

Localización y Extracción de los Recursos

Los recursos naturales, ya sean minerales o vegetales, están distribuidos en nuestro planeta de forma desigual. A la hora de obtener materias primas de origen mineral, el ser humano debe instalar minas o canteras. A pesar de que exista petróleo en muchos lugares, los mayores productores se encuentran en Oriente Medio. La distribución irregular de las materias primas en el mundo ha generado un intenso comercio internacional; existen zonas con grandes recursos naturales que no tienen desarrollo industrial y que, por lo tanto, exportan el recurso sin transformarlo; este es el caso del Congo, uno de los mayores productores de coltán.

Transformación y Consumo

La mayoría de las materias primas necesitan cierto grado de transformación. Para obtener el aluminio necesario para fabricar una lata, es preciso extraer alúmina a partir de la bauxita, y es la que consume más energía que reciclar el aluminio. Generalmente, las industrias de transformación se encuentran alejadas de los lugares de extracción, y esto provoca un intenso tráfico de mercancías. El agotamiento de los recursos, el gasto desmedido de energía y el aumento de los residuos es un ejemplo de la basura electrónica.

Repercusiones en un Mundo Global

Gracias a la aparición y el desarrollo de nuevos materiales, la humanidad ha incrementado su calidad de vida; también ha traído mejoras en la salud, por ejemplo, al sustituir tuberías de plomo por tuberías de plástico que no liberan residuos tóxicos. Sin embargo, materiales como el plomo, mercurio y arsénico son metales pesados de alta toxicidad que incluso pueden generar guerras.

Los principales inconvenientes son:

• Del proceso de extracción de materias primas que provoca la deforestación y destrucción de ecosistemas.
• Gasto energético y contaminación por vertidos.
• Materiales que pueden resultar tóxicos para el ser humano.

Sin embargo, también existe el plástico que puede proporcionar varios beneficios para el medio ambiente.

Los Materiales que Vienen

Los requisitos para la innovación en nuevos materiales son:

• Fabricar materiales más ligeros.
• Reducir los costes de fabricación.
• Eliminar los componentes tóxicos.
• Utilizar materiales biodegradables.
• Facilitar el reciclaje como reutilización.

La Nanociencia y la Nanotecnología

La Nanociencia es la disciplina que estudia la materia en la escala de los 100 nanómetros o por debajo de ella; del desarrollo de sus posibles aplicaciones creando materiales y dispositivos se ocupa la nanotecnología.

La tecnología tradicional se basa en manipular la materia a partir de gran escala para obtener objetos cada vez más pequeños, es lo que se conoce como el top-down (de arriba hacia abajo). La gran aportación de la nanotecnología es que permite ir de lo pequeño a lo grande, fabricando materiales a partir de átomos y moléculas; es el bottom-up (de abajo hacia arriba).

De todas las nanopartículas desarrolladas hasta el momento, las más prometedoras podrían ser los nanotubos de carbono, formados por átomos de carbono; estos son fáciles y económicos de fabricar, 10 veces más ligeros y 100 veces más resistentes; además, actúan como conductor o como aislante.

Gracias a su pequeño tamaño, los dispositivos a escala nano pueden detectar enfermedades como el cáncer. Los avances logrados por la ciencia han permitido desarrollar biomateriales que son inocuos para el organismo y que, por lo tanto, se pueden utilizar en implantes y prótesis, evitando que generen rechazo alguno.