1.  Materialesysuclasificación2.  Obtencióndelosmateriales3.  Propiedadesdelamateria4.  Metales

•  Extracciónyobtencióndelmetalpuro•  Coltán•  Nuevosmaterialesmetálicos

5.  Polímeros•  Celulosa•  Plásticos

6.  Materialescerámicos7.  Composites8.  NanocienciayNanotecnología

•  Concepto•  Ejemplosyaplicaciones

o  Nanocompuestosdecarbonoo  Zeolitas

•  Microscopiodeefectotúnel

Losmaterialesysuclasificación

Materiaestodoaquelloquetienemasayocupaunlugarenelespacio.Todaslascosasqueconocemosestánformadaspormateria,ylamaterialaclasificamosenelementos,compuestos,mezclashomogéneasymezclasheterogéneas.

Perodesdeelpuntodevistatecnológicolosmaterialesseclasificanen4grupos:

• Materialesmetálicosbuenaspropiedadesmecánicas,peropocaresistenciaalacorrosión.Porejemplo:titanio,nuevasaleaciones,etc.

• MaterialespoliméricosBuenamaleabilidadydeformabilidad,perosedegradan.Porejemplolosplásticos.

• MaterialescerámicosDurezafrentealrayado,perofrágilesantegolpes.Porejemploelbarrodelosladrillosycerámicas.

• Materialescompuestos(composites)Suspropiedadesdependendelosmaterialesempleados.Porejemplocemento,asfalto,empastes,etc.

Obtencióndelosmateriales

Losmaterialespuedenclasificarsesegúnsuprocedencia,yasípodemosencontrarnos:

• Materialesnaturales,seobtienendirectamentedelanaturaleza:granito,madera,etc.• Materialestransformados,seobtienentransformandoalgúnmaterialnaturalomezclandovarios:papel,cauchovulcanizado,cemento,hacer,etc.• Materialesartificialesosintéticos,queseobtienencomoproductosdeprocesosquímicosofísicos:plásticos,fibrasartificiales.,etc.• Materialesreciclados,queseobtienenapartirdeobjetosdelmismomaterialusados:papel,vidrio,plásticos,etc.

Obtencióndelosmateriales

UnejemplodetransformacióndeunmaterialnaturaleseldeVULCANIZACIÓNDELCAUCHOparafabricarneumáticos.

Elcauchoesunagomapegajosaqueseobtienedelárboldellátex.Estagomaalsolidificarseseutilizabaparafabricarobjetos,perosevolvíaquebradizaconaltasybajastemperaturas.

En1839CharlesGoodyeardescubrióquealmezclarloconazufreycalentarlo,lamezclaqueseobtenía,unavezsolidificada,eramásresistentealatemperatura,yasípudoemplearseenlafabricacióndeneumáticos.

Propiedadesdelosmateriales

Cuandoutilizamosunmaterialparalafabricacióndeunobjetocualquiera,lohacemosporqueposeeunaseriedepropiedadesquehacenqueesematerialseaeladecuado.Porejemplo,parafabricarunabroca,usaremosunmaterialquesearesistenteycompatibleconelmaterialaperforar.

 Propiedadesmecánicas:• Densidad:eselcocientedelamasaentreelvolumendeuncuerpo.• Dureza:eslaresistenciaaserrayado.LaescaladeMohsdescribeladurezadelosmaterialesde1a10.Elmásduroeseldiamante.• Fragilidad:eslafacilidadpararomperseconungolpeseco.Algunosvidriossefabricanconincrustacionesdeotrosmaterialesparadisminuirsufragilidad.• Maleabilidad:eslacapacidadparaestirarseenláminasfinas.Porejemploelaluminioyeloro(pandeoro).• Ductilidad:eslacapacidaddeestirarseenhilosmuyfinos.Elcobreesmuydúctilyseusaparahacerloscableseléctricos.• Elasticidad:eslaresistenciaparaaguantarfuerzasgrandessinromperse.Porejemplo,lafibradecarbono.• Plasticidad:quesepuedemoldearsinromperse.Elejemplotípicoeslaplastilina.

Propiedadesdelosmateriales

Propiedadesdelosmateriales

 Propiedadestérmicas:• Temperaturadefusión:eslatemperaturaalaquepasadesólidoalíquido.AlgunosmetalescomoelWolframioresistenhastalos3200ºC,yseusanenlosfilamentosdelasbombillas.• Conductividadtérmica:eslafacilidadparatransmitirelcalor.Losmetalessonbuenosconductorestérmicos.• Calorespecífico:eselcalorquehayquedarleparaquesutemperaturaaumente1ºC.Porejemplo,losplatosdebarrotienenuncalorespecíficoaltoyconservanelcalordelacomidabien.

Propiedadesdelosmateriales

 Propiedadeselectromagnéticas:• Conductividadeléctrica:facilidadparatransmitirlacorrienteeléctrica.Losmetalessonbuenosconductores.• Comportamientomagnético:haymaterialesquesonatraídosporunimán,mientrasqueotrosno.Porejemploelhierro(sí)yelaluminio(no).

 Propiedadesacústicas:segúnsisonbuenostransmisoresdesonidooaislantes.Porejemplo,elporexpanseusaparaaislamientosacústicosenlascasas.

 Propiedadesquímicas:algunosmaterialesresistenalacorrosiónmejorqueotros.Porejemploelaceroinoxidableresistemásqueelacerooelhierro.

Propiedadesdelosmateriales

 Propiedadesópticas:• Color• Transparencia:porejemplo,lafibradevidrioesmuytransparenteylaluzpuedeviajarkilómetrossinatenuarse,poresoseusaencomunicacionesyenendoscopios.• Reflectividad:eslacapacidadparareflejarlaluz,comolaquetienenlosplásticosusadosenloschalecosreflectantes.• Índicederefracción:indicacuántosedesvíalaluzalpasaratravésdeesematerial.Esaesunapropiedadmuyútilparaconstruirlentes.

Metales

LosmetalessonloselementosmásabundantesenlaTierra,peroraravezseencuentranpuros.Normalmenteseencuentrancombinadosconotroselementosformandominerales.

Unmineralquecontienecantidadsuficientedelmetaldeinterés,sellamamena.Losyacimientosdemineralestánformadosporlamenaylaganga,queeslapartequenocontieneelmetaldeinterés.

Paraextraerelmetaldelamena,hayquerealizarunareaccióndereducciónyseusansobretododosprocesosindustriales:lareducciónconcalorolaelectrolisis.

Metales

1.  Reducciónconcalor:eslaqueserealizaenlosaltoshornos.Consisteenmezclarelmineralconcarbónyconpiedracaliza,enunhornomuyalto,ycalentarlo.Alfinalseobtieneelmetalfundidoenelfondodelhorno,dedondeserecogeparadarleforma.

EnlaobtencióndeHierro,enelfondodelhornoseobtieneHierromezcladoconcarbón,queeselacero.Elcarbonoleproporcionaalhierromásdurezayflexibilidad.Enlaantigüedadyaseempleabaelaceroenlugardelhierroparafabricarespadas,quesetrabajabanenlasantiguasfraguas.

Metales

• Laelectrolisisoreducciónmedianteelectricidadserealizadisolviendoofundiendoelmineralenunavasija,enlacualseintroducenunpardeelectrodosconectadosaunafuentedecorriente.Laelectricidad,alpasaratravésdelmineral,hacequeestesereduzcayseformeelmetal.

EstemétodosesueleusarparaobtenerlosmetalescomoLitio,sodio,potasio,magnesio,calcioyaluminio.

Metales

Lamateriaprimaparaobtenerelmineralesmuyapreciadaymuchospaísessufrenlasluchasporcontrolarlasminas,quedanmuchosbeneficiosagobiernos,distribuidoresyfabricantes.UncasosangranteeseldelColtán.

Coltán=Columbita+Tantalita

NiobioTántalo

ElNiobioseusaparafabricarimanesusadosenauriculares,altavocesydiscosduros.Eltántalo,parafabricarcondensadoresqueseusanenlosmóviles.

EnlaRepúblicademocráticadelCongohaygrandesyacimientosdeColtán.Estohaprovocadoluchasporelcontroldelazonaquehanprovocadolamuertea4millonesdepersonasylamigraciónaUgandadeotrostantos.Ademásseutilizamanodeobraencondicionesdesemiesclavitud.Tambiénhaprovocadograndespérdidasenlaspoblacionesdegorilasyelefantes

Metales

Actualmentelainvestigaciónynuevasaplicacionesdelosmetalessedirigehacialabúsquedadenuevasaleaciones.

• AceroscombinadosconTitanio,vanadiooniobio,paramejorarladurezaylaresistenciadelmetal.Seusanenlaconstruccióndegrandesrascacielos.• Nuevasaleacionesdealuminio,ligerasperoresistentes,queseempleanenindustriaaeronáutica.

Polímeros

Desdesiempreelhombrehaempleadopolímerosnaturalesparasatisfacersusnecesidades:madera,cuero,resinas,gomasnaturalesyfibras(lanayalgodón).

ResinaPapiroSeda

LospolímerossintéticosseutilizandesdeelSXX.ElplásticollamadoParkesinafueelprimermaterialsintéticodelahistoria;fueinventadaporParkesen1862ycontienenitrocelulosa.En1909LeoBaekelandinventólabakelita,queiniciólaeradelosplásticos.

Polímeros

Ventajasydesventajasdelospolímerosfrentealosmetales:

Ventajas:• Pocopeso• Altaresistenciaalacorrosiónyalosagentesquímicos

Desventajas:• Bajaresistenciamecánica• Bajaresistenciaalcalor• Bajaresistenciaaladegradación• Noesreparable

Polímero:esunamoléculadegrantamañoformadaporlaunióndemoléculasmáspequeñasllamadasmonómeros,queseunenconenlacescovalentes.

Polímeros

Unafibranaturaldegranusoeslacelulosa.Estafibraseobtienedelosárbolesyseempleaparafabricarpapel.

Paraobtenerlacelulosadelamadera,hayquecortarlafinamenteylavarlaconunagrancantidaddeaguaysecalientaa200ºCparasepararlacelulosadelalignina.

Lapulpaobtenidaseblanqueausandocloro(Cl2)

Acontinuaciónseleañadencolasuotrosconsolidantesparahacerelpapelmásflexibleyresistente.

Porúltimo,seprocesahaciendobobinasdepapelparaalmacenarlo.

Papel

Fabricacióndelpapel

Polímeros

Duranteelprocesodefabricacióndelpapelseconsumemuchísimoaguayelectricidad.Perosobretodosedebentalardemasiadosárboles.

Paraevitarestosexcesospodemoscomenzarporconsumirmenospapel,empleandomáslibrosdigitales,protegiendolosbosquesmediantetalacontroladayreforestación,yusandopapelreciclado.Lafabricacióndepapelapartirdepapelrecicladoconsumemenosrecursos.

¡¡RECICLA!!

Polímeros

Plásticos:

Sonpolímerossintéticosquesecaracterizanportenerunaelevadaplasticidad,quepermitedarleslaformaquemásconvenga.Hoyendíasuusoesmuyamplio.

Elmarcodelaraquetaestáfabricadoconfibradecarbono,yelencordadoesdenylon

Lacolchonetaestáfabricadaconespumadepoliuretano

LosTupperestánfabricadosconpolietileno

Lospañalesestánfabricadosconvariostiposdeplásticosyelprincipaleselpoliacrilato,unpolímeroenpolvocapazdeabsorberkilosdelíquido.

Polímeros

Elmayorproblemaquepresentanlosplásticosesquealnoserbiodegradables,susresiduospermanecencientosdeañosenlosvertederos.Inclusoenlosocéanossehanlocalizado“islasdeplásticos”degransuperficie.Notodossonreciclables,yademáselrecicladoesaúnbastantecaro.Laincineracióndeestosresiduosnoesrecomendableyaquepuedenproducirsustanciasnocivasparalasaludyelmedioambiente.

Actualmenteestánsurgiendoproductosalternativosalplásticoquesísonbiodegradables.Seobtienendelmaízolapatatayseusanparafabricarbolsasyrecipientesdeagua.

Polímeros

Lospolímerossepuedenclasificardemuchasformasyaquesonmuyvariadostantoensuscomposiciónquímicacomoensuspropiedades.Estaclasificaciónsebasaensuutilidadindustrial.Cadatipodeplásticovaasociadoconunnúmeroparaidentificarloyfacilitarsureciclaje.

Polímeros

PET

Polímeros

HDPE

Polímeros

PVC

Polímeros

LDPE

Polímeros

PP

Polímeros

PS

Polímeros

Materialescerámicos

Lapalabra“cerámica”provienedelgriego“keramos”quesignifica“quemar”.Conestapalabranosreferimosalasarcillas,ensuformamásgeneral.

Lasarcillassonsilicatosdealuminio,quesecaracterizanportenerunaspartículasmuyfinas;alhidratarlas,elmaterialsehacemoldeableysisedejasecarsequedarígido.Siademássecalientaatemperaturasmayoresde800ºC,setornapermanentementerígida(aunquesevuelvaamojar)yaestaseladenominacerámica.

Lasaplicacionestradicionalesdelasarcillasson:utensiliosdecocina,objetosartísticos,ladrillos,cemento,vidrio…

Materialescerámicos

Propiedades:• Duros• Frágiles• Porosos• Refractarios(resistenaltastemperaturas)

Aplicaciones:placascerámicaspararecubrirloscohetesespacialesyprotegerlosdelasaltasTalentrarenlaatmósfera.Tambiénseusanpararecubrirhornos,inclusolosaltoshornosdeacero,quealcanzantemperaturasde1600ºC.

Elgranproblemadelascerámicasessufragilidad,quesedebeenpartealtamañodelosgranos(demasiadograndes)oadefectosensuestructura.

Objetivoreducireltamañodelosgranospordebajodelamicra,ydisminuirlosdefectosdelaestructura

Materialescerámicos

Losmaterialescerámicosavanzadossonaquellosmaterialesquecombinanlascaracterísticasylasventajasdelacerámicatradicional,porejemploinerciaquímica,capacidadaaltatemperatura,ydureza,conlacapacidaddesoportarunatensiónmecánicasignificativa.

Porejemplo,losnitrurosdesiliciosonmaterialesmuyduros,quesepuedenemplearenpiezasdelosmotoresdeúltimatecnología:válvulas,inyectordecombustible,rotoresdeturbo,pistones…

Loscarburosdesiliciosonmásduros,tienenlaestructuradeldiamanteysoncasitanduroscomoél.Seempleanenherramientasdecorte,sustituyendoaldiamante.

Composites

Sonmaterialesformadosporvariosmaterialesdelosanteriormentevistos.Seclasificanenfuncióndelmaterialempleadocomobase:• Dematrizmetálica• Dematrizpolimérica• Dematrizcerámica

Hormigón:esuncompuestocerámico,compuestodematerialgranulargrueso(grava)yfino(arena)incorporadosenunapastaduradecemento.

Maderacontrachapada:láminasdemaderaconlasvetasperpendicularesentresí,paradarlerigidez,pegadasconresina.

Composites

Elcompositemásantiguoquehayeseladobe,formadoporarcillaypaja.Lapajamejoralaspropiedadesdelaarcilla,dándolemásresistencia.

Otroscompositesconocidossonlasmezclasderesinasqueseempleaneneldentistapararepararlascaries.Enestecasosetratadecompuestossintéticos,quepolimerizanconluzultravioleta,yalfinaldelapolimerizaciónpermanecenrígidos,cerrandoeldiente

Nanocienciaynanotecnología

http://www.youtube.com/watch?v=sa8_W9c5n7s&feature=fvwrel

http://www.dailymotion.com/video/xcfseo_nanotecnologia‐el‐peso‐del‐minuscul_tech

Nanoesunprefijoquevienedelgriego“νανοσ”quesignificadiminuto,enano.EnelSistemaInternacionalseusaparaindicarunfactorde10‐9esdecir,lamilmillonésimapartedeunmetro

Lananocienciaeselestudiodelosobjetosdeuntamañonanométricoydesuspropiedades.Lananotecnologíaeslatecnologíageneradaconobjetosnanométricos,esdecir,laconstruccióndemateriales,estructuras,dispositivosatravésdelcontrolyensambladodemateriaaescalananométrica.

Cuandosemanipulamateriaenestaescaladeátomosymoléculas,presentapropiedadestotalmentenuevasquesepuedenusarparafabricaraplicacionesnovedosas.

Nanocienciaynanotecnología

Lananocienciaylananotecnologíaabarcandesde0,1a100nm(1000nmequivalena1micrometro,yyanoseconsideraríananociencia)

Nanocienciaynanotecnología

nano

nanoquímica

nanoelectrónica

nanomedicina

nanobiotecnologíananopartículas

nanotubos

nanomotores

nanoimanes

Nanocienciaynanotecnología

DisponerdenuevosmaterialesesunanecesidadconstantealolargodelahistoriadelaHumanidad.Lapiedra,elbronce,elhierro,…losacerosquepermitieronlaRevoluciónIndustrial,elaluminioylospolímerosquehansustituídoalaceroenlosautomóviles,losplásticosquesustituyeronmuchasvecesalcartón…

ElCarbono:

Hoyendíamuchosnuevosmaterialesqueseestándesarrollandosebasanenelcarbono.

ElCesunátomoespecial:cadaátomodecarbonopuedeformardos,tresocuatroenlacesconátomosvecinos,loquepermiteunagranvariedaddeestructuras.

Ademáslosenlacesentrecarbonossonmuyfuertes,peronotantocomoparaquenosepuedanromperyvolveraformardenuevo.

Nanocienciaynanotecnología

Enlanaturalezaelcarbonopuroseencuentraendosformas,muydiferentesensuestructuraypropiedades.

diamante grafito

Nanocienciaynanotecnología

Nuevosnanomaterialesdecarbono:

• Grafeno:acadaunodelosplanosquecomponenlaestructuradelgrafitoselellamagrafeno.ElpremioNobeldeFísicade2010recayósobreAndreGeimyKonstantinNovoselovporsusestudiossobrelaspropiedadesdegrafeno.

Nanocienciaynanotecnología

Papeldegrafeno,másresistentequeelacero

Prototipodemóvildeláminasdegrafeno,y

plásticos

TransistordegrafenodiseñadoporIBM

http://www.youtube.com/watch?v=yc8qYXG5Snk&feature=related

Nanocienciaynanotecnología

• Nanotubosdecarbono:sontubosdecarbonoformadosporunaláminadegrafenoenrrollada,conundiámetrode10nm(10000vecesmásfinosqueuncabello).Fuerondescubiertosporcasualidaden1991.Son10vecesmásligerosqueelacero,y100vecesmásresistentes.

Esunbuenconductoreléctrico,resistenteyflexible.Sepuedeemplearpara:

‐Cablesparatrasportarlaelectricidad

‐Semiconductoresparahacerdispositivoselectrónicos(diodos,transistores…)

AscensordesdelaTierraalaLunafabricadoconnanotubosdecarbono,más

resistentesqueelacero

Transistoresconnanotubosdecarbonosobreunmaterial

polimérico

Nanocienciaynanotecnología

Nanocienciaynanotecnología

• Fullerenos:sonmoléculasesféricasformadasporátomosdecarbonounidosformandohexágonosypentágonos.TambienselesllamabuckminsterfullerenosenhonoralarquitectoBuckminsterfuller,cuyascúpulasgeodésicasseparecíanmuchoaestamolécula.

FullerenoC60tambiénllamado

futboleno

ExistenotrasmuchasmoléculasconmásátomosdeC,ytodassellamanfullerenos.Alsermoléculasrígidas,susposiblesaplicacionesvandirigidasasuusocomotransportadorasdefármacosenelorganismohacialoslugaresdondedebanactuar.

Nanocienciaynanotecnología

Microscopiodeefectotúnel(STM)yMicroscopiodefuerzaatómica(AFM)

Sonlosojosylasmanosdelananotecnología.Nosólopermiten“ver”átomossinoquepermitentambiénmanipularlos.Sufuncionamientoesbastanteparecido.Enlugardeunalente,comotendríauinmicroscopionormal,tienenunapuntamuyfinadesilicio,quese“pasea”porencimadelmaterial,yescapazderepresentaren3Dlasuperficiedelmaterial.

Átomosdesiliciodeuncristal.Imagentratadaporordenadordelresultadodeunmicroscopiodeefectotúnel.

Nanocienciaynanotecnología

Peroademásconestosmicroscopiossepuedenllegaramanipularátomosindividuales!!Paraellolapuntadelmicroscopiosecargaylosátomossepeganaella,comolostrocitosdeunpapelsequedanpegadosaunboliquehemosfrotadoparacargarloconelectricidadestática.

LogotipodeIBMescritoconátomosdeXenonsobreunasuperficiedeníquel(1990)

Tambiénsepuedeescribirsobrelosmaterialesconotrosmétodos,porejemplooxidandosusuperficiesonlapuntadeunAFM,comosideunalitografíasetratara.Elgrosordeltrazoconseguidoesdeunos10nm

Nanocienciaynanotecnología

FragmentodeElQuijoteescritosobresilicio.LasletrassondeóxidodesilicioyseconsiguieronconunAFMcuyapuntaibaoxidandolasuperficiedesilicio