Evolución de los Materiales: De la Prehistoria a la Actualidad

Edad de Piedra

En la Edad de Piedra, al golpear dos piedras, estas se fracturaban dejando bordes muy afilados con los que se podía cortar ramas, alimentos, etc. Con el tiempo, estas técnicas se fueron perfeccionando, dando lugar a la aparición de hachas. Se trabajó en túneles y apareció la minería. Dos avances muy importantes fueron el desarrollo de la alfarería y el de la metalurgia.

Edad de Bronce

Las piedras coloreadas usadas para decorar se fundían en un horno, dando como resultado un nuevo material: el cobre metálico. Este material se podía moldear golpeándolo para formar puntas de flecha. Aunque no eran tan afiladas como las piedras, presentaban ciertas ventajas:

• Eran menos frágiles.
• Se podían fabricar de mayor tamaño.
• Podían adoptar formas diferentes.

Posteriormente, se mejoraron sus propiedades agregándole estaño, formando lo que ahora conocemos como bronce. Esto supuso dos ventajas adicionales:

• Se funde a menor temperatura.
• La tenacidad era mayor.

Clasificación de los Materiales

• Materias primas: Se encuentran en la naturaleza.
• Materiales transformados: Resultan de la evolución de las materias primas en materiales útiles.
• Materiales sintéticos: Se obtienen mediante procesos artificiales de transformación.

Criterios para la Elección de Materiales

Existen diferentes criterios para elegir el material más idóneo para una aplicación concreta:

• Propiedades: Térmicas, eléctricas, mecánicas, magnéticas, ópticas, químicas, sensoriales.
• Formas de trabajarlos: Posibilidad de mecanización, facilidad de trabajo, estudio sobre los medios necesarios para su manipulación.
• Provisión: Abundancia, recursos que utiliza, posibilidad de sustitución por otro material.
• Precio: Valor económico, existencia de alternativas más económicas con características similares.
• Medio ambiente: Contaminación que produce, toxicidad, biodegradabilidad.

Metales: Propiedades y Clasificación

Los metales son elementos químicos presentes en la corteza terrestre.

Propiedades de los Metales

• Dureza: Resistencia a ser rayado.
• Elasticidad: Capacidad de recobrar su forma original al cesar la fuerza que provoca la deformación.
• Tenacidad: Capacidad para soportar golpes bruscos sin deformarse.
• Maleabilidad: Propiedad de ser transformado en finas láminas mediante presión.
• Ductilidad: Propiedad de poder ser estirado en hilos.
• Resistencia mecánica: Capacidad para resistir esfuerzos de tracción sin deformarse.

Clasificación de los Metales

• Metales férricos: Contienen hierro. Los productos elaborados a partir del hierro reciben el nombre de productos siderúrgicos, como el acero.
• Metales no férricos: No contienen hierro. Se clasifican según su densidad en:
  • Metales pesados: Bronce.
  • Metales ligeros: Aluminio.
  • Metales ultraligeros: Magnesio.

Titanio: Un Metal con Futuro

El titanio es tan duro como el acero, pero un 45% más ligero. Pesa un 60% más que el aluminio, pero lo duplica en cuanto a resistencia mecánica. Además, posee una elevada resistencia a la corrosión.

Actualmente, se está invirtiendo mucho dinero para desarrollar métodos de fabricación más baratos. Su relación entre bajo peso y alta resistencia lo convierte en un material clave para el desarrollo de la tecnología aeroespacial (cohetes, estructuras, tanques de combustible, etc.).

Usos del Titanio

• Aeronáutica: Aviones comerciales modernos.
• Medicina: El titanio no es tóxico para el cuerpo humano y no genera reacciones de rechazo, por lo que se utiliza en implantes y reparación de fracturas óseas.

Piezoelectricidad: Innovación en Diversos Campos

La piezoelectricidad se está aplicando en la última generación de esquís para disminuir el riesgo de caídas. También se investiga en el desarrollo de músculos artificiales para prótesis de piernas y brazos, así como en relojes de cuarzo, encendedores electrónicos y mecheros eléctricos.

Materiales Superconductores y Superplásticos

Estos materiales presentan dos propiedades destacadas:

• Conducen la corriente eléctrica sin resistencia, es decir, sin pérdida de energía.
• Permiten el transporte de grandes cantidades de energía sin pérdidas, lo que es útil en equipos de resonancia magnética y trenes de levitación magnética.

Materiales para el Espacio

Entre los materiales desarrollados para aplicaciones espaciales, podemos citar materiales porosos, materiales compuestos y multicapas cerámicas reforzadas por fibras.

Las investigaciones en este campo incluyen:

• Membranas ligeras y resistentes para proteger a los astronautas.
• Materiales ópticos que mejoren la fiabilidad de los satélites.
• Polímeros delgados y flexibles que resistan los impactos de micrometeoritos y faciliten la construcción de grandes antenas plegables.
• Lentes y espejos plegables que capten la energía solar.

Polímeros: Versatilidad y Aplicaciones

Los plásticos, las fibras textiles, los cauchos y las siliconas son polímeros, grandes moléculas formadas por la repetición de unidades más simples. Poseen una masa molecular que puede alcanzar millones de umas y suelen ser químicamente simples.

Propiedades de los Polímeros

Destacan su notable plasticidad, elasticidad y resistencia mecánica, junto con su alta resistividad eléctrica y su baja reactividad ante la mayoría de sustancias. Algunos polímeros son tan duros y resistentes que se usan como materiales de construcción o recubrimiento en misiles.

Nanotecnología: La Revolución a Escala Atómica

La nanotecnología es la ciencia que se utiliza para fabricar y controlar estructuras y máquinas de tamaño molecular, construyendo nuevos materiales átomo a átomo. Su unidad de medida es el nanómetro.

Ramas de la Nanotecnología

• Nanotecnología seca: Fabricación de estructuras de carbono, electrónica, magnetismo y dispositivos ópticos.
• Nanotecnología húmeda: Centrada en procesos biológicos en entornos acuosos, incluyendo organismos vivos cuyas formas son gobernadas por interacciones a escala nanométrica.
• Nanotecnología computacional: Modelado y simulación de estructuras complejas a escala nanométrica, manipulación de átomos con nanomanipuladores controlados por ordenadores.

Sistemas en Desarrollo Basados en Nanotecnología

• Sistemas de almacenamiento ultrapequeño basados en nanoimanes.
• Nanoordenadores: investigaciones con moléculas orgánicas.
• Pantallas flexibles con nanotubos: pantallas de TV y monitores extremadamente planas y flexibles.
• Aplicaciones médicas: diseño de máquinas moleculares más pequeñas que las células.
• Aplicaciones energéticas: diseño de colectores solares.
• Aplicaciones espaciales: vehículos y estaciones espaciales superresistentes.
• Colaboración contra el deterioro del medio ambiente: reemplazo de recursos no renovables.

Factores que Impulsan el Desarrollo de la Industria de Materiales

• Necesidad de economizar energía.
• Urgencia de conservar el medio ambiente.
• Conveniencia de disminuir el consumo de materiales estratégicos.
• Surgimiento de nuevas necesidades en la industria, motivadas por la demanda de la sociedad de consumo.
• Necesidad de aumentar la competitividad en los mercados.

Materiales Estratégicos

Se consideran materiales estratégicos aquellos que:

• No se producen o no se obtienen en cantidades suficientes.
• Son esenciales para la producción industrial.
• Tienen pocos o ningún sustituto y su reciclado es difícil.
• Su producción está concentrada en un número restringido de países.

Fases de Investigación de Nuevos Materiales

1. Aplicación de conocimientos interdisciplinarios para caracterizar los nuevos materiales, controlando sus propiedades a nivel macroscópico y microscópico.
2. Desarrollo de métodos y técnicas para la producción a escala industrial de los nuevos materiales.
3. Investigación de nuevos usos y aplicaciones para optimizar el proceso de investigación previo.

Factores Clave en la Investigación de Materiales

• Ahorro de energía en los procesos de fabricación.
• Eliminación de residuos dañinos para el medio ambiente y la salud.
• Sustitución de materiales estratégicos.
• Aumento de la competitividad industrial.
• Economía en el empleo de materiales por el aumento de la duración.
• Reciclado de materiales.
• Mejor aprovechamiento de los recursos.

Extracción de los Metales

Los metales no suelen encontrarse en estado puro en la naturaleza, sino como parte de minerales en yacimientos. Del material extraído se diferencia la mena (metal aprovechable) y la ganga (material no aprovechable).

Las instalaciones para la extracción se llaman minas.

Tipos de Minas

• Minas subterráneas: Explotaciones mediante galerías en el interior de la tierra. Constan de pozos verticales y galerías horizontales que forman una red subterránea para la extracción y transporte del material. La extracción se realiza mediante perforación y voladura.
• Explotaciones a cielo abierto: Minas en la superficie terrestre. Se utiliza maquinaria pesada para la extracción y transporte del material, organizándose mediante terrazas.

Metales No Férricos: Características y Aplicaciones

• Cobre: Excelente conductor del calor y la electricidad, muy dúctil, maleable y resistente a la oxidación. El reciclaje del cobre está muy implantado, representando más del 20% del cobre utilizado. Se usa en conductores eléctricos, elementos de cocina, cañerías y placas de circuitos impresos. Se alea con muchos metales.
• Bronce: Aleación de cobre y estaño (hasta un 35% de estaño). El porcentaje de estaño influye en el color y la tonalidad. Se usa en bisutería, joyería, monedas y elementos mecánicos como engranajes y cojinetes.
• Latón: Aleación de cobre y zinc. Muy dúctil, maleable, con alta resistencia mecánica y a la corrosión. Se usa en tornillería, construcción naval, etc.
• Estaño: Metal plateado, muy blando, dúctil y maleable. Se funde a bajas temperaturas, por lo que se usa en soldaduras de electrónica y fontanería. También se emplea en la fabricación de hojalata.
• Zinc: Metal blanco azulado, frágil y maleable. En condiciones secas no se oxida. En presencia de humedad y CO2, se recubre de una capa de carbonato de zinc que lo protege de la oxidación. Se utiliza en cubiertas de edificios, chapa galvanizada, canalones, tuberías, etc.
• Aluminio: Metal blanco, maleable, admite el pulido y es fácil de trabajar. Se oxida rápidamente al aire, pero la capa de óxido lo aísla del exterior e impide la oxidación interna. Buen conductor del calor y la electricidad. Su ligereza y la posibilidad de alearse con otros elementos para mejorar sus propiedades lo convierten en uno de los metales más utilizados.

Metales Férricos: Características y Aplicaciones

• Acero: Aleación de hierro con un porcentaje de carbono inferior al 1,76%. Material grisáceo, muy resistente, dúctil, maleable, tenaz y mecanizable. Se usa en estructuras, máquinas, alambres, chapas finas, herramientas, tornillería, raíles, etc.
• Fundiciones: Más grisáceas que los aceros. Permiten obtener piezas de geometría complicada, con mayor resistencia a la corrosión y facilidad para la transmisión del calor. Sin embargo, tienen baja resistencia a los choques, son poco dúctiles y difíciles de soldar.